專利名稱：一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無人機飛行控制技術領域，具體涉及的是一種將偏振光傳感器和飛行控制功能高度集成的無人機導航/飛行控制系統(tǒng)。
背景技術：
無人機是利用無線電遙控設備或自備程序控制裝置操縱的不載人飛機，隨著科學技術的進步，無人機技術已經(jīng)進入全面發(fā)展時期。無人機應用范圍的擴大對其提出了更高的要求，作為無人機“大腦”的飛行控制系統(tǒng)也越來越受到重視。隨著微型制造技術和MEMS技術的發(fā)展，微型MEMS陀螺儀和加速度計迅速發(fā)展起來，為實現(xiàn)小型無人機飛行控制系統(tǒng)的設計和研制提供了技術支持。目前，大多數(shù)的無人機 飛行控制系統(tǒng)基本都是通過基于三個正交安裝的陀螺儀和加速度計構成的微小型測量單元(IMU)與GPS進行組合導航，采用GPS或磁羅盤提供航向角信息，實現(xiàn)小型無人機的姿態(tài)、位置和航向的測量，在此基礎上對小型無人機進行控制，實現(xiàn)導航自主飛行。其核心姿態(tài)測量算法是捷聯(lián)解算和組合導航的Kalman濾波。如美國的AP50XL、加拿大的MP2028，國內(nèi)的YS09、iFLY40等飛行控制系統(tǒng)均是采用上述導航原理。航向角的測量主要采用GPS或磁羅盤。然而，GPS的更新速率有限，且航向角的測量精度較低，而磁羅盤雖然測量精度較高，但是極易受到外界環(huán)境的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種適合一般無人機飛行器的飛行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用偏振光傳感器為飛控系統(tǒng)提供飛機的航向信息，該偏振光傳感器具有對環(huán)境的魯棒性高、精度高、實時性好等優(yōu)點，解決了由GPS或磁羅盤提供航向角所帶來的更新速率慢、容易受到干擾等問題，能夠提供更加精確的航向信息，滿足導航系統(tǒng)的嚴格要求。本發(fā)明采用如下技術方案—種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)如圖2所不,包括傳感器模塊、GPS模塊、飛控計算機、執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)鏈路模塊。傳感器模塊和GPS模塊實時測量無人機的姿態(tài)、航向和位置信息，飛控計算機通過對傳感器模塊數(shù)據(jù)的讀取、處理和計算，把結果轉化為相關執(zhí)行參數(shù)發(fā)送給執(zhí)行模塊，從而實現(xiàn)對飛機姿態(tài)和航向的控制。數(shù)據(jù)鏈路模塊主要用于飛行控制系統(tǒng)和地面站及地面操控人員進行信息交互。傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計、氣壓傳感器和偏振光傳感器。其中，陀螺儀和加速度計主要用于無人機姿態(tài)的測量，氣壓傳感器用于測量無人機高度，偏振光傳感器用于測量無人機的航向。GPS模塊主要用于提供無人機當前經(jīng)緯度信息，為導航提供依據(jù)。飛控計算機是整個飛行控制系統(tǒng)的處理核心，飛控計算機通過讀取傳感器和GPS的數(shù)據(jù)，經(jīng)過適當?shù)奶幚砗陀嬎?，得出飛機當前姿態(tài)和航向信息，并根據(jù)預設軌跡，解算出飛機航向和姿態(tài)的控制量，再將控制量轉化成指定占空比的PWM控制信號，輸出到執(zhí)行模塊。同時，飛控計算機能夠與地面站進行實時通信，將飛機當前姿態(tài)和航向等信息發(fā)送到地面站，并接收地面站發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)信息，更改飛行軌跡。執(zhí)行模塊主要包括電子調(diào)速器和舵機。電子調(diào)速器和舵機均采用固定周期的PWM信號進行控制，通過改變PWM信號的占空比，可以控制電機的轉速和舵機臂的擺角，從而實現(xiàn)對飛機速度和姿態(tài)的控制。數(shù)據(jù)鏈路模塊包括遙控接收機和機載電臺兩個部分。其中，遙控接收機和地面操控人員所使用的遙控器配套，可以實時接收遙控器發(fā) 送的控制指令，實現(xiàn)手動飛行和飛行模式切換的功能。機載電臺與地面站的電臺配套，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的雙向傳輸。本發(fā)明的效果和益處是本發(fā)明為一般無人機飛行器的飛行控制系統(tǒng)提供一種整體有效的解決方案。采用偏振光傳感器為飛行控制系統(tǒng)提供航向信息，相對于傳統(tǒng)的航向傳感器具有速度快、精度高、穩(wěn)定性好和實時性高的特點。采用超小型、低功耗的STM32F103處理器作飛控計算機，具有豐富的外設，方便擴展。采用的陀螺儀、加速度計、氣壓傳感器均為數(shù)字傳感器，具有標準的I2C協(xié)議接口，飛控計算機通過I2C總線讀取各傳感器數(shù)據(jù)，節(jié)約硬件資源。本發(fā)明具有成本低、誤差小、響應速度快、魯棒性強等優(yōu)點。


圖I是飛行控制系統(tǒng)構成框圖。圖2是飛行控制系統(tǒng)結構圖。圖3是I2C總線接口圖。圖4是偏振光傳感器導航原理圖。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。本發(fā)明主要包括傳感器模塊、GPS模塊、飛控計算機、執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)鏈路模塊。傳感器模塊和GPS模塊實時測量無人機當前姿態(tài)、高度、航向和位置信息，并發(fā)送給飛控計算機，再由飛控計算機進行數(shù)據(jù)解算，轉化成控制指令發(fā)送給執(zhí)行模塊，數(shù)據(jù)鏈路模塊實現(xiàn)飛行平臺和地面站的通信。飛控計算機采用意法半導體公司的STM32F103型號處理器。該信號處理器集成豐富的外設資源，能減小飛控系統(tǒng)的體積和重量，使用高性能的ARM Cortex -M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器。運算速度快、精度高，能夠提高姿態(tài)解算水平和控制輸出精度。傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計、數(shù)字氣壓傳感器和偏振光傳感器。其中陀螺儀、加速度計和氣壓計均采用MEMS傳感器，具有體積小、重量輕、精度高的特點。陀螺儀具有±250dps量程；加速度計量程可達±16g，最高分辨率為4mg/LSB ;氣壓計絕對精度達到3. OhPa。陀螺儀、加速度計和氣壓計均為數(shù)字型傳感器，具有標準的I2C協(xié)議接口。因此，采用如圖3所示的I2C總線協(xié)議讀取陀螺儀、加速度計和氣壓計數(shù)據(jù)。偏振光傳感器精度可達±1. 0°，采用USART讀取偏振光傳感器數(shù)據(jù)。GPS模塊更新速率為4Hz，將GPS輸出的數(shù)據(jù)通過USART接口送入飛控計算機進行解算，得到無人機的經(jīng)緯度和速度信息。通過讀取陀螺儀和加速度計所測量的數(shù)據(jù)，飛控計算機對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波處理，過濾有害噪聲后，結合相應的算法對飛機姿態(tài)進行解算，獲得飛機當前姿態(tài)角。飛控計算機通過USART接口讀取偏振光傳感器數(shù)據(jù)，獲得飛機當前航向角。執(zhí)行模塊包括電子調(diào)速器和舵機。飛控計算機通過PWM輸出接口向電子調(diào)速器、舵機輸出控制指令，保持或改變飛機當前姿態(tài)，從而保持或改變飛機的航線和高度，完成控制指令的執(zhí)行。數(shù)據(jù)鏈路模塊包括遙控接收機和機載電臺。飛控計算機通過對遙控接收機PPM信號的解碼，識別遙控器發(fā)出的動作指令，實現(xiàn)手動飛行和模式間切換的功能。機載電臺通過USART接口與飛控計算機相連。機載電臺和地面站電臺對應，實現(xiàn)數(shù)據(jù)或指令的雙向傳輸，地面站可隨時將控制指令或數(shù)據(jù)上傳到飛行平臺，飛行平臺可以將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到地面站，供地面人員監(jiān)控飛機狀態(tài)。 如圖4所示，為偏振光傳感器導航原理圖。仿照昆蟲復眼結構設計的偏振光導航傳感器，對天空偏振光分布具有高敏感性，因此，可以利用天空中的偏振光進行導航。該偏振光傳感器輸出的是載體的方位角，搭載在無人機上的偏振光傳感器可以實時、準確地輸出飛機的實際航向角。根據(jù)GPS測得的飛機當前位置信息和預定軌跡的目標航點信息，可以計算出飛機的目標航向角。根據(jù)目標航向角與實際航向角，求得航向角偏差作為航向PID控制器的輸入。再根據(jù)飛機姿態(tài)和飛機航向的基本關系，經(jīng)過輸出限制器，得到飛機的目標姿態(tài)角。姿態(tài)傳感器包括陀螺儀和加速度傳感器。通過讀取陀螺儀和加速度計所測量的數(shù)據(jù)，對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波處理，過濾有害噪聲后，結合相應的算法對飛機姿態(tài)進行解算，獲得飛機當前姿態(tài)角。根據(jù)目標姿態(tài)角和實際姿態(tài)角，求出姿態(tài)角偏差，輸入到姿態(tài)PID控制器中，經(jīng)過輸出限制器，最終輸出控制舵機的PWM信號，保持或改變飛機的姿態(tài)，從而保持或改變飛機的航向，實現(xiàn)導航控制。導航過程中重要的參數(shù)信息通過數(shù)據(jù)鏈路模塊實時地傳送到地面站，地面人員可以監(jiān)控飛機的飛行狀態(tài)。本發(fā)明提出一種先進的航向角測量方法，采用偏振光傳感器為飛控系統(tǒng)提供飛機的航向信息，該偏振光傳感器具有對環(huán)境的魯棒性高、精度高、實時性好等優(yōu)點，能投提供更加精確的航向信息，滿足導航系統(tǒng)的嚴格要求。本發(fā)明具有成本低、誤差小、響應速度快、魯棒性強等優(yōu)點。
權利要求
1.一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)，包括傳感器模塊、GPS模塊、飛控計算機、執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)鏈路模塊，其特征在于所述的傳感器模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計、氣壓傳感器和偏振光傳感器；其中，所述的陀螺儀、加速度計和氣壓傳感器均為數(shù)字傳感器，飛控計算機通過I2C接口讀取傳感器相關數(shù)據(jù)；所述的偏振光傳感器通過串口將數(shù)據(jù)送入到飛控計算機；所述的GPS模塊包括GPS天線和GPS接收機，GPS數(shù)據(jù)通過串口送入到飛控計算機；所述的飛控計算機產(chǎn)生PWM信號向舵機和電子調(diào)速器輸出控制指令；數(shù)據(jù)鏈路模塊包括遙控接收機和機載電臺，實現(xiàn)地面和飛行平臺間的通訊。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于采用偏振光傳感器為飛行控制系統(tǒng)提供航向信息，作為系統(tǒng)導航的重要參數(shù)。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于所述的陀螺儀、加速度計、氣壓傳感器均采用數(shù)字傳感器，飛控計算機通過I2C總線讀取各傳感器數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于所述的飛控計算機采用STM32F103型號處理器。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)，其特征在于所述的遙控接收機輸出PPM信號，飛控計算機通過對PPM信號進行解碼，檢測遙控器的各個動作。
全文摘要
一種基于偏振光傳感器的飛行控制系統(tǒng)，屬無人機飛行控制技術領域。該系統(tǒng)包括傳感器模塊、GPS模塊、飛控計算機、執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)鏈路模塊。其特征是傳感器模塊中的偏振光傳感器輸出飛機的航向角，為導航系統(tǒng)提供飛機的航向信息。傳感器模塊中的陀螺儀、加速度計和氣壓傳感器通過I2C總線將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到飛控計算機，飛控計算機通過指定算法解算出飛機的姿態(tài)和高度信息。GPS模塊為飛控計算機提供飛機的位置信息。執(zhí)行模塊作為系統(tǒng)的輸出，實現(xiàn)對飛機姿態(tài)和航向的控制。數(shù)據(jù)鏈路模塊實現(xiàn)地面和飛行平臺間的通信。本發(fā)明的效果和益處是采用了偏振光傳感器為飛控系統(tǒng)提供航向角信息，具有實時性高、誤差小、響應速度快、魯棒性強等優(yōu)點。
文檔編號G05D1/10GK102902276SQ201210388718
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權日2012年10月12日
發(fā)明者褚金奎, 劉輝邦, 支煒 申請人:大連理工大學