CN114489103A - 一种耦合单轴云台的手机无人机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合单轴云台的手机无人机，具体为：机械结构包括无人机机体、云台机构和智能手机；无人机机体包括机身主体、无刷电机及电子调速器、动力电池和旋翼；云台机构为：手机支承部通过轴承安装在机身主体中部，轴承一端安装伺服电机及电机驱动器，同时安装有磁编码器；智能手机安装在手机支承部中，云台机构与智能手机USB口连接；智能手机通过4G/5G通信模块接收姿态和位置遥控信号，智能手机内置的传感器采集无人机姿态和位置信息，并通过磁编码器采集手机与机身主体的夹角信号，由控制算法计算后通过USB口输出控制信号，实现无人机姿态控制、云台倾角控制。本发明机械结构简单，实用性好，适合产品化。

Description

一种耦合单轴云台的手机无人机及控制方法
技术领域
本发明属于航拍无人机技术领域，具体涉及一种耦合单轴云台的手机无人机及控制方法。
背景技术
消费级无人机为实现航拍任务通常需要配备昂贵的摄像头、图像处理模块、数据传输模块、云台和飞行控制模块。
智能手机各方面功能完善且强大，配有高灵敏度姿态和位置传感器，影像采集***配置丰富。手机作为移动边缘计算设备，可以对采集的图像进行压缩，美化等计算，实现对感兴趣对象跟踪拍摄等功能，从功能上看，智能手机可以视为集成了位姿传感器、飞行控制器、遥控接收机和摄像***的高集成度模块，使用智能手机作为无人机的核心器件具有很高的可行性和商业价值。
普通无人机搭载手机作为摄像头并不能出色发挥手机的功能，原因在于：四旋翼无人机属于欠驱动机构，改变飞行器位置需要先使机身倾斜，而且也不能调整摄像头的拍摄视角，故此影响拍摄效果。一种通常的解决方案是，添加一个云台机构，使拍摄部件的姿态保持平稳。此方案增加了***的复杂性，而且云台的加入使得手机和四旋翼机身的参考系分离，无法通过手机自带传感器获得四旋翼的姿态信息，因此需要在无人机上安装额外的姿态传感器和飞行控制器。
中国专利文献公开了“一种基于安卓手机和外部传感器的无人机飞行控制***”(CN105068544B)。
该无人机采用智能手机内部传感器和外部辅助传感器结合，计算获得无人机准确的姿态位置信息，由智能手机内部的程序进行运算获取初步的控制指令发送到传感伺服控制器(飞行控制器)，驱动执行机构，实现无人机的稳定控制。
该方案有以下缺点：
(1)需要外接姿态传感器和信息处理单元，提高了***成本。
(2)手机安装位置固定，只能拍摄底部画面，应用场景受限。
(3)无人机的控制由外置处理器完成，手机仅仅作为部分姿态传感器、拍摄设备和遥控使用。
发明内容
针对上述问题与不足，本发明提供一种耦合单轴云台的手机无人机及控制方法。
本发明的一种耦合单轴云台的手机无人机，机械结构包括无人机机体、云台机构和智能手机。无人机机体包括机身主体、安装在机身主体上的无刷电机及电子调速器、动力电池和旋翼。云台机构为：手机支承部通过轴承安装在机身主体中部，轴承一端安装伺服电机及电机驱动器，同时安装有磁编码器。智能手机安装在手机支承部中，云台机构与智能手机USB口连接；智能手机内置4G/5G通信模块、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计和GNSS。
智能手机通过4G/5G通信模块接收姿态和位置遥控信号，智能手机内置的传感器采集无人机姿态和位置信息，并通过磁编码器采集手机与机身主体的夹角信号，由控制算法计算后通过USB口输出控制信号，实现无人机姿态控制、云台倾角控制。
进一步的，手机支承部和机身主体之间设有阻尼机构，提升倾角控制精度。
本发明的一种耦合单轴云台的手机无人机的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：智能手机通过4G/5G通信模块接收姿态和位置遥控信号，智能手机内置的传感器采集无人机姿态和位置信息，并通过磁编码器采集手机与机身主体的夹角信号。
步骤2：考虑手机转动时对四旋翼姿态控制的影响，建立动力学模型：
Figure BDA0003481566260000021
其中，Ix、Iy和Iz表示轴向上的主惯性矩M＝(τφ，τθ，τψ)分别表示无人机产生的的滚转、俯仰和偏航力矩，Tpy表示手机转动时对四旋翼机体产生的反力矩；
Figure BDA0003481566260000022
θ、ψ分别表示无人机的航向角、俯仰角与横滚角，m表示无人机总质量，F表示旋翼的总推力。
步骤3：采用加速度-姿态-位置级联的结构，对无人机姿态、云台倾角进行控制；对角加速度控制器以最高优先级、800HZ频率运行；对姿态控制第二优先级、100HZ频率运行；对位置控制第三优先级、50HZ频率运行；
本发明的有益技术效果为：
(1)搭载智能手机后，机体无需其它姿态传感器，仅依靠手机内置传感器和处理器实现无人机姿态和位置控制。
(2)可以在前向飞行中，利用耦合的云台对摄像头进行增稳防抖，能保持姿态稳定的同时调整拍摄角度。
附图说明
图1为本发明无人机结构示意图。
图2为本发明无人机外观示意图。
图3为本发明***硬件框图。
图4为本发明机体坐标系和手机坐标系示意图。
图5为本发明***总体控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种耦合单轴云台的手机无人机如图1、图2所示，机械结构包括无人机机体、云台机构和智能手机。
无人机机体包括机身主体1、安装在机身主体1上的无刷电机及电子调速器2、动力电池3和旋翼。无刷电机的中心位于机身结构件对角线上，相邻无刷电机中心连线与机身中心线平行。无刷电机所安装的桨叶，同一对角线方向上旋转方向相同，相邻位置的桨叶旋转方向相反。
云台机构为：手机支承部4通过轴承6安装在机身主体1中部，支承部4可在伺服电机驱动下围绕其轴旋转。轴承6一端安装伺服电机及电机驱动器5，同时安装有磁编码器7获取夹角信息。智能手机安装在手机支承部4中，云台机构与智能手机USB口连接。
如图3所示，智能手机搭载4G/5G通信模块、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计和GNSS。遥控端为笔记本电脑、智能手机、平板电脑或遥控器。本发明的姿态位置信息仅由手机内置的陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计和GNSS提供。
进一步的，手机支承部4和机身主体1之间设有阻尼机构8用于减小震动。
本发明提供了上述结构的角加速度-姿态-位置级联的控制算法。其总体控制流程图如图5所示，具体为：
首先，定义机体坐标系和手机坐标系如图4所示。
{Fw:Ow-XwYwZw}表示大地世界坐标系；{FB:OB-XBYBZB}表示无人机的机体坐标系；{FP:OP-XPYPZP}表示手机的机身坐标系；定义机体对大地坐标系Fw下的方向向量为：ηB＝(ψB，θB，φB)T，手机对大地坐标系FB的方向向量为：ηP＝(ψP，θP，φP)T，其中α是伺服电机转动的角度。
定义机体角速度ωB＝[pB,qB,rB]T,手机机身角速度ωP＝[pP,qP,rP]T，则
Figure BDA0003481566260000031
伺服电机的转动角度α＝(n-Nb)*360/N，Nb为编码器初始位置，N为编码器线数。
定义手机的惯性矩阵，包括所有转动部件的惯性矩，为：
Figure BDA0003481566260000041
其中Jx、Jy、Jz是围绕x、y和z轴的平台惯性矩，Jxy、Jxz、Jyz为由动态质量不平衡产生的万向节惯性矩积(POI)。
根据旋转框架的力矩方程，施加于手机的总转矩为：
Figure BDA0003481566260000042
其中手机的角动量HP定义为HP＝JPωP，即手机的角动量可表示为
Figure BDA0003481566260000043
计算Y轴总转矩分量如下：
Figure BDA0003481566260000044
考虑手机近似为质量均匀分布的长方体，由转动惯量计算公式得：
Figure BDA0003481566260000045
其中L为手机宽度，Jxy、Jxz、Jyz＝0，上式可近似为：
Figure BDA0003481566260000046
对于手机倾角相对于机体倾角α的控制方法如下：取预设的目标倾角减去实际倾角作为***误差，伺服电机转速作为输出。由上式知手机的倾角控制为一阶***，设计PI控制器，实现闭环控制。
手机对大地坐标系FB的方向向量ηP由角速度计，重力加速度计及磁力计数据卡尔曼滤波获取。根据上图所示结构，ηP可由ηB表示为ηP＝ηB+(0,α,0)T。
获取机体角速度与机体姿态后，区别于传统四旋翼动力学模型，考虑手机转动时反转力矩，使用牛顿欧拉方法建立四旋翼机体动力学模型：
Figure BDA0003481566260000047
***转矩分配矩阵如下：
Figure BDA0003481566260000051
其中Ix、Iy和Iz表示轴向上的主惯性矩M＝(τφ，τθ，τψ)分别表示无人机产生的的滚转、俯仰和偏航力矩，k和b是为正的常数，取决于叶片几何结构和空气密度，ωi为每个旋翼输出的推力，Ωr＝ω2+ω4-ω1-ω3。
建立串级模糊PD控制器如下
Figure BDA0003481566260000052
其中ei(i＝φ,θ,ψ)是四旋翼姿态的误差，ei(i＝x,y,z)是角速度的误差。kpi和kdi分别为比例误差增益，其值随ei动态变化。
本发明机体不需要姿态传感器和处理器，手机内置传感器用于采集无人机姿态和位置信息，手机处理器用于控制器的运算平台，并且可以在飞行中保持和调整手机拍摄视角，使智能手机影像***更便利的发挥作用。本***机械结构简单，实用性好，适合产品化。

Claims (3)

1.一种耦合单轴云台的手机无人机，其特征在于，机械结构包括无人机机体、云台机构和智能手机；
所述无人机机体包括机身主体(1)、安装在机身主体(1)上的无刷电机及电子调速器(2)、动力电池(3)和旋翼；
所述云台机构为：手机支承部(4)通过轴承(6)安装在机身主体(1)中部，轴承(6)一端安装伺服电机及电机驱动器(5)，同时安装有磁编码器(7)；
所述智能手机安装在手机支承部(4)中，云台机构与智能手机USB口连接；智能手机搭载4G/5G通信模块、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计和GNSS；
所述智能手机通过4G/5G通信模块接收姿态和位置遥控信号，智能手机内置的传感器采集无人机姿态和位置信息，并通过磁编码器(7)采集手机与机身主体(1)的夹角信号，由控制算法计算后通过USB口输出控制信号，实现无人机姿态控制、云台倾角控制。
2.根据权利要求1所述的一种耦合单轴云台的手机无人机，其特征在于，所述手机支承部(4)和机身主体(1)之间设有阻尼机构(8)。
3.如权利要求1所述的一种耦合单轴云台的手机无人机的控制方法，其特征在于，将云台倾角考虑到四旋翼建模与飞行控制中，具体包括以下步骤：
步骤1：智能手机通过4G/5G通信模块接收姿态和位置遥控信号，智能手机内置的传感器采集无人机姿态和位置信息，并通过磁编码器(7)采集手机与机身主体(1)的夹角信号；
步骤2：考虑手机转动时对四旋翼姿态控制的影响，建立动力学模型：
Figure FDA0003481566250000011
其中，Ix、Iy和Iz表示轴向上的主惯性矩M＝(τφ，τθ，τψ)分别表示无人机产生的的滚转、俯仰和偏航力矩，Tpy表示手机转动时对四旋翼机体产生的反力矩；
Figure FDA0003481566250000012
θ、ψ分别表示无人机的航向角、俯仰角与横滚角，m表示无人机总质量，F表示旋翼的总推力；
步骤3：采用加速度-姿态-位置级联的结构，对无人机姿态、云台倾角进行控制；对角加速度控制以最高优先级、800HZ频率运行；对姿态控制第二优先级、100HZ频率运行；对位置控制第三优先级、50HZ频率运行；图像传输功能以最低优先级在后***立运行。
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