專利名稱：三翼雙槳重組式無人機uav自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于無人機UAV (Unmanned Aerial Vehicle)的技術(shù)領(lǐng)域,且特別是有關(guān)于三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
航拍及測繪是有人直升機的強項，但是在城市規(guī)劃、發(fā)展、地產(chǎn)以及企事業(yè)廠房等拍攝中會經(jīng)常遇到低空、小范圍、高精度的航拍及測繪，相對于有人直升機，無人機執(zhí)行這樣的任務(wù)具有效率高、成本低的特點。無人機器遙感，既是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技木、遙測遙控技術(shù)、通訊技木、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技木，具有自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。無人機作為可以快速移動的空中作業(yè)平臺，載運測繪用相機，按照航空攝影測量的要求對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝。對得到的照片進(jìn)行測繪處理，得到三維數(shù)據(jù)進(jìn)而繪制輸出圖紙。普通航拍無人機具有以下優(yōu)點
(1)可以普及應(yīng)用，與載人機相比無人機最大的優(yōu)點是成本低廉；
(2)對于重點目標(biāo)測繪精度高，衛(wèi)星和載人機“飛得高，看得遠(yuǎn)”，作業(yè)范圍大，但是針對某ー個重點作業(yè)區(qū)域測繪精度和目標(biāo)細(xì)節(jié)的反應(yīng)細(xì)膩度遠(yuǎn)不如小巧靈活、低空近距離作業(yè)的無人機，無人機近距離拍攝圖像分辨率可達(dá)厘米級；
(3)對建筑物等形狀復(fù)雜的目標(biāo)可進(jìn)行近距離、多角度三維測繪，沒有“死角”；
(4)從無人機航拍影像中可以精確的分出每ー棟建筑的位置，道路，河流，水體，地形和城市區(qū)域都可以清晰地分辨出來，豐富可辨的地物信息使地形圖更新和地貌信息提取等操作變的異常簡單；
但是長期運行發(fā)現(xiàn)具有以下問題
1)采用燃油發(fā)動機的無人機經(jīng)常產(chǎn)生較大的噪聲，污染了周圍的環(huán)境，而且無人機航拍的地方多為居民居住區(qū)，影響了他們的正常生活；
2)國內(nèi)ー些航拍無人機采用的是固翼無人機，這種無人機在啟動的時候需要一個很長具有坡度的滑道或者用力拋出，不能垂直升起和降落，増加了航拍的難度，特別是遇到危機情況時，不能垂直降落，使用場合大大限制；
3)對于采用蓄電池作為動カ來源的無人機，受無人機所帶載荷的限制，一般的電池能量受到限制，航拍時間很短，并且在這個系統(tǒng)對于蓄電池參數(shù)考慮較少，有的時候并不是按照蓄電池的特性在放電，極大地傷害了蓄電池，影響了其壽命；
4)受無人機功率的影響，飛行載荷較小，一般只能攜帶較輕的攝影設(shè)備，拍攝效果與預(yù)期有一定差距；
5)受電機出力的影響，現(xiàn)有無人機抵抗風(fēng)カ能力較弱，當(dāng)遇到較大風(fēng)カ時，航拍的效果較差，航拍圖像在成像過程中出現(xiàn)的畸變、模糊、失真或混入噪聲，造成圖像質(zhì)量的下降，這使得后期的處理非常麻煩；
6)啟動性能較差，無人旋翼機是ー種多體系統(tǒng)，旋翼、機體、升力面等的運動藕合、慣性耦合、結(jié)構(gòu)耦合和氣動耦合，以及非定常、非線性特性，使建立其啟動動力學(xué)數(shù)學(xué)模型相當(dāng)?shù)乩щy，在一些復(fù)雜環(huán)境下啟動時受環(huán)境影響，自動啟動性能較差；
7)現(xiàn)有無人機旋轉(zhuǎn)機翼都是固定在無人機上方機械結(jié)構(gòu)上，所以這個無人機占有較大的空間，不便于遠(yuǎn)距離攜帯。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中抗干擾能力差的問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是提供一種三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，包括處理器単元、控制器、第一電機、第二電機、第三電機、第四 電機、第五電機、第六電機、信號處理器、無人機以及地面無線控制臺，所述的處理器單元與地面無線控制臺通訊，所述的處理器單元發(fā)出控制信號至所述控制器，通過所述的控制器把控制信號分為第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號、第五驅(qū)動信號以及第六驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號、第五驅(qū)動信號和第六驅(qū)動信號分別控制所述的第六電機、第一電機、第二電機、第四電機、第三電機以及第五電機，其中，通過所述的第一電機的第二驅(qū)動信號、通過所述的第二電機的第三驅(qū)動信號、通過所述的第三電機的第五驅(qū)動信號、通過所述的第四電機的第四驅(qū)動信號、通過所述的第五電機的第六驅(qū)動信號和通過所述的第六電機的第一驅(qū)動信號經(jīng)過信號處理器合成之后，控制無人機的運動。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括DSP處理器、FPGA處理器以及設(shè)于DSP處理器和FPGA處理器的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)包括人機界面模塊、舶拍定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/O控制模塊，所述的地面無線控制臺與多軸伺服控制模塊通訊，其中，DSP處理器用于控制人機界面模塊、舶拍定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/O控制模塊，F(xiàn)PGA處理器用于控制多軸伺服控制模塊，且DSP處理器及FPGA處理器之間實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)還包括電池，所述電池進(jìn)ー步與第二電機和第四電機的輸出端連接，且處理器単元進(jìn)ー步分別連接至第二電機輸出端和電池之間的連接點以及第四電機輸出端和電池之間的連接點。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的電池進(jìn)ー步與第一電機和第三電機的輸出端連接，且處理器単元進(jìn)ー步分別連接至第一電機輸出端和電池之間的連接點以及第三電機輸出端和電池之間的連接點。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的電池進(jìn)ー步與第六電機和第五電機的輸出端連接，且處理器単元進(jìn)ー步分別連接至第六電機輸出端和電池之間的連接點以及第五電機輸出端和電池之間的連接點。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括轉(zhuǎn)換模塊，所述的轉(zhuǎn)換模塊用于把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括編碼器模塊和速度模塊，所述的編碼器模塊用于檢測無人機的實際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號；所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測無人機實際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)無人機實際轉(zhuǎn)速。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括電流模塊，所述的電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到無人機需要的范圍。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括位移模塊，所述的位移模塊用于檢測無人機是否到達(dá)既定位移，如果離既定過遠(yuǎn)，發(fā)出加速指令至控制器；如果離既定位移過近，則發(fā)出減速指令至控制器。在本發(fā)明ー個較佳實施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括高度模塊，所述的 高度模塊用于檢測無人機是否達(dá)到既定高度，如果離既定過低，發(fā)出升高指令至控制器；如果離既定過高，則發(fā)出降低指令至控制器。本發(fā)明的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，為了提高運算速度，保證無人機UAV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在單片的DSP處理器中引入FPGA處理器，形成基于DSP+FPGA的雙核處理器，并舍棄了傳統(tǒng)無人機采用單槳的結(jié)構(gòu)，在此系統(tǒng)中引入了單翼正反槳的結(jié)構(gòu)，這使得系統(tǒng)的動力性能大大提高，為了延長無人機的航拍時間，系統(tǒng)采用高性能的鋰離子電池，并充分考慮鋰離子電池在這個系統(tǒng)的作用，實現(xiàn)單ー控制器同步控制六軸電機的功能，把無人機UAV控制系統(tǒng)中工作量最大的多軸伺服系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信號處理交給FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度較快的特點，而人機界面模塊、舶拍定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、I/O控制模塊以及地面無線控制臺等功能交給DSP處理器控制，這樣就實現(xiàn)了 DSP處理器與FPGA處理器的分エ，把DSP處理器從繁重的工作量中解脫出來。


圖I為本發(fā)明較佳實施例的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)的電路圖； 圖2為圖I中處理器単元的方框 圖3為本發(fā)明較佳實施例的無人機飛行受カ圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。隨著微電子技術(shù)和計算機集成芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，DSP處理器由于其快速的計算能力，不僅廣泛應(yīng)用于通信與視頻信號處理，也逐漸應(yīng)用在各種高級的控制系統(tǒng)中。AD公司的ADSP-21XX系列提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力和解決方案，其中的ADSP-2188指令執(zhí)行速度高達(dá)75MIPS，加上獨立的算術(shù)邏輯單元，擁有強大的數(shù)字信號處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該芯片內(nèi)，可以極大地簡化外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲處理能力?；诂F(xiàn)場可編程門陣列的FPGA處理器及現(xiàn)代電子設(shè)計自動化的EDA技術(shù)的硬件實現(xiàn)方法是最近幾年出現(xiàn)了ー種全新的設(shè)計思想。雖然FPGA處理器本身只是標(biāo)準(zhǔn)的単元陣列，沒有一般的集成電路所具有的功能，但用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計需要，通過特定的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行重新組合連接，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發(fā)周期。由于FPGA處理器采用軟件化的設(shè)計思想實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，這樣就使得基于FPGA處理器設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的可復(fù)用和修改性，這種全新的設(shè)計思想已經(jīng)逐漸應(yīng)用在高性能的交流驅(qū)動控制上，并快速發(fā)展。如圖I所示，為本發(fā)明較佳實施例的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)的電路圖。本實施例中，三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)包括電池、處理器単元、控制器、第一電機、第二電機、第三電機、第四電機、第五電機、第六電機、信號處理器、無人機以及地面無線控制臺，所述的處理器單元與地面無線控制臺通訊。其中，第一電機、第二電機、第三電機、第四電機、第五電機和第六電機均采用無刷直流電機。本發(fā)明中，所述電池為鋰離子電池，是ー種供電裝置，為整個系統(tǒng)的工作提供工作電壓。所述電池進(jìn)ー步與第二電機和第四電機的輸出端連接，且處理器単元進(jìn)ー步分別連接至第二電機輸出端和電池之間的連接點以及第四電機輸出端和電池之間的連接點；所述的電池進(jìn)一歩與第一電機和第三電機的輸出端連接，且處理器単元進(jìn)ー步分別連接至第一 電機輸出端和電池之間的連接點以及第三電機輸出端和電池之間的連接點；所述的電池進(jìn)一歩與第六電機和第五電機的輸出端連接，且處理器単元進(jìn)ー步分別連接至第六電機輸出端和電池之間的連接點以及第五電機輸出端和電池之間的連接點。本發(fā)明中，所述的處理器單元內(nèi)置控制系統(tǒng)及控制電路，所述的處理器單元發(fā)出控制信號至所述控制器，通過所述的控制器把控制信號分為第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號、第五驅(qū)動信號以及第六驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第ニ驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號、第五驅(qū)動信號和第六驅(qū)動信號分別控制所述的第六電機、第一電機、第二電機、第四電機、第三電機以及第五電機，其中，通過所述的第一電機的第二驅(qū)動信號、通過所述的第二電機的第三驅(qū)動信號、通過所述的第三電機的第五驅(qū)動信號、通過所述的第四電機的第四驅(qū)動信號、通過所述的第五電機的第六驅(qū)動信號和通過所述的第六電機的第一驅(qū)動信號經(jīng)過信號處理器合成之后，控制無人機的運動。本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)中單片的DSP處理器不能滿足三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性的要求，舍棄了三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)所采用單片的DSP處理器的工作模式，提供了基于DSP+FPGA處理器的全新控制模式。處理器單元以FPGA處理器為處理核心，實現(xiàn)數(shù)字信號的實時處理，把DSP處理器從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實現(xiàn)部分的信號處理算法和FPGA處理器的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。本文的發(fā)明是圍繞微小型三旋翼無人機展開的，這種無人機采用了電動式三旋翼機械結(jié)構(gòu)，為了増加飛行動力和有效載荷，每ー個旋翼上帯有上下兩個正反槳，這種形式能増大其飛行時的帶載能力。它由機載視覺位姿參數(shù)估計系統(tǒng)對其飛行位姿態(tài)進(jìn)行測量，通過機載飛行控制系統(tǒng)控制使其各旋翼之間協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)微小型三旋翼無人機的飛行姿態(tài)自動調(diào)整，完成垂直起落，空中懸停、左動、右動、俯仰等飛行控制。請參閱圖2，所述處理器單元為一雙核處理器，其包括DSP處理器及FPGA處理器，二者可相互通訊，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。所述的處理器單元還包括設(shè)于DSP處理器和FPGA處理器的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)包括人機界面模塊、舶拍定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/O控制模塊，所述的地面無線控制臺與多軸伺服控制模塊通訊，其中，DSP處理器用于控制人機界面模塊、舶拍定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/o控制模塊，F(xiàn)PGA處理器用于控制多軸伺服控制模塊。上位機系統(tǒng)包括人機界面模塊、舶拍定位模塊以及在線輸出模塊。人機界面模塊包括開始/重啟按鍵及功能選擇鍵；舶拍定位模塊用于定位高壓巡線的位置以及參數(shù)設(shè)置；在線輸出模塊模塊用于提示無人機的工作狀態(tài)，比如是無人機工作過程中或到站狀態(tài)提示。運動控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/O控制模塊。其 中，數(shù)據(jù)采集存儲模塊模塊為一存儲器；1/0控制模塊包括RS-232串行接ロ、ICE端ロ等。多軸伺服控制模塊進(jìn)一歩包括轉(zhuǎn)換模塊、編碼器模塊、電流模塊、速度模塊、位移模塊以及高度模塊。其中，所述轉(zhuǎn)換模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC, Analog to Digital Converter)及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC, Digital to Analog Converter);所述編碼器模塊用于檢測無人機的實際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號。所述電流模塊與電池和控制器、轉(zhuǎn)換模塊連接。轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)電池和控制器的電流，判斷工作功率，并把功率狀況反饋至電池，電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到無人機需要的范圍。所述速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測無人機實際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)無人機的實際轉(zhuǎn)速。所述位移模塊檢測無人機是否到達(dá)既定位移，如果離既定過遠(yuǎn)，發(fā)出加速指令至控制器；如果離既定位移過近，則發(fā)出減速指令至控制器。所述高度模塊用于檢測無人機是否達(dá)到既定高度，如果離既定過低，發(fā)出升高指令至控制器；如果離既定過高，則發(fā)出降低指令至控制器。對于處理器單元為一雙核處理器，在電源打開狀態(tài)下，先由人機界面模塊工作，再根據(jù)實際工作需要，在人機界面上選擇無人機的區(qū)域位置，無人機把實際運行傳輸參數(shù)給給處理器単元中的DSP處理器，DSP處理器處理后與FPGA處理器通訊，然后由FPGA處理器處理四個電機的多軸伺服控制模塊，并把處理數(shù)據(jù)通訊給DSP處理器，由DSP處理器繼續(xù)處理后續(xù)的運行狀態(tài)。結(jié)合以上描述，上位機系統(tǒng)包括人機界面模塊、舶拍定位模塊、在線輸出模塊等功能；運動控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、I/o控制模塊等功能。其中，工作量最大的多軸伺服控制模塊交給FPGA處理器控制，其余的包括上位機系統(tǒng)和地面無線控制臺交給DSP處理器控制，這樣就實現(xiàn)了 DSP處理器與FPGA處理器的分エ，同時二者之間也可以進(jìn)行通訊，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。請參閱圖3，本發(fā)明中三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)具體的功能實現(xiàn)如下
本發(fā)明中的六個電機分別為Ml、Ml I、M2、M21、M3、M31，所產(chǎn)生的カ分別為Π、f 11、f2、f21、f3、f31，且滿足以下公式
!總=fl-t- fll/1^1 = /3+/31
1)在無人機未接到任何指令之前，它一般會和普通直升機沒有區(qū)別，固定在某ー個區(qū)域，開電后會直接進(jìn)入垂直升降運動自鎖狀態(tài)，一直等待地面無線裝置的指令或者是機載升降命令；
2)無人機配有半自主/全自動兩種啟動模式，在啟動前，操作員首先判斷一下周圍環(huán)境，如果不利于自動啟動時，操作員可以采用半自主控制模式，僅僅操作控制平臺上的上下左右?guī)讉€操作鍵，幫助無人機完成復(fù)雜環(huán)境下的升起啟動；
3)當(dāng)無人機接到升起或降低指令后，將首先判斷鋰離子電池能源情況，如果電源不正常，將向DSP處理器發(fā)出中斷請求，DSP處理器會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果DSP處理器的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，無人機上的六個電機將被自鎖，無人機處于等待運動狀態(tài)；
4)當(dāng)無人機接到飛行指令后，如果電源正常，無人機將進(jìn)行正常的升起運動?？刂破魍?過PWM輸出同時增加六個電機M1、M11、M2、M21、M3、M31的輸出功率，并保證上下三個個旋翼所處的平面相互平行，旋翼轉(zhuǎn)速隨之增加，使總合拉力u=f 1+f Il+f2+f21+ f3+f31增大并能克服無人機自身重力mg,當(dāng)u - mg> O時,則無人機向上垂直升起,判斷高度的壓カ傳感器將工作，當(dāng)進(jìn)入預(yù)設(shè)高度附近時，通過PWM輸出同時慢慢減小6個旋翼電機Ml、Mil、M2、M21、M3、M31的輸出功率，使總合拉力u=fl+fll+f2+f21+ f3+f31減小，當(dāng)u - mg= O時，則鎖定當(dāng)前各個電機的功率，無人機懸停在當(dāng)前位置，飛機進(jìn)入直線飛行狀態(tài)，并開啟航拍裝置，準(zhǔn)備實時向地面?zhèn)骰嘏臄z圖像；
5)當(dāng)無人機在直線飛行狀態(tài)接到地面無線降低高度請求時，控制器通過PWM輸出會同時減小六個電機M1、M11、M2、M21、M3、M31的輸出功率，并保證上下三個個旋翼所處的平面相互平行，此時旋翼轉(zhuǎn)速隨之減少，使得總合拉力u=fl+fll+f2+f21+ f3+f31也隨之減少，當(dāng)u - mgく O吋，則無人機向下作垂直降落飛行，此時判斷高度的壓カ傳感器將工作，當(dāng)進(jìn)入預(yù)設(shè)高度時，通過PWM輸出同時慢慢增加六個旋翼電機M1、M11、M2、M21、M3、M31的輸出功率，使總合拉力u=fl+fll+f2+f21+ f3+f31增加，當(dāng)u - mg= O時，則鎖定當(dāng)前各個電機的功率，無人機懸停在當(dāng)前位置，飛機進(jìn)入新的直線飛行狀態(tài)，并開啟航拍裝置，準(zhǔn)備實時向地面?zhèn)骰嘏臄z圖像；
6)當(dāng)控制Ml、Mll電機轉(zhuǎn)速同步增加，其拉カ合力/!ゑ隨之増大，同時控制M2、M21、M3、M31電機轉(zhuǎn)速同步減小，其拉カ合力/2 、、隨之減少，使得Ml、MlI電機產(chǎn)生的拉カ/I總與M2、M21、M3、M31電機產(chǎn)生的拉カ俾、博.之差大于零，即A急-俾-俾>0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向前的水平分量，機身向前俯仰側(cè)傾，產(chǎn)生俯仰角Θ，因此可控制飛機向前飛行，滿足航拍時向航拍靠近的要求；
7)當(dāng)控制M2、M21、M3、M31電機轉(zhuǎn)速同步增加，其拉力/2總、/ 隨之増大，同時控制Ml、Mll電機轉(zhuǎn)速同步減小，其拉力/隨之減少，使得M2、M21、M3、M31電機產(chǎn)生的拉カ傾、、俾與Ml、M11電機產(chǎn)生的拉カ/I總之差大于零，即/2.t + /it - /I總>0，可使旋翼
拉カ產(chǎn)生向后的水平分量，機身向后俯仰，產(chǎn)生俯仰角Θ，因此可控制飛機向后飛行；
8)當(dāng)控制M1、M11、M2、M21電機轉(zhuǎn)速同步增加，其拉カfl、fll、f2、f21隨之増大，同時控制M3、M31電機轉(zhuǎn)速減小，其拉カf3、f31隨之減少，使得M1、M11、M2、M21電機產(chǎn)生的拉カ/Iゑ、/^與M3、M31電機產(chǎn)生的拉カ傅之差大于零，即/lt + /lt - /li> >0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向左水平分量，機身向左前方側(cè)傾滾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)向俯仰角Φ，因此可控制飛機向左飛行動作。9)當(dāng)Ml、Mil、M3、M31電機轉(zhuǎn)速增加，其拉カH、fll、f3、f31隨之而増大，同時控制M2、M21電機轉(zhuǎn)速同步減小，其拉カf2、f21隨之減少，使得M1、M11、M3、M31電機產(chǎn)生的拉カ/^、/1^.與之對稱的12121電機產(chǎn)生的拉力/之差大于零，g卩/It +/It-傅>0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向右水平分量，機身向右側(cè)傾滾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)向俯仰角Φ，因此可控制飛機向右飛行動作；
10)本無人機裝備了多種報警系統(tǒng)，能通過無人機障礙探側(cè)系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動懸停，并一直懸飛在當(dāng)前位置，并根據(jù)障礙物的性質(zhì)判斷是繞飛還是返航，這樣就保證了其在運動過程中對周圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對其的干擾。 本發(fā)明三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)具有的有益效果是
1:此無人機可以低空飛行，空域申請便利，降低了對天氣條件的要求；
2:地面無線控制臺可有效地與無人機進(jìn)行通訊，地面無線控制臺系統(tǒng)可迅速被攜帯到達(dá)監(jiān)測區(qū)，有利于航拍需要；
3:采用無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)替代了普通直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)的體積更小、重量更輕、出力更大、啟動和制動性能更好；
4:在控制過程中，充分考慮了鋰離子電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于DSP+FPGA控制器時刻都在對鋰離子電池的SOC和電池的問題，當(dāng)發(fā)現(xiàn)能量不夠或者電池有問題需要處理時會中斷任務(wù)，及時通知地面無線控制臺并自動返航，保證了無人機的安全；
5:由于無人機采用的是三翼6槳的結(jié)構(gòu)，這使得無人機可以最大極限的抵抗風(fēng)カ，使得航拍過程中風(fēng)カ對各種采集圖像的干擾大大降低；
6:由于無人機采用的是三翼6槳的結(jié)構(gòu)可以折疊，這使得無人機占用的空間大大降低，可以很便于遠(yuǎn)程攜?。?br> 7、本無人機是為了航拍及測繪而設(shè)計的，所以加入了高精度舶拍定位系統(tǒng)，只要在執(zhí)行任務(wù)初期輸入各個航拍位置的坐標(biāo)就可以自動航拍并實時傳輸畫面；
8:由FPGA處理器處理多軸電機的全數(shù)字伺服控制，大大提高了運算速度，解決了單片的DSP處理器運行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強；
9:完全實現(xiàn)了 6軸電機控制信號的同步，有利于提高無人機的穩(wěn)定性和動態(tài)性能；
10:由于本控制器采用FPGA處理器處理大量的數(shù)據(jù)與算法，并充分考慮了高壓源對系統(tǒng)的干擾，并把DSP處理器從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強；
11:許多特定的場合要求有視距外精確直接遙控能力，同時在飛行控制或?qū)Ш较到y(tǒng)無法正常工作時，此無人機可以根據(jù)可靠的數(shù)據(jù)圖像傳輸系統(tǒng)從自主飛行切換成安全模式，有效地保證了無人機的安全；
12:本無人機加入了自動懸停功能，當(dāng)無人機遇到緊急情況接到地面控制裝置更改任務(wù)請求時，控制器會發(fā)出原地停車指令，并迅速調(diào)整當(dāng)前六個電機的狀態(tài)，使飛機懸停在當(dāng)前狀態(tài)；
13:由于采用的是無人機航拍并適時傳回控制畫面，如果地面控制裝置發(fā)現(xiàn)有可疑圖像時可以讓無人機懸停然后后退，重新航拍并傳回清晰畫面；
14:本無人機航拍起飛著陸場地小，當(dāng)遇到特殊情況時候可以方便地在車頂及屋頂上起降等特點，并可在空中有限的范圍內(nèi)作懸停飛行，因此具有相當(dāng)廣泛的用途；
15:本無人機航拍為低空飛行，為了滿足建筑航拍需要，飛行高度在20m-200m可調(diào)，屬于近景航空攝影測量，攝影測量精度達(dá)到了亞米級，精度范圍在O. 10-0. 25m ；
16:本無人機裝備了多種報警系統(tǒng)，能通過無人機障礙探測系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動懸停，并一直懸飛在當(dāng)前位置，并根據(jù)障礙物的性質(zhì)判斷是繞飛還是返航，這樣就保證了在運動過程中對周圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對其的干擾。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的 專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器單元、控制器、第一電機、第二電機、第三電機、第四電機、第五電機、第六電機、信號處理器、無人機以及地面無線控制臺，所述的處理器單元與地面無線控制臺通訊，所述的處理器單元發(fā)出控制信號至所述控制器，通過所述的控制器把控制信號分為第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號、第五驅(qū)動信號以及第六驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號、第五驅(qū)動信號和第六驅(qū)動信號分別控制所述的第六電機、第一電機、第二電機、第四電機、第三電機以及第五電機，其中，通過所述的第一電機的第二驅(qū)動信號、通過所述的第二電機的第三驅(qū)動信號、通過所述的第三電機的第五驅(qū)動信號、通過所述的第四電機的第四驅(qū)動信號、通過所述的第五電機的第六驅(qū)動信號和通過所述的第六電機的第一驅(qū)動信號經(jīng)過信號處理器合成之后，控制無人機的運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括DSP處理器、FPGA處理器以及設(shè)于DSP處理器和FPGA處理器的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)包括人機界面模塊、舶拍定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/O控制模塊，所述的地面無線控制臺與多軸伺服控制模塊通訊，其中，DSP處理器用于控制人機界面模塊、舶拍定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊以及I/O控制模塊，F(xiàn)PGA處理器用于控制多軸伺服控制模塊，且DSP處理器及FPGA處理器之間實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)還包括電池，所述電池進(jìn)一步與第二電機和第四電機的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第二電機輸出端和電池之間的連接點以及第四電機輸出端和電池之間的連接點。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電池進(jìn)一步與第一電機和第三電機的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第一電機輸出端和電池之間的連接點以及第三電機輸出端和電池之間的連接點。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電池進(jìn)一步與第六電機和第五電機的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第六電機輸出端和電池之間的連接點以及第五電機輸出端和電池之間的連接點。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括轉(zhuǎn)換模塊，所述的轉(zhuǎn)換模塊用于把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括編碼器模塊和速度模塊，所述的編碼器模塊用于檢測無人機的實際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號；所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測無人機實際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)無人機實際轉(zhuǎn)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括電流模塊，所述的電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到無人機需要的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括位移模塊，所述的位移模塊用于檢測無人機是否到達(dá)既定位移，如果離既定過遠(yuǎn)，發(fā)出加速指令至控制器；如果離既定位移過近，則發(fā)出減速指令至控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括高度模塊，所述的高度模塊用于檢測無人機是否達(dá)到既定高度，如果離既定過低，發(fā)出升高指令至控制器；如果離既定過高，則發(fā)出降低指令至控制器。
全文摘要
本發(fā)明的三翼雙槳重組式無人機UAV自動控制系統(tǒng)，為了提高運算速度，保證無人機UAV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在單片的DSP處理器中引入FPGA處理器，形成基于DSP+FPGA的雙核處理器，并舍棄了傳統(tǒng)無人機采用單槳的結(jié)構(gòu)，在此系統(tǒng)中引入了單翼正反槳的結(jié)構(gòu)，這使得系統(tǒng)的動力性能大大提高，為了延長無人機的航拍時間，系統(tǒng)采用高性能的鋰離子電池，實現(xiàn)單一控制器同步控制六軸電機的功能，把無人機UAV控制系統(tǒng)中工作量最大的多軸伺服系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信號處理交給FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度較快的特點，實現(xiàn)了DSP處理器與FPGA處理器的分工，把DSP處理器從繁重的工作量中解脫出來。
文檔編號G05D1/08GK102854882SQ201210354099
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者張好明, 王應(yīng)海, 李熙 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院