[发明专利]一种单自驾仪一体化的飞行器系统及其二维云台控制方法

摘要

一种单自驾仪一体化的飞行器系统及其二维云台控制方法，包括地面控制中心，无人机飞行器，二维云台、自驾仪、数据通信链路及图传链路；自驾仪同时实现飞行器控制与二维云台控制。二维云台控制时将自驾仪中的位置/姿态/航向传感器获取的无人机位置姿态信息、地面控制中心上传的目标点位置信息，映射到以无人机质心为原点的机体坐标系中；进一步通过二维云台以及无人机质心的几何关系，可以得到二维云台与目标点之间的相对位置关系，继而通过控制算法解算出云台的期望俯仰角、偏航角指令，以保证云台在无人机飞行器飞行过程中始终能正对目标点。同时综合考虑成像质量问题，对云台转动的角度、角速度进行约束，保证能获得清晰的实时图像。

主权项

1.一种单自驾仪一体化的飞行器系统的二维云台自动指向控制方法，其特征在于，步骤如下：(1)获取目标点与无人机的位置信息；从自驾仪中的位置/姿态/航向传感器实时获取无人机的位置以及姿态信息，从地面控制中心获取当前目标点的位置信息；(2)利用坐标转换矩阵，获得目标点在机体坐标系下的坐标；[xg yg zg]为目标点在惯性坐标系Oxgygzg下的位置坐标，[xo yo zo]为飞机质心在惯性坐标系Oxgygzg下的位置坐标，Lbg为由Oxgygzg到Oxbybzb的坐标转换矩阵，从而可以计算出目标点在机体坐标系Oxbybzb下的位置坐标[xb yb zb]：其中：偏航角ψ：机体轴Oxb在Oxgyg水平面上的投影与Oxg轴之间的夹角；飞机右偏航时形成的角度，规定为正；俯仰角θ：机体轴Oxb与Oxgyg水平面之间的夹角；当飞行器头部上仰时，规定为正；滚转角φ：飞机对称平面与包含Oxb轴的铅垂平面之间的夹角，飞行器向右滚转时形成的角度，规定为正；(3)利用坐标平移，得到二维云台坐标系；在二维云台安装的过程中，可以测得云台与飞行器质心的距离，即得到机体坐标系Oxbybzb下的二维云台位置坐标[xbc ybc zbc]；定义二维云台坐标系，二维云台坐标系的三个轴与机体坐标系的三个轴分别平行，于是将机体坐标系按照向量平移，即可得到二维云台坐标系Ox_py_pz_p；(4)利用坐标平移，计算目标点在二维云台坐标系下的坐标；由目标点在机体坐标系下的坐标[xb yb zb]，通过坐标平移得到其在二维云台坐标系下的位置坐标[xp yp zp]：(5)根据相对位置信息计算云台期望俯仰角与偏航角指令：(6)根据计算得到俯仰角、偏航角指令，考虑成像的质量问题，对控制指令的幅值、变化速率进行限制；首先，考虑成像质量，对云台转动角度范围进行限制；其中θmin,θmax为俯仰角转动指令的边界值，Limitr()为限制函数，即输出的θcmd必须在θmin与θmax的区间内，ψmin,ψmax为偏航角转动指令的边界值；其次，考虑图像的稳定性，对云台转动的速度进行限制；其中controlstep[0]为俯仰角转动指令的允许变化速率，θcur为上一时刻俯仰角转动指令，controlstep[1]为偏航角转动指令的允许变化速率，ψcur为上一时刻偏航角转动指令；(7)通过预先标定好的角度与控制指令的转换参数k0,θ0,k1,ψ0，将俯仰角、偏航角指令转换为云台转动指令：