CN105204514A - 一种新型倾转旋翼无人机姿态控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，该***包括硬件电路和控制软件两大部分。其中硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，并把遥控指令的期望姿态同陀螺仪监测到的实时姿态作比较，比较的结果作为控制的输入量，经主控芯片运算、处理后输出相应的控制命令。通过软硬件的紧密结合，无人机可以检测出自身的实时姿态并根据遥控器指令控制航姿操纵机构和倾转旋翼机构的动作，其飞行模式可以在固定翼飞机和旋翼机之间自由切换。该***不仅对研制倾转旋翼无人机具有极大的现实意义，而且对载人倾转旋翼机的研制也有很高的参考价值。

Description

一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***

技术领域

本发明涉及新型无人机领域，具体是一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***。

背景技术

近年来，一种新型的飞行工具-多旋翼飞行器得到科技领域的广泛关注和快速发展。多旋翼飞行器能实现垂直起降、定点定高悬停、前进后退、旋转、侧飞等飞行动作。作为飞行载体可携带影像器材、通讯器材、采集器材、特殊器材等升空，可实现航空飞机及遥控飞机难以达到的作业需要。虽然多旋翼飞行器在生产、生活中广泛应用并取得了不错的效果，但是多旋翼飞行器负载太小，航速低、续航能力太差等因素制约着其大规模应用。

与此同时，在飞行器中固定翼飞机具有飞行速度快、航程长的优点，但需要修建机场跑道为其起降，这不仅增加了使用成本，也限制了固定翼飞机应用范围和使用领域。

虽然直升机具有垂直起降及空中悬停等独特的飞行能力，它不需要特殊的起降机场，几乎可以在任何地点进行起飞和降落，但直升机也有其自身的缺点，如飞行速度低、航程小、受风力扰动较大等。

倾转旋翼机的飞行模式可以在固定翼飞机和旋翼机之间自由切换，所以倾转旋翼机既可以像旋翼机那样垂直起降、空中悬停，又可以像固定翼飞机那样航速高、航程远。然而，我国对倾转旋翼机的研究才刚刚起步，尚未有与之对应、成熟、稳定、可靠的倾转旋翼机姿态控制***面世。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述现有技术存在的问题，提供一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，该***的运用综合了固定翼飞机航速高、航程远和多旋翼无人机(直升机)垂直起降、空中悬停的优点，弥补了固定翼飞机起落场要求苛刻和多旋翼无人机(直升机)航速低、续航能力差的不足，大大拓展了无人机在军民两用中的使用范围和应用领域。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：倾转旋翼无人机姿态控制***包括硬件电路和控制软件两大部分。

所述硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，同时读取陀螺仪监测的实时航姿，主控芯片对上述数据作比对、运算、处理后输出相应控制命令，控制航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构的动作。

所述控制软件包括滚转角控制软件、俯仰角控制软件、航向角控制软件、高度控制软件、旋翼倾转控制软件等。

所述主控芯片是指意法半导体公司的Stm32F407芯片。

所述遥控器是指WFLY-WTF9航模专业遥控器。

所述陀螺仪是指MPU6050陀螺仪。

所述传感器是指气压计、三轴加速度计、三轴磁力计和内置地磁罗盘的GPS模块等。

所述航姿操纵机构是指数字舵机和直流无刷电机。

所述倾转旋翼执行机构是指步进电机和蜗轮蜗杆机构。

本发明的显著优点为：

倾转旋翼机兼具直升机的低速机动性能和固定翼机的高速巡航性能，具有场地要求低、机动性好、巡航速度高、航程远等优点，是未来无人机的重要发展方向。然而，我国对倾转旋翼机的研究才刚刚起步，可借鉴的资料十分有限。本发明的研发不仅对研制倾转旋翼无人机具有极大的现实意义，而且对载人倾转旋翼机的研制也有很大的参考价值。

提供了一种高可实现性的小型倾转旋翼无人机姿态控制***方案：倾转旋翼飞机技术复杂、实现困难、造价十分昂贵，且我国尚不掌握该项技术。本发明的创新点在于，设计了结构相对简单、实现容易的方案，以相对简单、成本较低的机电混控***实现相同功能。既能够实现设计目的，又能够保证制造简单、成本可控，保证了产品在市场上的竞争力。

本发明创造性地引入四旋翼无人机刚体动力学控制原理，即采用静不稳定结构、以电子***进行控制增稳的欠驱动***来实现对倾转旋翼无人机在直升机模态下的控制。通过对无人机的滚转、俯仰、航向以及高度的调节，实现无人机在空间六自由度的运动。

附图说明

图1为新型倾转旋翼无人机三维设计图。

图2为新型倾转旋翼无人机姿态控制***硬件电路原理图。

图3为新型倾转旋翼无人机姿态控制***控制软件总体流程图。

图4为新型倾转旋翼无人机姿态控制***滚转角控制软件原理图。

图5为新型倾转旋翼无人机姿态控制***俯仰角控制软件原理图。

图6为新型倾转旋翼无人机姿态控制***航向角控制软件原理图。

图7为新型倾转旋翼无人机姿态控制***旋翼倾转控制软件原理图。

图中：1为倾转旋翼执行机构(包括蜗轮蜗杆机构、步进电机等)，2为设备舱(包括主控板、陀螺仪、传感器、锂电池等)，3为单自由度倾斜器，4为数字舵机，5为直流无刷电机。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，为实现无人机的完全可控，必须对无人机的滚转角、俯仰角、航向角和高度进行控制。具体方法是：采用沿俯仰轴转动的单自由度倾斜器同向同角度转动，实现无人机俯仰角的控制；采用倾斜器反向同角度转动，实现无人机航向角的控制；采用两侧旋翼转速差，实现无人机滚转角的控制；采用两侧旋翼转速等量增减，实现无人机的高度控制。以上四个控制通道互相独立，每个控制通道均是对陀螺仪、传感器解算出的实际姿态和遥控器给出的期望姿态进行比较，并做PID随动控制，控制量为四通道PID算法在每个执行机构上输出控制量的线性耦合叠加。

如图2所示，硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，同时读取陀螺仪、传感器监测的实时航姿信息，主控芯片对上述数据作比对、运算、处理后输出相应控制命令，控制航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构的动作。

如图3所示，***首先需要做初始化配置，包括：***时钟设置、延时初始化、串口波特率设置、定时器计数频率设置等。因为直流无刷电机由电调驱动，所以紧接着程序需要对电调做油门行程设定，以确定***对电机转速的可控范围，本发明设定的油门行程(高电平脉宽)为1000～2000us。至此，软件***配置结束，程序进入主循环。进入主循环后，***通过串口2读取MPU6050三轴陀螺仪测量的无人机实时姿态信息，通过定时器捕获遥控器发出的期望飞行姿态，然后将实测值与期望值作比较，经由PID控制环节分别对三个欧拉角及高度做随动控制，再将单独的控制量做线性耦合叠加。最后，通过定时器输出多路PWM波形控制直流电机、舵机、步进电机等执行机构的动作。

如图4所示，将滚转摇杆的位置信息换算成滚转角度的期望值(高电平脉宽信息转换为角度信息，本发明设定的极限滚转角为±20度)，经由串口读取MPU6050三轴陀螺仪的实时信息提取滚转角度的实测值，二者比较后做PID控制，输出的控制量为脉宽增量(U1/U2)，脉宽增量与油门摇杆给出的基准脉宽信息(PWM)叠加后作为实际脉宽信息(PWM1/PWM2)，实际脉宽信息(PWM1/PWM2)通过电调控制两直流无刷电机的转速。为安全起见，设置油门摇杆的阈值为1200us，即低于1200us时电机不转；另由软件限定实际脉宽信息值不得超出油门行程(1000～2000us)。

如图5所示，将俯仰摇杆的位置信息换算成俯仰角度的期望值(高电平脉宽信息转换为角度信息)，经由串口读取MPU6050三轴陀螺仪的实时信息提取俯仰角度的实测值，二者比较后做PID控制，输出的控制量为舵机等大、同向的旋转，即舵机1驱动转角为β，舵机2驱动转角也为β，舵机通过拉杆带动两个单自由度倾斜器同向倾斜，进而改变桨叶的迎角，保证了无人机俯仰可控。

如图6所示，航向控制的软件设计思路与俯仰基本相同，所不同的是PID控制输出的控制量为舵机等大、反向的旋转，即舵机1驱动转角为α，舵机2驱动转角为-α，舵机通过拉杆带动两个单自由度倾斜器反向倾斜，进而改变桨叶的迎角，保证了无人机航向可控。

高度控制由油门摇杆控制直流电机转速，实现无人机的升、降。气压计采集无人机的高度信息，与设定的高度值作比较，二者差值经PID环节运算、处理后控制两直流无刷电机转速同增或同减，以保证无人机实现定高的目的。

如图7所示，定义脉宽1ms为直升机飞行模式，脉宽2ms为固定翼飞行模式。输入捕获遥控器辅助通道的高电平脉宽，假设本次捕获的高电平脉宽为1ms，则判断之前捕获的脉宽，如果之前脉宽为1ms，则表示无人机之前就是直升机模式，即翼尖吊舱轴向垂直于水平面，无需动作，维持现状即可；如果之前脉宽为2ms，则表示之前无人机为固定翼模式，即翼尖吊舱轴向平行于水平面，则需驱动步进电机带动蜗轮蜗杆机构，使得翼尖吊舱倾转90度，变换为直升机模式。本次捕获到2ms脉宽的情况与上述原理类似，不再赘述。

如上所述，则能很好的实现本发明。凡是在本发明所提供的技术启示下采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案，也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述***包括硬件电路和控制软件两大部分。

2.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，同时读取陀螺仪监测的实时航姿，主控芯片对上述数据作比对、运算、处理后输出相应控制命令，控制航姿操控机构、倾转旋翼执行机构的动作。

3.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述控制软件包括滚转角控制软件、俯仰角控制软件、航向角控制软件、高度控制软件、旋翼倾转控制软件等。

4.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述主控芯片是指意法半导体公司的Stm32F407芯片。

5.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述遥控器是指WFLY-WTF9航模专业遥控器。

6.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述陀螺仪是指MPU6050陀螺仪。

7.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述传感器是指气压计、三轴加速度计、三轴磁力计和内置地磁罗盘的GPS模块等。

8.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述航姿操纵机构是指数字舵机和直流无刷电机。

9.根据权利要求1所述一种新型倾转旋翼无人机姿态控制***，其特征在于所述倾转旋翼执行机构是指步进电机和蜗轮蜗杆机构。