[實用新型]一種無人機飛行控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202020341524.8
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN211506260U
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁電寬;李立新;賈天光;鄒玉煒;李玲藝;劉佳寧
• 申請（專利權(quán)）人: 安陽師范學(xué)院
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京紐樂康知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11210
• 代理人: 唐忠慶

本實用新型公開了一種無人機飛行控制系統(tǒng)，包括設(shè)置在無人機上的無人機子系統(tǒng)、設(shè)置在遙控器上的遙控子系統(tǒng)、上位機，所述遙控子系統(tǒng)、無人機子系統(tǒng)分別與所述上位機通信連接；還采用了無人機遙控電路，無人機姿態(tài)識別電路，無人機高度測量電路，無線通信電路上位機界面、電源模塊、3D智能旋屏；使用了數(shù)據(jù)融合算法處理傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)加工融合后傳輸至CPU，通過單片機、上位機程序處理后傳輸至3D全息顯示模塊。本實用新型提供一種無人機飛行控制系統(tǒng)，可以實時顯示3D全息圖像信息、無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)，且穩(wěn)定性好，成本低，未來具有良好的市場前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及無人機飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種無人機飛行控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著無線電技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用計算機飛行控制系統(tǒng)的無人機可以按較復(fù)雜的任務(wù)剖面飛行，自動駕駛儀、電傳操縱系統(tǒng)、基于航路點的導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和先進(jìn)傳感器使無人機不再完全依賴地面控制，可以靈活執(zhí)行多種任務(wù)，成為真正意義上的無人機。

目前，無人機在視覺傳達(dá)以及傳媒方面應(yīng)用很少，市場上對于3D智能旋屏技術(shù)的應(yīng)用場景的認(rèn)識不夠充分；另外，現(xiàn)有的無人機飛行控制系統(tǒng)，無法實時顯示無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)，易受環(huán)境干擾，穩(wěn)定差。

以下對用到的現(xiàn)有專業(yè)名詞進(jìn)行解釋：MSP430為十六位的單片機，STM32單片機是ST（意法半導(dǎo)體）公司使用arm公司的cortex-M3為核心生產(chǎn)的32bit系列的單片機，他的內(nèi)部資源（寄存器和外設(shè)功能）較8051、AVR和PIC都要多的多，基本上接近于計算機的CPU了，適用于手機、路由器等等。上位機，是指可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般是PC/mastercomputer/upper computer，屏幕上顯示各種信號變化（壓強，水位，溫度等）；上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備；下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機。串口連接，指的是硬盤接口類型中的串行傳輸規(guī)范，通俗叫法叫SATA接口，串口連接有兩種，一種是物理上的，另一種是虛擬連接，SATA是Serial ATA的縮寫，即串行ATA；SATA總線使用嵌入式時鐘信號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比其最大的區(qū)別在于能對傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕淮薪涌谶€具有結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔的優(yōu)點。卡爾曼濾波（Kalman filtering），是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法；由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計也可看作是濾波過程；數(shù)據(jù)濾波是去除噪聲還原真實數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，Kalman濾波在測量方差已知的情況下能夠從一系列存在測量噪聲的數(shù)據(jù)中，估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)；由于它便于計算機編程實現(xiàn)，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的更新和處理，Kalman濾波是目前應(yīng)用最為廣泛的濾波方法，在通信，導(dǎo)航，制導(dǎo)與控制等多領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用；卡爾曼濾波主要用于融合低層次實時動態(tài)多傳感器冗余數(shù)據(jù)，該方法用測量模型的統(tǒng)計特性遞推，決定統(tǒng)計意義下的最優(yōu)融合和數(shù)據(jù)估計，如果系統(tǒng)具有線性動力學(xué)模型，且系統(tǒng)與傳感器的誤差符合高斯白噪聲模型，則卡爾曼濾波將為融合數(shù)據(jù)提供唯一統(tǒng)計意義下的最優(yōu)估計；卡爾曼濾波的遞推特性使系統(tǒng)處理不需要大量的數(shù)據(jù)存儲和計算。PID算法控制原理，閉環(huán)控制是根據(jù)控制對象輸出反饋來進(jìn)行校正的控制方式，它是在測量出實際與計劃發(fā)生偏差時，按定額或標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行糾正的；比如控制一個電機的轉(zhuǎn)速，就得有一個測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上；提到閉環(huán)控制算法，不得不提PID，它是閉環(huán)控制算法中最簡單的一種；PID是比例(Proportion) 積分 ，(Integral) 微分 ，(Differential coefficient) 的縮寫，分別代表了三種控制算法；通過這三個算法的組合可有效地糾正被控制對象的偏差，從而使其達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。使用傳感器檢測物體的姿態(tài)時，在STM32F103單片機上采用MPU6050芯片，它是一種六軸傳感器模塊，采用InvenSense公司的MPU6050作為主芯片，能同時檢測三軸加速度、三軸陀螺儀(三軸角速度)的運動數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)；利用MPU6050芯片內(nèi)部的DMP模塊（Digital Motion Processor數(shù)字運動處理器），可對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、融合處理，它直接通過I2C接口向主控器輸出姿態(tài)解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)，降低主控器的運算量；其姿態(tài)解算頻率最高可達(dá)200Hz，非常適合用于對姿態(tài)控制實時要求較高的領(lǐng)域；常見應(yīng)用于手機、智能手環(huán)、四軸飛行器及計步器等的姿態(tài)檢測。NRF24L01，是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片；無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。ADC，Analog-to-Digital Converter的縮寫，指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器；是指將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的器件；真實世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易儲存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。EW，是IAR Embedded Workbench的簡稱，是C/C++的編譯環(huán)境和調(diào)試器，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具。無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。無刷電動機，是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷；它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中；無刷電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成；位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）；定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。Keil，是美國KeilSoftware公司出品的兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢；Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起；運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本原理就像人腦綜合處理信息一樣，充分利用多個傳感器資源，通過對多傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時間上冗余或互補信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述；具體地說，多傳感器數(shù)據(jù)融合原理如下：N個不同類型的傳感器（有源或無源的）收集觀測目標(biāo)的數(shù)據(jù)；對傳感器的輸出數(shù)據(jù)（離散的或連續(xù)的時間函數(shù)數(shù)據(jù)、輸出矢量、成像數(shù)據(jù)或一個直接的屬性說明）進(jìn)行特征提取的變換，提取代表觀測數(shù)據(jù)的特征矢量Yi；對特征矢量Yi進(jìn)行模式識別處理（如，聚類算法、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他能將特征矢量Yi變換成目標(biāo)屬性判決的統(tǒng)計模式識別法等）完成各傳感器關(guān)于目標(biāo)的說明；將各傳感器關(guān)于目標(biāo)的說明數(shù)據(jù)按同一目標(biāo)進(jìn)行分組，即關(guān)聯(lián)；利用融合算法將每一目標(biāo)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，得到該目標(biāo)的一致性解釋與描述；多傳感器數(shù)據(jù)融合的常用方法基本上可概括為隨機和人工智能兩大類，隨機類方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法、Dempster-Shafer（D-S）證據(jù)推理、產(chǎn)生式規(guī)則等；而人工智能類則有模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗集理論、專家系統(tǒng)等。PWM，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中；PWM的優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小；噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。