CN106444842A - 一种新型四轴飞行器的飞行定位控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型四轴飞行器的飞行定位控制***，其通过增加北斗导航模块来和GPS组成北斗/GPS组合导航***来提高定位精度；基于此，本发明首先对北斗导航***获取的位置信息在中转控制板中进行滤波处理，一定程度上消除随机误差带来的影响，然后将数据通过串口发送给四轴飞行器中的飞行控制模块，完成辅助定位校准。此外，本发明通过一个GPRS模块实现了四轴飞行器与上位机之间的数据交换，完成了用户在上位机端对四轴飞行器的状态监测储存和实时控制。

Description

一种新型四轴飞行器的飞行定位控制***

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种新型四轴飞行器的飞行定位控制***。

背景技术

近年来，随着四轴飞行器的不断开发和发展，人们不再仅仅满足于利用遥控终端对飞行器的实时控制，能够自主飞行的四轴飞行器逐渐走入人们的视野。为了实现四轴飞行器的自主飞行，我们对飞行器中定位模块和相关传感器的精度提出了更高的要求。如果定位模块获取的数据不够准确的话，在四轴飞行器飞行过程中就会出现不稳定、随机较大范围漂移的情况，甚至会导致坠机等故障的发生。

另外，由于是自主飞行的四轴飞行器，我们对飞行器的实时状态也是十分关心的。如果无法和飞行器进行通信，定期获取四轴飞行器的状态信息，我们将无法对四轴飞行器的飞行进行控制校准。一旦飞行器出现故障或者偏航，我们也无法及时地通过相应的控制命令来重置和调整四轴飞行器的状态，从而导致四轴飞行器坠毁或者失联的不良后果。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种新型四轴飞行器的飞行定位控制***，通过增加北斗导航模块来和GPS组成北斗/GPS组合导航***来提高定位精度。

一种新型四轴飞行器的飞行定位控制***，包括用于控制四轴飞行器飞行状态的飞行控制模块，飞行控制模块内部包含有用于通过GPS卫星***获取当前四轴飞行器GPS位置信息的GPS模块；所述飞行定位控制***还包括：

北斗导航模块，用于通过北斗卫星***获取当前四轴飞行器的北斗位置信息；

GPRS通信模块，用于接收地面上位机发送的导航信息，同时将飞行控制模块提供的飞行状态信息以及融合校准后得到的位置信息发送给上位机；

中转控制模块，用于对所述北斗位置信息以及导航信息进行解析及预处理后发送给飞行控制模块，同时用于对北斗导航模块和GPRS通信模块的工作参数进行设定以协调两者的工作；

所述的飞行控制模块通过对所述GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准并结合所述导航信息用以控制四轴飞行器的飞行状态，同时将飞行状态信息以及融合校准后得到的位置信息通过中转控制模块转发给GPRS通信模块。

所述的北斗导航模块和GPRS通信模块通过扩展接口板与中转控制模块连接。

所述飞行控制模块对GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准的具体方法如下：

首先，通过以下公式对前n组北斗位置信息和GPS位置信息进行融合校准：

其中：和对应为第i组北斗位置信息和第i组GPS位置信息，Y_i对应为第i组融合校准后的位置信息，s_B和s_G对应为北斗卫星***和GPS卫星***的卫星数量，i为自然数且1≤i≤n，n为设定的组数；

然后，根据以下公式计算前n组北斗位置信息和GPS位置信息的方差：

其中：∈_B和∈_G对应为前n组北斗位置信息和GPS位置信息的方差；

最后，通过以下公式对n组之后的北斗位置信息和GPS位置信息进行融合校准：

其中：和对应为第j组北斗位置信息和第j组GPS位置信息，Y_j对应为第j组融合校准后的位置信息，j为自然数且j＞n。

所述的中转控制模块采用窗函数对北斗位置信息进行滤波预处理。

所述的中转控制模块通过串口将解析及预处理后的北斗位置信息以及导航信息发送给飞行控制模块。

本发明通过增加北斗导航模块来和GPS组成北斗/GPS组合导航***来提高定位精度，由于四轴飞行器中的飞行控制模块一般已经包含了一个GPS模块，因此本发明中的定位模块只需包含北斗导航模块即可。而北斗导航模块本身获取的数据的精度也需要进行改善，才可以被应用。基于此，本发明首先对北斗导航***获取的位置信息在中转控制板中进行滤波处理，一定程度上消除随机误差带来的影响，然后将数据通过串口发送给四轴飞行器中的飞行控制模块，完成辅助定位校准。

此外，本发明通过一个GPRS模块实现了四轴飞行器与上位机之间的数据交换，完成了用户在上位机端对四轴飞行器的状态监测储存和实时控制；GPRS模块首先利用中转控制板获取飞行控制模块中的飞行状态数据和参数，定期发送给上位机，然后若上位机有相应的控制命令发来，则GPRS模块接收命令数据后，发送给中转控制板根据协议进行解析，完成后再传送给飞行控制模块，从而实现实时控制。

附图说明

图1为本发明飞行定位控制***的结构示意图。

图2为本发明飞行定位控制***的工作控制流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明飞行定位控制***结构如图1所示，整体包括一个和芯星通的北斗导航模块UM220-III N、一个GPRS通信模块SIM900A、一个扩展板PC104和一个TI公司生产的MSP430F2618控制板以及飞行器中原有的飞行控制模块。

北斗导航模块主要获取当前四轴飞行器的位置信息，经扩展板发送给MSP控制板后进行滤波处理，再发送给飞行控制模块进行辅助校准。

GPRS通信模块主要用与上位机进行通信，定期利用MSP控制板获取飞行控制模块数据，发送给上位机，并接收上位机发送的控制命令以提供给MSP控制板根据协议进行解析。

扩展板主要是由于MSP控制板上的串口数量有限而设计的多路数据选择电路，实现了对串口进行扩展的功能。一端接入北斗导航模块和GPRS模块，另一端接入MSP控制板，由MSP控制板对接入数据通路进行选择。换句话说，即为可以在一个串口上与北斗模块和GPRS模块进行同时通信。

MSP控制板主要是实现协调多个模块工作，连接飞行控制模块并进行数据处理的功能。不管是北斗导航模块的数据滤波处理，GPRS模块的协议解析，还是多个模块之间的协调通信、数据交换都是在MSP控制板中完成。考虑到硬件成本以及计算复杂度，本实施方式中MSP控制板对北斗位置数据采用窗口滤波算法如下，即在一定窗口数据采取去平均值的算法来减少原始数据X^raw的随机波动。

另外，我们在对原始数据处理时加入利用速度v^raw对位置进行估计和检验校准：

其中：a∈[0，1]的取值可以根据速度v^raw来进行选取，由于四轴飞行器飞行速度不高，因此在速度v^raw较小时，a取较大值来使飞行器的位置数据更加稳定。

飞行控制模块通过对GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准并结合地面上位机提供的导航信息用以控制四轴飞行器的飞行状态，具体融合算法如下：

我们将融合后的数据设为Y，并假设模型的一般形式为：

Y＝kX_B+(1-k)X_G.

其中：X_B为北斗导航模块获取的数据，X_G为GPS模块获取的数据。由于从模块获取的数据中都可以分为真实数据和随机误差∈两部分，因此我们可以将X_B和X_G表示成如下形式：

由于我们假设融合后的数据即为真实数据，则有：

由此，我们可以计算每次的误差值即为：

正常情况下，随机误差∈～N(0，σ²)，我们可以通过多组(例如n＝20)数据来估计其对应的方差值，如下公式所示：

当n取较大值时，方差估计越准确。而方差反映了采集数据与真实值的偏差程度，因此我们在融合数据时应该使方差越小的那部分数据占的比重越大。基于这个因素，我们设定：

此外，卫星数量的多少同样影响着获取的数据精度，所以，我们将卫星数量s同样考虑进去来校准k值，当北斗的卫星数量大于GPS时，权值大于1，则北斗的数据对应k值更大。

最终，我们利用这个k值来计算需要得到的融合后的数据Y值。

如图2所示，本发明***的具体工作控制过程如下：

MSP控制板先接通北斗导航模块的数据通路。由于北斗导航模块会自动将当前四轴飞行器的位置、速度和方向等信息经扩展板发送给MSP控制板，我们只需在MSP控制板上根据北斗数据传输协议进行解析，将解析后的数据经过滤波操作后，并和飞行控制模块中获取的GPS数据进行算法融合，将数据发送给飞行控制模块后，飞行控制模块根据融合数据再对飞行器进行飞行调整。北斗的数据包可以根据协议解析为消息类型、时间、纬度、经度、速度、航向和卫星数量等，每个数据帧之间用逗号隔开，因此在使用中便于根据需要保留相关数据。

然后MSP控制板从飞行控制模块读取当前飞行器的位置、速度和方向等信息和相关参数，通过扩展板发送给GPRS模块，接通GPRS模块的数据通路，由GPRS模块发送给上位机，便于用户在上位机端对四轴飞行器当前状态进行监测和数据储存。接通GPRS模块的数据通路需要利用“AT”命令来设置移动台类别、连接方式、接入点和附着GPRS业务等模块启动指令和相应的协议类型、端口设置、IP设置等协议设置指令。

而上位机发送的控制命令将会以中断的方式被GPRS模块接收，再通过扩展板发送给MSP控制板，在控制板中根据与上位机约定的通信协议进行解析，将解析后的命令发送给飞行控制模块，完成路径规划、参数设置、数据读取等功能。

此外模块之间的数据通信都采用异步通信传输(UART)方式，设置串口波特率为9600，时钟频率为10MHz。由于MSP控制板上的串口数量有限，因此在扩展板上，我们根据相应的不同地址位来接通北斗模块或者GPRS模块，根据实时需要进行模块调用。MSP控制板和飞行控制模块之间则直接用串口进行连接。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型四轴飞行器的飞行定位控制***，包括用于控制四轴飞行器飞行状态的飞行控制模块，飞行控制模块内部包含有用于通过GPS卫星***获取当前四轴飞行器GPS位置信息的GPS模块；其特征在于：所述飞行定位控制***还包括：

北斗导航模块，用于通过北斗卫星***获取当前四轴飞行器的北斗位置信息；

GPRS通信模块，用于接收地面上位机发送的导航信息，同时将飞行控制模块提供的飞行状态信息以及融合校准后得到的位置信息发送给上位机；

中转控制模块，用于对所述北斗位置信息以及导航信息进行解析及预处理后发送给飞行控制模块，同时用于对北斗导航模块和GPRS通信模块的工作参数进行设定以协调两者的工作；

所述的飞行控制模块通过对所述GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准并结合所述导航信息用以控制四轴飞行器的飞行状态，同时将飞行状态信息以及融合校准后得到的位置信息通过中转控制模块转发给GPRS通信模块。

2.根据权利要求1所述的飞行定位控制***，其特征在于：所述的北斗导航模块和GPRS通信模块通过扩展接口板与中转控制模块连接。

3.根据权利要求1所述的飞行定位控制***，其特征在于：所述飞行控制模块对GPS位置信息和北斗位置信息进行融合校准的具体方法如下：

首先，通过以下公式对前n组北斗位置信息和GPS位置信息进行融合校准：

$Y_i={\mathrm{kX}}_i^B+(1-k)X_i^G.$

$k=\frac{s_B}{2s_G}$

其中：和对应为第i组北斗位置信息和第i组GPS位置信息，Y_i对应为第i组融合校准后的位置信息，s_B和s_G对应为北斗卫星***和GPS卫星***的卫星数量，i为自然数且1≤i≤n，n为设定的组数；

然后，根据以下公式计算前n组北斗位置信息和GPS位置信息的方差：

$\begin{array}{cc}{\∈}_B=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(Y_i-X_i^B)}^2& {\∈}_G=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(Y_i-X_i^G)}^2\end{array}$

其中：∈_B和∈_G对应为前n组北斗位置信息和GPS位置信息的方差；

最后，通过以下公式对n组之后的北斗位置信息和GPS位置信息进行融合校准：

$Y_j={\mathrm{pX}}_j^B+(1-p)X_j^G$

$p=\frac{s_B}{s_G}(1-\frac{{\∈}_B}{{\∈}_B+{\∈}_G})$

其中：和对应为第j组北斗位置信息和第j组GPS位置信息，Y_j对应为第j组融合校准后的位置信息，j为自然数且j＞n。

4.根据权利要求1所述的飞行定位控制***，其特征在于：所述的中转控制模块采用窗函数对北斗位置信息进行滤波预处理。

5.根据权利要求1所述的飞行定位控制***，其特征在于：所述的中转控制模块通过串口将解析及预处理后的北斗位置信息以及导航信息发送给飞行控制模块。