CN202939489U - 一种多旋翼自动平衡飞行控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多旋翼自动平衡飞行控制器，由微机械传感器数据采集与滤波模块、高度测量模块、位置信息测量模块、姿态测量模块、脉冲编码控制模块、电子调速器控制模块和无刷电机控制模块组成，高度测量模块、位置信息测量模块和姿态测量模块分别与脉冲编码控制模块连接，微机械传感器数据采集与滤波模块与姿态测量模块连接，脉冲编码控制模块与电子调速器控制模块连接，电子调速器控制模块与无刷电机控制模块连接。该控制器能实时对各个电机的转速进行智能的调整，让多旋翼飞行器轻松的实现垂直起降、转向；在没有人工的干预下能实现自动悬停以及自动返回到起飞点的功能。而且能够适应多种复杂的环境，确保多旋翼飞行器平衡安全的飞行。

Description

一种多旋翼自动平衡飞行控制器

技术领域

本实用新型涉及飞行控制装置，具体是一种多旋翼自动平衡飞行控制器。

背景技术

目前市场上多旋翼飞行器采用两个及以上的电子调速器驱动控制无刷电机独立工作。两个及以上的螺旋桨基本上处于一个平面，而且桨叶与机身是大致上平行的，如果在理想状态下，四个螺旋桨处于同一个平面，在无风无外力的干扰下，四个电机的转速完全一致，则非常容易实现垂直起降，悬停等工作，但是由于世界万物存在各种不同的差异性，多旋翼的多个电机不能做到完全一致的转速，因此多旋翼飞行器是一种非线性系统，使得多旋翼飞行器在没有智能控制器协助下很难做到平稳的控制。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种多旋翼自动平衡飞行控制器，该控制器能实时对各个电机的转速进行智能的调整，让多旋翼飞行器轻松的实现垂直起降、转向；在没有人工的干预下能实现自动悬停以及自动返回到起飞点的功能。而且能够适应多种复杂的环境，确保多旋翼飞行器平衡安全的飞行。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种多旋翼自动平衡飞行控制器，由微机械传感器数据采集与滤波模块、高度测量模块、位置信息测量模块、姿态测量模块、脉冲编码控制模块、电子调速器控制模块和无刷电机控制模块组成，高度测量模块、位置信息测量模块和姿态测量模块分别与脉冲编码控制模块连接，微机械传感器数据采集与滤波模块与姿态测量模块连接，脉冲编码控制模块与电子调速器控制模块连接，电子调速器控制模块与无刷电机控制模块连接。

所述的微机械传感器数据采集与滤波模块：

为了能够提供三维立体转动速率，三个轴向的加速度数值，三个轴向的地磁数据，需要一种微机械传感器提供相应的数据，本微机械传感器包括了三轴微机械陀螺仪传感器主要是用来提供三轴转动速率，三轴的加速度传感器提供在运动过程中产生的三轴加速度数值，三轴磁场传感器提供当前飞行器所处的三轴地磁磁场数据。三种不同类型的传感器只能提供原始信号的参考值，在信号传输和外部复杂环境的干扰下，这些传感器数据会受到外部噪声的干扰，让处理器来采集到这些信号中，除了真实信号外也夹带有噪声，为了剔除噪声的干扰，在该模块中设计了滑动窗自适应滤波加卡尔曼滤波结合的滤波算法，滑动窗自适应滤波能够快速的跟踪时变信道的变化，在保证实时性的同时也对噪声进行了抑制；对三轴转动速率和三轴运动加速度数值进行递推最小二乘估计，实现实时传感器运行状态的估计和预测功能。对这些传感器信号进行一系列观测，并依据一组观测值，按递推最优估计对其进行估计，从而得到最佳的传感器数据。

所述高度测量模块：

为了保证多旋翼飞行器能够实现悬停功能，需要高度测量模块进行参与高度的锁定。要对多旋翼飞行器进行高度锁定关键点是对高度测量的精准性和速度的及时性，决定这两个要素的核心部件包括三个部分：一、气压传感器提高的高度和速度数值；二、加速度传感器经过数据融合后得出的实时速度值；三、GPS模块所提供的高度方向上的速度参考值。

1、高度测量模块采集气压传感器的数值，根据当前飞行器所处的高度采集到气压值，把气压值经过一定的线性关系变换后得到高度的数值。在对气压传感器的数据采集后，经过分析，发现气压传感器所发出的信号也夹带有噪声，该噪声是一些低频的噪声，那么在该模块中设计了二阶自适应低通滤波器对噪声进行了抑制，从而得出精准的高度数值。再由高度的变化情况计算出当前多旋翼在高度方向上的运动速度。

2、加速度传感器在运动过程中将产生的加速度值，对加速度值进行卡尔曼滤波处理，并将滤波后的加速度值与姿态反算后的数据进行估计和预测，再经过数学运算得到精准的相对位移和速度，利用该速度与GPS在高度上的速度进行预测并给出控制多轴飞行的控制方向和控制量的大小；

3、GPS模块所提供的高度方向上的速度参考值，比较准确，但是由于GPS接收数据受到传输时延的影响，相对于真实的速度慢，但是精准，所以在进行高度上进行卡尔曼滤波处理提供了精准的观察值，以此修正加速度传感器所计算的速度值。让多轴控制高度锁定更加及时和准确。

所述位置信息测量模块：

在实现多旋翼飞行器的自动返回到起飞点功能，位置信息测量模块起关键作用，能够保证多旋翼飞行器安全可靠的返回到回家点，保证飞行任务结束以后，可以自动的返回到起飞点。位置信息测量主要依赖于GPS所提供的经纬度信息、根据三轴加速度传感器估算出的相对位移以及三轴磁场传感器给出的三位大地坐标，根据三轴磁场传感器得到与地球正北方向的夹角，为多旋翼返回提供返回的方位；GPS提供的经纬度信息以及三轴加速度传感器的相对位移为返回到起飞点提供了飞行路径和飞行的距离。

所述姿态测量模块

姿态测量模块，在多旋翼飞行器飞行过程中，由于电机的转速不完全一致，就导致该飞行器不能平稳的飞行，在姿态测量模块的辅助下，当飞行器发生倾斜的情况下，姿态测量模块能够正确的测量出当前飞行器所处的空间立体三位坐标，例如当发生左倾0.1°时，姿态测量模块能够迅速并及时的测量出这个角度，并提供数据给脉冲编码控制模块进行控制电子调速器及时的修正相应电机的转速，以此来达到平衡飞行。

所述脉冲编码控制模块：

多旋翼飞行器需要电子调试器控制无刷电机进行工作，电子调速器的输入是以脉冲编码方式进行输入，脉冲编码的周期为20mS，脉冲编码在一个时钟周期内高电平的时间为：900uS~2100uS之间；如果要控制电机的转动速度，就要控制一个时钟周期内高电平的时间，数值越大转速就越快，因此需要多旋翼自动平衡飞行控制器根据飞行姿态的信息进行脉冲编码控制，脉冲编码控制模块根据姿态数据以及陀螺的角速率和加速度传感器的加速度数据进行智能PID控制。根据飞行器的当前的姿态信息为当前量，所以平飞的姿态为目标控制量，根据两者之间的差值，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的脉冲编码控制系统。

所述电子调速器控制模块以及无刷电机控制模块：

脉冲编码控制模块送出对应的PWM波信号给电子调速器控制模块，电子调速器根据PWM波信号对无刷电机进行实时控制。

本实用新型的优点是：本实用新型通过对多旋翼飞行器进行自动平衡控制，多旋翼飞行器在飞行过程中，多个电机的转速存在各种不同的差异性，为了保证该飞行器能够实现平稳的飞行，必须实时对各个电机的转速进行智能的调整。该实用新型可以让多旋翼飞行器轻松的实现垂直起降、转向；在没有人工的干预下能实现自动悬停以及自动返回到起飞点的功能。

附图说明

图1为本实用新型控制器的结构框图。

图2为四轴飞行器飞行控制示意图。

具体实施方式

参照图1，一种多旋翼自动平衡飞行控制器，由微机械传感器数据采集与滤波模块、高度测量模块、位置信息测量模块、姿态测量模块、脉冲编码控制模块、电子调速器控制模块和无刷电机控制模块组成，高度测量模块、位置信息测量模块和姿态测量模块分别与脉冲编码控制模块连接，微机械传感器数据采集与滤波模块与姿态测量模块连接，脉冲编码控制模块与电子调速器控制模块连接，电子调速器控制模块与无刷电机控制模块连接。

姿态测量模块收集微机械传感器数据采集与滤波模块的数据，在本模块中引入加速度和磁场传感器计算得出姿态信息，并将该姿态信息做为抑制三轴陀螺偏移的依据；三轴微机械陀螺传感器所得到的姿态确定算法是采用等效旋转矢量法；运动状态判断专家系统根据三轴加速度值，对物体的运动状态进行判断，当物体处于运动状态时，由于受到运动加速度噪声的影响，加速度值不能准确的反映物体的运动姿态。三轴加速度传感器数据经过运动状态判断专家系统后，根据运动的情况，实时调整卡尔曼滤波算法递推公式中测量噪声矩阵，物体在改变运动状态下，卡尔曼滤波算法自动减小对加速度信号的依赖度。当载体处于静止状态时，逐渐收敛的增加加速度数据的权重值，此时卡尔曼滤波算法通过对加速度和磁场传感器的数据估算多旋翼飞行器的姿态信息，同时估计陀螺漂移误差；当载体处于运动状态时，卡尔曼滤波算法主要由三轴微机械陀螺传感器信号来评估载体的姿态信息，并对在静态情况下，估算陀螺漂移误差数据对陀螺信号进行补偿。数据融合姿态修正，将由等效旋转矢量法计算出的姿态信息和通过加速度和磁场传感器所得到的姿态信息进行数据融合算法并计算出实际的姿态数值；姿态稳定输出，依据标准角度测量仪对姿态测量模块的数据进行标定，以此输出更加精准的姿态数据。

如图2所示，本实用新型飞行控制器使用时，将多旋翼飞行控制器安装在多旋翼飞行器平台的中间，在运动过程中，由姿态测量模块提供该多旋翼飞行器精准的、实时的空间立体坐标中三个轴向（X轴，Y轴，Z轴）的转动速率、三个轴向在运动过程中所产生的加速度数值以及三维姿态数据：俯仰角、横滚角、方位角，根据测量模块的数据，对该飞行器的多个无刷电机转速进行实时的调整，以此来到达飞行器的平衡飞行；由位置信息测量模块来提供多旋翼飞行器当前的地理位置坐标，将当前的地理位置坐标根据姿态测量模块的三位姿态数据转换成飞行器的机体坐标，将机体坐标作为控制的参考，所要完成的飞行任务作为控制目标，实现自动悬停或者自动返回到起飞点功能。

Claims (1)

1.一种多旋翼自动平衡飞行控制器，其特征是：它由微机械传感器数据采集与滤波模块、高度测量模块、位置信息测量模块、姿态测量模块、脉冲编码控制模块、电子调速器控制模块和无刷电机控制模块组成，高度测量模块、位置信息测量模块和姿态测量模块分别与脉冲编码控制模块连接，微机械传感器数据采集与滤波模块与姿态测量模块连接，脉冲编码控制模块与电子调速器控制模块连接，电子调速器控制模块与无刷电机控制模块连接。

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