CN108664036A - 一种无人机控制***及无人机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机控制***，应用于多旋翼无人机，所述***包括：控制总线、至少两个分布式飞控以及数据交换器，其中，所述控制总线与所述至少两个分布式飞控、以及所述数据交换器连接；所述至少两个分布式飞控分别与所述多旋翼无人机的旋翼中的电调连接；所述数据交换器与多个传感器、遥控器等外设连接。本发明实施例还提供了一种无人机控制方法。本发明的优点在于：应用本发明实施例，可以提高无人机的机动性、电池兼容性、模块化和易制造性。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机控制***，更具体涉及一种无人机控制***及无人机控制方法。
背景技术
多旋翼无人机是一种具有三个及其以上旋翼轴的特殊无人驾驶悬系无人机，它可以进行遥控飞行或者程控自主飞行，已经在航拍、农业、军事等领域得到了广泛的应用。
目前，常用的多旋翼无人机主要由电机、电调、电池、桨叶、机架、飞控、遥控器构成，每个旋翼轴具有一个电调和电机。飞控为多旋翼无人机的核心部件，主要由MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、无线接收模块等部件组成。飞控通过采集各路传感器的数据，对无人机的当前姿态进行解算，解算出无人机的当前姿态；然后PID(proportion integral derivative，比例积分微分分布式飞控)根据遥控器发来的控制数据和当前姿态数据，计算出控制量；MCU将控制量转换为PWM(PulseWidth Modulation、脉冲宽度调制)信号后发送给电调。电调接收飞控输出的PWM信号，进而根据该信号控制对应的电机，电机带动旋翼，从而对飞行姿态、飞行速度进行调整。
但是，现有的多旋翼无人机采用的是中央飞控进行集中控制方式进行各个旋翼的控制，当旋翼数量较大时，飞行控制的复杂度迅速增加，MCU的计算负荷也相应增大，进而导致MCU的计算过程过长，使发送至旋翼上电调的控制指令的刷新率降低，最终导致无人机的机动性变差
另外，多路PWM控制信号的远程传输将降低整机的电磁兼容性和制造复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种无人机控制***及无人机控制方法，以解决上述现有技术中无人机机动性较差等的技术问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明实施例提供了一种无人机控制***，应用于多旋翼无人机，所述***包括：控制总线、至少两个分布式飞控、至少一个数据交换器，其中，
所述控制总线与所述至少两个分布式飞控、以及所述数据交换器连接；
所述至少两个分布式飞控分别与所述多旋翼无人机的旋翼中的电调连接；
所述数据交换器与各个传感器连接。
可选的，所述分布式飞控的数量与所述多旋翼无人机的旋翼数量相同，且每一个分布式飞控与所述无人机的每一个旋翼一一对应设置。
可选的，所述多旋翼无人机的旋翼数量为至少4个。
可选的，每一个所述数据交换器连接有至少一个传感器；
可选的，所述传感器包括，加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计中的至少一种。
可选的，所述数据交换器还与所述无人机的外设设备连接，其中，所述外设设备包括遥控外设设备。
本发明实施例还提供了一种基于上述任一项所述无人机控制***的无人机控制方法，所述方法包括：
所述数据交换器采集所述传感器的测量数据，并将所述测量数据发布在数据总线上；
所述分布式飞控根据从控制总线中获取的无人机工作模式以及所述测量数据计算自身对应的旋翼的控制量，并根据所述控量控制对应的电机；
所述数据交换器从数据总线上获取无人机实时状态信息，并将所述实时状态信息发送至可显示设备。
可选的，所述数据交换器，还用于获取遥控指令，并将所述遥控指令和所述测量数据发布在数据总线上。
可选的，数据交换器将获取的测量数据、控制数据发布在数据总线上，其中，测量数据包括：气压数据、陀螺仪数据、加速度计数据中的至少一种；
分布式飞控对陀螺仪数据、加速度计数据进行数据融合，获取角速度测量值；
角度环PID控制器根据计算出的期望角度和角速度测量值计算出角速度期望值；
角速度环PID控制器计算姿态控制量；
若无人机处于控制模式中的手动模式时，电机根据姿态控制量和手动模式设定值进行动作；
若所述无人机处于定高模式时，根据气压传感器测量的气压数据和去除重力后的Z轴加速度进行高度估测，输出高度估计值；
Z轴高度PID控制器输出实际油门值，然后电机根据实际油门值和姿态控制量进行动作。
可选的，所述将所述遥控指令和所述测量数据发布在数据总线上，包括：
根据预设周期，将所述测量数据发布在数据总线上。
可选的，所述预设周期的计算表达式为：
其中，
T为预设周期；k为所述多旋翼无人机所具有的旋翼的数量，且k为大于等于2的整数；e为自然指数。
可选的，所述旋翼上电机的转速、所述旋翼上电机的旋转角度、所述旋翼的标识信息中的至少一种。
本发明相比现有技术具有以下优点：
应用本发明实施例，多旋翼无人机中的设置了至少两个分布式飞控，各个分布式飞控通过数据总线获取无人机的传感器的数据，分布式飞控分别控制各个自对应旋翼，相对于现有技术中仅用一个分布式飞控进行无人机的控制，将计算量分摊到多个分布式飞控中，降低了单个分布式飞控的计算量，提高了控制指令的刷新率降低，进而提高了无人机的机动性；缩短了PWM信号线路，提高了电磁兼容性，通过总线连接的飞控，连接简单，易扩展，从而进一步提高了易制造性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无人机控制***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种无人机控制***的原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例提供了一种无人机控制***及无人机控制方法。下面首先就本发明实施例提供的一种无人机控制***进行介绍。
需要强调的是，本发明实施例优选适用于一种无人机控制***，应用于多旋翼无人机。
第一方面，图1为本发明实施例提供的一种无人机控制***的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种无人机控制***的原理示意图；如图1和图2所示，所述***包括：控制总线、至少两个分布式飞控、至少一个数据交换器，其中，
所述控制总线与所述至少两个分布式飞控、以及所述数据交换器连接；
所述至少两个分布式飞控分别与所述多旋翼无人机的旋翼中的电调连接；
所述数据交换器与各个传感器连接。
具体的，多旋翼无人机中包括N个旋翼，且每一个、两个或者两个以上旋翼对应有一个控制子***，例如，控制子***1是由依次串联的螺旋桨1、电机1、电调1、分布式飞控1组成；且1分布式飞控连接到数据总线上，数据总线上还连接有数据交换器，数据交换器可以与传感器和其他外设，如遥控天线连接。
数据交换器1从传感器中获取探测数据，从遥控天线中获取控制数据，然后将这些数据发布在数据总线上，分布式飞控1从数据总线上获取自己需要的数据，如传感器的探测数据，控制数据，然后根据控制数据、自身所控制的旋翼的当前状态、和旋翼相对于无人机的位置等数据，计算发送给对应电调的控制数据，电调1根据收控制数据控制螺旋桨1。
另外，数据交换器1还将自身计算的控制数据发布在数据总线上，作为其它分布式飞控的计算依据。
另外，在现有技术中，现有的各个电调通过数据线与中央飞控连接，导致中央飞控的输入输出连接线较多，各个数据线之间容易产生干扰，进而导致飞控的电子兼容性差，尤其在旋翼的数量较多，达到8个以上时，这一现象尤其突出，应用本发明实施例，各个飞控仅与数据总线和对应的电调连接，简化了无人机的布线结构，进而提高了分布式飞控的电子兼容性。
应用本发明实施例，通过总线连接的飞控，连接简单，易扩展，从而进一步提高了易制造性。、电池兼容性、模块化和易制造性。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述分布式飞控的数量与所述多旋翼无人机的旋翼数量相同，且每一个分布式飞控与所述无人机的每一个旋翼一一对应设置。
如图1所示，每一个旋翼都对应有一个控制子***，可以降低分布式飞控的计算量，提高控制数据的刷新率，进而提高无人机的机动性。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述多旋翼无人机的旋翼数量为至少4个。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数据交换器的数量为至少两个；且传感器仅与一个数据交换器连接。在实际应用中，传感器-1、传感器-2可以连接在数据交换器-1上；传感器-3可以连接在数据交换器-2上；传感器-4可以连接在数据交换器-3上；传感器-5、传感器-6、传感器-7可以连接在数据交换器-4上。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述传感器包括，加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计中的至少一种。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数据交换器还与所述无人机的外设设备连接，其中，所述外设设备包括遥控外设设备。在实际应用中，遥控器天线可以与单独的数据交换器连接，也可以连接在已经连接有传感器的数据交换器上。
第二方面，本发明实施例基于本发明第一方面实施例还提供了一种无人机控制***的无人机控制方法，所述方法包括：
所述数据交换器采集所述传感器的测量数据，并将所述测量数据发布在数据总线上；
所述分布式飞控根据从控制总线中获取的无人机工作模式以及所述测量数据计算自身对应的旋翼的控制量，并根据所述控量控制对应的电机；
所述数据交换器从数据总线上获取无人机实时状态信息，并将所述实时状态信息发送至可显示设备。
如图2所示，数据交换器、传感器、遥控器组成信息交换单元，信息交换单元将获取的测量数据发布在数据总线上，其中，测量数据可以包括：气压数据、陀螺仪数据、加速度计数据(角度测量值)等。然后，对陀螺仪数据、加速度计数据进行数据融合，获取角速度测量值。进而根据预设的控制数据计算出期望角度，角度环PID控制器根据计算出的期望角度和角速度测量值计算出角速度期望值，然后角速度环PID控制器计算姿态控制量。如果无人机处于控制模式中的定高模式时，根据气压传感器测量的气压数据和去除重力后的Z轴加速度进行高度估测，输出高度估计值，然后Z轴高度PID控制器输出实际油门值，然后电机根据实际油门值和姿态控制量进行动作。需要说明的是，图2中的各个具体参数的计算过程为现有技术。
应用本发明上述实施例，可以在程控飞行的模式下进行无人机控制。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数据交换器，还用于获取遥控指令，并将所述遥控指令和所述测量数据发布在数据总线上。
如图2所示，数据交换器、传感器、遥控器组成信息交换单元，信息交换单元将获取的测量数据、控制数据发布在数据总线上，其中，测量数据可以包括：气压数据、陀螺仪数据、加速度计数据(角度测量值)等。
然后，分布式飞控对陀螺仪数据、加速度计数据进行数据融合，获取角速度测量值；进而根据预设的控制数据计算出期望角度，角度环PID控制器根据计算出的期望角度和角速度测量值计算出角速度期望值，然后角速度环PID控制器计算姿态控制量。如果无人机处于控制模式中的手动模式时，电机根据姿态控制量和手动模式设置量进行动作。如果处于定高模式时，根据气压传感器测量的气压数据和去除重力后的Z轴加速度进行高度估测，输出高度估计值，然后Z轴高度PID控制器输出实际油门值，然后电机根据实际油门值和姿态控制量进行动作。需要说明的是，图2中的分布式飞控对于各个具体参数的计算过程为现有技术。可以理解的是，前述“手动模式”为遥控模式，即无人机通过天线接收遥控数据。
应用本发明上述实施例，可以在遥控飞行和程控飞行的模式下进行无人机控制。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述将所述遥控指令和所述测量数据发布在数据总线上，包括：
根据预设周期，将所述测量数据发布在数据总线上。
具体的，数据交换器1可以将从各个传感器1、遥控天线获取的数据发布在数据总线上。数据交换器2可以将从各个传感器2、各个传感器3获取的数据发布在数据总线上。应用本发明上述实施例，可以对数据总线上的数据进行更新。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述预设周期的计算表达式为：
其中，
T为预设周期；k为所述多旋翼无人机所具有的旋翼的数量，且k为大于等于2的整数；e为自然指数。
具体的，当无人机的旋翼的数量为10个时，T＝e-2.5，则每隔0.082s发布一次传感器的测量数据。
应用本发明上述实施例，可以根据旋翼的数量的增加，缩小数据发布的周期，提高测量数据和/或遥控指令等数据的刷新率，进而使分布式飞控获取的数据均为较新的数据，从而提高无人机的控制精度。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述数据交换器将控制旋翼的控制数据发布在数据总线上，其中，所述控制数据包括：所述旋翼上电机的转速、所述旋翼上电机的旋转角度、所述旋翼的标识信息中的至少一种。
具体的，数据交换器1还可以将分布式飞控1计算的针对电机1的控制数据发布在数据总线上，数据交换器2还可以将分布式飞控2计算的针对电机2的控制数据发布在数据总线上，以作为其他分布式飞控的计算依据。
应用本发明上述实施例，可以使各个分布式飞控的依据其他的飞控的计算结果进行计算，提高了无人机的控制精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种无人机控制***，其特征在于，应用于多旋翼无人机，所述***包括：控制总线、至少两个分布式飞控以及数据交换器，其中，
所述控制总线与所述至少两个分布式飞控、以及所述数据交换器连接；
所述至少两个分布式飞控分别与所述多旋翼无人机的旋翼中的电调连接；
所述数据交换器与各个传感器连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机控制***，其特征在于，所述分布式飞控的数量与所述多旋翼无人机的旋翼数量相同，且每一个分布式飞控与所述无人机的每一个旋翼一一对应设置。
3.根据权利要求2所述的一种无人机控制***，其特征在于，所述多旋翼无人机的旋翼数量为至少4个。
4.根据权利要求1所述的一种无人机控制***，其特征在于，每一个所述数据交换器连接有至少一个传感器。
5.根据权利要求1所述的一种无人机控制***，其特征在于，所述传感器包括，加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种无人机控制***，其特征在于，所述数据交换器还与所述无人机的外设设备连接，其中，所述外设设备包括遥控外设设备。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述无人机控制***的无人机控制方法，其特征在于，所述方法包括：
所述数据交换器采集所述传感器的测量数据，并将所述测量数据发布在数据总线上；
所述分布式飞控根据从控制总线中获取的无人机工作模式以及所述测量数据计算自身对应的旋翼的控制量，并根据所述控量控制对应的电机；
所述数据交换器从数据总线上获取无人机实时状态信息，并将所述实时状态信息发送至可显示设备。
8.根据权利要求7所述的无人机控制***的无人机控制方法，其特征在于，所述数据交换器，还用于获取遥控指令，并将所述遥控指令和所述测量数据发布在数据总线上。
9.根据权利要求8所述的无人机控制***的无人机控制方法，其特征在于，
数据交换器将获取的测量数据、控制数据发布在数据总线上，其中，测量数据包括：气压数据、陀螺仪数据、加速度计数据中的至少一种；
分布式飞控对陀螺仪数据、加速度计数据进行数据融合，获取角速度测量值，根据预设的控制数据计算出期望角度；
角度环PID控制器根据计算出的期望角度和角速度测量值计算出角速度期望值；
角速度环PID控制器计算姿态控制量；
若无人机处于控制模式中的手动模式时，电机根据姿态控制量和手动设定值进行动作；
若所述无人机处于定高模式时，根据气压传感器测量的气压数据和去除重力后的Z轴加速度进行高度估测，输出高度估计值；
Z轴高度PID控制器输出实际油门值，然后电机根据实际油门值和姿态控制量进行动作。
10.根据权利要求8所述的无人机控制***的无人机控制方法，其特征在于，所述将所述遥控指令和所述测量数据发布在数据总线上，包括：
根据预设周期，将所述测量数据发布在数据总线上。
11.根据权利要求10所述的无人机控制***的无人机控制方法，其特征在于，所述预设周期的计算表达式为：
其中，
T为预设周期；k为所述多旋翼无人机所具有的旋翼的数量，且k为大于等于2的整数；e为自然指数。
12.根据权利要求7所述的无人机控制***的无人机控制方法，其特征在于，所述控制数据包括：所述旋翼上电机的转速、所述旋翼上电机的旋转角度、所述旋翼的标识信息中的至少一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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