[发明专利]一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及四旋翼飞行器的技术领域，更具体地，涉及一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统及方法。

背景技术

由于小型四旋翼飞行器具有体积小、重量轻、可垂直起飞降落、定点悬停、高机动性等优点，在交通监控、自然灾害监视与救援、环境和污染监测、农林业勘测、应对突发事件等领域具有广阔的应用前景。

    四旋翼飞行器是一个多变量、强耦合的复杂非线性系统，由于在三维空间中运动，它的飞行姿态和运动轨迹的控制比地面机器人的控制更为困难。受有限负载能力和电源的限制，小型旋翼飞行器根据机载的轻便传感器系统（例如视觉传感器、小型激光测距仪）感知外部环境。同时，由于机载控制板的运算能力有限，难以在机载控制板上进行复杂的视觉和控制算法的运算。因此，如何根据机载小型传感器系统感知外部环境，如何实时规划和控制其运动轨迹以实现小型旋翼飞行器的自主飞行，是非常具有挑战性的问题。当前在微小型旋翼无人机领域的研究工作主要集中在飞行器的自主稳定飞行、自主避障、基于机载视觉的目标识别和跟踪、三维空间的同步自定位与地图创建及多飞行器的协调控制等。美国宾夕法尼亚大学、瑞士苏黎世联邦理工学院、斯坦福大学等机构在小型旋翼飞行器的自主飞行研究领域处于领先地位。 宾夕法尼亚大学的GRASP实验室和瑞士联邦理工学院的研究团队研究了室内环境中单个小型旋翼飞行器的自主飞行以及多个小型飞行器的编队飞行与协同合作。在飞行过程中，宾夕法尼亚大学和瑞士联邦理工的研究团队利用Vicon高速动作捕捉系统所提供的旋翼无人机的精确室内全局位置信息，实现了旋翼飞行器的高灵敏度与高精度的飞行姿态控制。

在室外环境下，飞行器的位置信息可由全球定位系统系统（GPS）提供实时位置信息。在无GPS信号的环境下，例如在室内环境中，通常由高速、高精度的室内定位系统（如Vicon高速动作捕捉系统、Optitrack运动捕捉系统、基于超宽带技术的无线定位系统等）提供飞行器的实时位置信息，这些高速、高精度室内定位系统的价格非常昂贵，同时，由于飞行器受限于定位系统的有效测量空间，这极大地限制了飞行器自主飞行的性能。实现飞行器自定位的另一种解决方案是使用激光测距仪，但适于小型飞行器的激光测距仪的价格昂贵、更新速率低。光流技术是一种有效的自主定位方案，基于电脑鼠标传感器或CMOS摄像头的光流传感器都已被成功的应用于单个飞行器的自主导航。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统，是基于低成本、轻量的机载传感器的小型四旋翼飞行器的自主飞行控制系统。在无GPS信号环境中，基于机载的传感器和机载的微处理器，实现了飞行器6自由度飞行姿态的实时估计与控制，提供了一种精确、可靠、低成本的小型旋翼飞行器的自主飞行控制策略。进一步的，提供一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制方法，其方法步骤简洁，可实时估计飞行器的6自由度飞行姿态。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于机载传感器的小型四旋翼飞行器控制系统，其中，包括惯性测量单元模块、微处理器、电调、超声波传感器、光流传感器、摄像头、无线模块、直流无刷电机；

所述惯性测量单元模块与微处理器的IIC总线接口相连接；电调与微处理器的PWM口相连接；超声波传感器与微处理器的I/O口相连接；光流传感器与微处理器的SPI总线接口相连接；无线模块与微处理器的串口SCI相连接；直流无刷电机与电调的输出相连接；摄像头与微处理器连接。

所述的惯性测量单元模块包括三轴磁力计、三轴加速度计、三轴陀螺仪，所述三轴磁力计、三轴加速度计、三轴陀螺仪同时与微处理器的IIC总线接口相连接。

本发明中，基于机载传感器实时估计飞行器的6自由度飞行姿态，包括三个姿态角（俯仰角                                                、横滚角、偏航角）以及在惯性坐标系中的()。融合机载的惯性测量单元模块（包括三轴陀螺仪，三轴加速度计和三轴磁力计）的测量数据，可准确估计飞行器的三个姿态角。