[發明專利]一種單自駕儀一體化的飛行器系統及其二維云臺控制方法

有效

• 申請號: 201610029848.6
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105468014B
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 陳清陽;侯中喜;魯亞飛;王鵬;郭正;李茹;冒云慧;高俊;郭天豪
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 胡偉華;張小雪

一種單自駕儀一體化的飛行器系統及其二維云臺控制方法，包括地面控制中心，無人機飛行器，二維云臺、自駕儀、數據通信鏈路及圖傳鏈路；自駕儀同時實現飛行器控制與二維云臺控制。二維云臺控制時將自駕儀中的位置/姿態/航向傳感器獲取的無人機位置姿態信息、地面控制中心上傳的目標點位置信息，映射到以無人機質心為原點的機體坐標系中；進一步通過二維云臺以及無人機質心的幾何關系，可以得到二維云臺與目標點之間的相對位置關系，繼而通過控制算法解算出云臺的期望俯仰角、偏航角指令，以保證云臺在無人機飛行器飛行過程中始終能正對目標點。同時綜合考慮成像質量問題，對云臺轉動的角度、角速度進行約束，保證能獲得清晰的實時圖像。

技術領域

本發明屬于無人機控制系統設計領域，具體涉及一種單自駕儀一體化的飛行器系統及其二維云臺控制方法。

背景技術

目前，云臺攝像系統在無人機航拍領域應用越來越廣泛。在無人機領域，固定翼類型的占主導地位，由于固定翼無人機速度快，無法懸停，當需要對一個目標進行定點觀察時，就要采用云臺控制機構。云臺根據無人機的航跡和姿態實時對偏轉角和滾轉角進行控制，從而實現對目標點的持續觀察。云臺系統是固定翼無人機完成航拍和定點觀察任務的關鍵因素。

現有的無人機云臺控制系統大多采用獨立的模塊。這些模塊可以解算出目標到云臺的位置和姿態等信息，然后利用這些信息生成云臺的控制指令，從而獲得穩定的視頻圖像。由于云臺是安裝在無人機上，知道了無人機的位置和姿態等信息，就可以知道云臺的位置和姿態等信息。而自動駕駛儀既可以獲得無人機的位置和姿態等信息，也可以生成相關的指令，因此單獨為云臺系統配置一個控制器是不必要的，造成硬件上的浪費，同時使整個無人機系統變得冗余和臃腫。此外，這兩個控制單元相對獨立，導致整套系統無法很好的結合起來，自動駕駛儀控制系統無法在飛行航跡規劃中考慮航跡變換對云臺拍攝效果可能帶來的影響，也無法根據拍攝要求設計更為合理的飛行航跡，影響最終任務完成的效果。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于通過設計一種單自駕儀一體化的飛行器系統及其二維云臺控制方法，提供一種整體結構科學簡單、高度集成、安全可靠、可方便操作二維云臺進行目標觀測的單一自駕儀系統，以彌補現有攜帶云臺的無人機系統冗余，操作復雜的不足。

本發明的技術方案為：

一種單自駕儀一體化的飛行器系統，包括地面控制中心，無人機飛行器，二維云臺、自駕儀、一條上下行的數據通信鏈路及一條下行的圖傳鏈路；所述自駕儀同時實現飛行器控制以及二維云臺控制，所述二維云臺和自駕儀均固聯于無人機飛行器上；二維云臺具有遙控模式和云臺自動指向模式兩種控制方式，遙控模式時，所述地面控制中心通過數據通信鏈路與無人機飛行器上的自駕儀進行實時通信，實時監測和控制無人機的位置及姿態，并在遙控模式下控制二維云臺的俯仰角、偏航角；云臺自動指向模式時，二維云臺控制的指令由自駕儀解算輸出，地面控制中心實時進行監測，并在需要時切換至遙控模式，二維云臺控制系統使用自駕儀控制系統中的位置/姿態/航向信息計算得到二維云臺期望的俯仰角、偏航角指令。

一種單自駕儀一體化的飛行器系統的二維云臺自動指向控制方法，首先將自駕儀中的位置/姿態/航向傳感器獲取的無人機位置、姿態信息、地面控制中心上傳的目標點位置信息，映射到以無人機質心為原點的機體坐標系中；進一步通過二維云臺以及無人機質心的幾何關系，可以得到二維云臺與目標點之間的相對位置關系，繼而通過控制算法解算出云臺的期望俯仰角、偏航角指令，以保證云臺在無人機飛行器飛行過程中始終能正對目標點。同時綜合考慮成像質量問題，對云臺轉動的角度、角速度進行約束，保證能獲得清晰的實時圖像。具體步驟如下：

(1)獲取目標點與無人機的位置信息；

從自駕儀中的位置/姿態/航向傳感器實時獲取無人機的位置以及姿態信息，從地面控制中心獲取當前目標點的位置信息。

(2)利用坐標轉換矩陣，獲得目標點在機體坐標系下的坐標；