[實用新型]一種基于機載傳感器的小型四旋翼飛行器控制系統

有效

• 申請號: 201420058481.7
• 申請日: 2014-02-07
• 公開（公告）號: CN203825466U
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 成慧;陳有生
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛

技術領域

本實用新型涉及四旋翼飛行器的技術領域，更具體地，涉及一種基于機載傳感器的小型四旋翼飛行器控制系統。?

背景技術

由于小型四旋翼飛行器具有體積小、重量輕、可垂直起飛降落、定點懸停、高機動性等優點，在交通監控、自然災害監視與救援、環境和污染監測、農林業勘測、應對突發事件等領域具有廣闊的應用前景。?

四旋翼飛行器是一個多變量、強耦合的復雜非線性系統，由于在三維空間中運動，它的飛行姿態和運動軌跡的控制比地面機器人的控制更為困難。受有限負載能力和電源的限制，小型旋翼飛行器根據機載的輕便傳感器系統(例如視覺傳感器、小型激光測距儀)感知外部環境。同時，由于機載控制板的運算能力有限，難以在機載控制板上進行復雜的視覺和控制算法的運算。因此，如何根據機載小型傳感器系統感知外部環境，如何實時規劃和控制其運動軌跡以實現小型旋翼飛行器的自主飛行，是非常具有挑戰性的問題。當前在微小型旋翼無人機領域的研究工作主要集中在飛行器的自主穩定飛行、自主避障、基于機載視覺的目標識別和跟蹤、三維空間的同步自定位與地圖創建及多飛行器的協調控制等。美國賓夕法尼亞大學、瑞士蘇黎世聯邦理工學院、斯坦福大學等機構在小型旋翼飛行器的自主飛行研究領域處于領先地位。賓夕法尼亞大學的GRASP實驗室和瑞士聯邦理工學院的研究團隊研究了室內環境中單個小型旋翼飛行器的自主飛行以及多個小型飛行器的編隊飛行與協同合作。在飛行過程中，賓夕法尼亞大學和瑞士聯邦理工的研究團隊利用Vicon高速動作捕捉系統所提供的旋翼無人機的精確室內全局位置信息，實現了旋翼飛行器的高靈敏度與高精度的飛行姿態控制。?

在室外環境下，飛行器的位置信息可由全球定位系統系統(GPS)提供實時位置信息。在無GPS信號的環境下，例如在室內環境中，通常由高速、高精度的室內定位系統(如Vicon高速動作捕捉系統、Optitrack運動捕捉系統、基于超寬帶技術的無線定位系統等)提供飛行器的實時位置信息，這些高速、高精度室內定位系統的價格非常昂貴，同時，由于飛行器受限于定位系統的有效測量空間，這極大地限制了飛行器自主飛行的性能。實現飛行器自定位的另一種解決方案是使用激光測距儀，但適于小型飛行器的激光測距儀的價格昂貴、更新速率低。光流技術是一種有效的自主定位方案，基于電腦鼠標傳感器或CMOS攝像頭的光流傳感器都已被成功的應用于單個飛行器的自主導航。?

實用新型內容

本實用新型為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種基于機載傳感器的小型四旋翼飛行器控制系統，是基于低成本、輕量的機載傳感器的小型四旋翼飛行器的自主飛行控制系統。在無GPS信號環境中，基于機載的傳感器和機載的微處理器，實現了飛行器6自由度飛行姿態的實時估計與控制，提供了一種精確、可靠、低成本的小型旋翼飛行器的自主飛行控制策略。?

為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是：一種基于機載傳感器的小型四旋翼飛行器控制系統，其中，包括慣性測量單元模塊、微處理器、電調、超聲波傳感器、光流傳感器、攝像頭、無線模塊、直流無刷電機；?

所述慣性測量單元模塊與微處理器的IIC總線接口相連接；電調與微處理器的PWM口相連接；超聲波傳感器與微處理器的I/O口相連接；光流傳感器與微處理器的SPI總線接口相連接；無線模塊與微處理器的串口SCI相連接；直流無刷電機與電調的輸出相連接；攝像頭與微處理器連接。?

所述的慣性測量單元模塊包括三軸磁力計、三軸加速度計、三軸陀螺儀，所述三軸磁力計、三軸加速度計、三軸陀螺儀同時與微處理器的IIC總線接口相連接。?

本實用新型中，基于機載傳感器實時估計飛行器的6自由度飛行姿態，包括三個姿態角(俯仰角θ、橫滾角φ、偏航角ψ)以及在慣性坐標系中的(x,y,z)。融合機載的慣性測量單元模塊(包括三軸陀螺儀，三軸加速度計和三軸磁力計)的測量數據，可準確估計飛行器的三個姿態角。?