一种多旋翼无人机自动飞行控制系统

1.一种多旋翼无人机自动飞行控制系统，其特征在于：包括飞行控制计算单元、全手动控制单元、无线信号传输单元和电机驱动单元，飞行控制计算单元输出端连接全手动控制单元输入端，全手动控制单元输出端连接电机驱动单元的输入端；
飞行控制计算单元由飞行姿态推导装置、姿态控制器、飞行速度检测校正装置、速度控制器、飞行位置检测校正单元、飞行位置控制器、GPS导航传感器、惯性测量传感器和气压传感器构成；
全手动控制单元由三轴陀螺仪传感器和角速度控制器构成；
无线信号传输单元由地面站信号收发单元、遥控器信号接收单元构成。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机自动飞行控制系统，其特征在于：惯性测量传感器为输出三轴加速度信号、三轴角速度信号和三轴地磁信号的9自由度姿态传感器。
3.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机自动飞行控制系统，其特征在于：惯性测量传感器的信号输出端与飞行姿态推导装置输入端连接，飞行姿态推导装置输出端连接姿态控制器；全手动控制单元的角速度控制器的输入端连接姿态控制器输出端，角速度控制器的输出端连接电机驱动单元。
4.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机自动飞行控制系统，其特征在于：三轴陀螺仪传感器的输出端连接至全手动控制单元的角速度控制器。
5.根据权利要求1所述的多旋翼无人机自动飞行控制系统，其特征在于： GPS导航传感器的速度信号输出端和飞行姿态推导装置的角加速度信号输出端同时连接于飞行速度检测校正装置的输入端，飞行速度检测校正装置的输出端与速度控制器的输入端连接，速度控制器的输出端与姿态控制器相连接；气压传感器的信号输出端和GPS导航传感器的经纬度信号输出端连接到飞行位置检测校正装置，飞行位置检测校正装置输出端连接飞行位置控制器，飞行位置控制器输出端连接速度控制器。

一种多旋翼无人机自动飞行控制系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种多旋翼无人机飞行控制装置，尤其涉及一种基于双控单元的多旋翼无人机自动飞行控制系统。\n背景技术\n[0002] 近年来，各国兴起了无人直升机的研发热，新研发的无人直升机在各大洲竞相出现，并且在军事、紧急事件响应、监测、航拍和精密农业管理等方面扮演重要作用。多旋翼无人机，构造比较简单，价格也比较低廉，最重要是它不需要发射系统，还能垂直起降，对起飞环境无要求，与固定翼相比最大的优势是能够在空中自由悬停，而且飞行灵活性相当高超，可用各种速度，各种飞行剖面的航路进行飞行，因而比固定翼无人机在侦查、营救等艰难任务环境中，更具有应用优势。\n[0003] 目前市场上的多旋翼无人机控制器多采用一个核心计算单元，当无人机传感器单元遇到很强的信号干扰或GPS导航传感器信号突然丢失时，核心计算单元发会发生失稳或死机现象，操作者无法从自动飞行模式切换成手动飞行模式，导致炸机和飞丢，造成安全隐患。\n实用新型内容\n[0004] 本实用新型就是针对上述问题提供一种多旋翼无人机自动飞行控制系统，能够在依赖GPS导航传感器信号时实现多旋翼无人机的多点自动飞行，在自动飞行控制器出现故障时切换为全手动控制避免坠机现象发生。\n[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种多旋翼无人机自动飞行控制系统，包括：飞行控制计算单元、全手动控制单元、无线信号传输单元和电机驱动单元；飞行控制计算单元输出端连接全手动控制单元输入端，全手动控制单元输出端连接电机驱动单元的输入端。\n[0006] 飞行控制计算单元由飞行姿态推导装置、姿态控制器、飞行速度检测校正装置、速度控制器、飞行位置检测校正单元、飞行位置控制器、惯性测量传感器（IMU）、GPS导航传感器和气压传感器连接构成；全手动控制单元由三轴陀螺仪传感器和角速度控制器构成。\n[0007] 无线信号传输单元由地面站信号收发单元、遥控器信号接收单元构成。\n[0008] 惯性测量传感器（IMU）输出三轴加速度信号、三轴角速度信号和三轴地磁信号，构成9自由度姿态传感器。9自由度IMU信号输出端与飞行姿态推导装置输入端连接，飞行姿态推导装置输出端连接姿态控制器，姿态控制器输出端连接全手动控制单元中的角速度控制器的输入端，角速度控制器输出端连接电机驱动单元；三轴陀螺仪传感器的输出端连接至全手动控制单元的角速度控制器。GPS导航传感器输出的速度信号和飞行姿态推导装置输出的角加速度信号的输出端同时连接于飞行速度检测校正装置的输入端，飞行速度检测校正装置的输出端与速度控制器的输入端连接，速度控制器的输出端与姿态控制器相连接；气压传感器输出的气压信号和GPS导航传感器输出的经纬度信号连接到飞行位置检测校正装置，飞行位置检测校正装置的输出端连接飞行位置控制器，飞行位置控制器的输出端连接速度控制器。\n[0009] 根据以上结构的本实用新型，其特征在于，所述无人机自动飞行控制系统其飞控计算单元的输入端口连接地面站信号收发单元；全手动控制单元的输入端连接至遥控器信号接收单元；无人机自动飞行控制系统的控制器包含了实现自动飞行控制的飞行控制计算单元和实现全手动飞行的全手动控制单元；无人机自动飞行控制系统还进一步包括了与遥控器地面站通信的无线信号传输单元。\n[0010] 本实用新型的有益效果是：\n[0011] 1. 本实用新型采用分离式的飞行控制计算单元和全手动控制单元，保证了运算与控制的精确性和实时性，系统可以在全手动模式和自动飞行模式间切换。\n[0012] 2. 控制系统内置一个16通道的GPS导航传感器，提供了优越的定位精度，可以全自主高精度地实现悬停和多路点飞行。\n[0013] 3. 采用集成的Mti 高可靠性IMU惯性导航传感器，可以对无人机进行高精度、高稳定性的姿态控制。\n[0014] 4. 本实用新型采取位置控制器、速度控制器、姿态控制器、角速度控制器层层嵌套的设计方案，使得飞行更加流畅平稳，机身抖动更小，并且操作者可以根据需要在几种飞行模式间任意换切。\n附图说明\n[0015] 图1是本实用新型飞行控制计算机原理框图；\n[0016] 图2是本实用新型控制系统硬件连接图；\n[0017] 图3 本实用新型GPS导航传感器电路图；\n[0018] 图4 本实用新型气压传感器电路图；\n[0019] 图5 本实用新型全手动控制单元DSP（数字信号处理器）电路图；\n[0020] 图6 是本实用新型飞行控制计算单元SH单片机电路图。\n具体实施方式\n[0021] 下面结合附图和实施例子对本实用新型做进一步详细说明。\n[0022] 如附图1所示为本实用新型飞行控制计算机原理框图，在飞行控制系统中设置有飞行控制计算单元和全手动控制单元两部分。飞行控制计算单元又包括，飞行姿态推导装置、姿态控制器、飞行速度检测校正装置、速度控制器、飞行位置检测校正单元、位置控制器、IMU惯性测量传感器、GPS导航传感器和气压传感器。IMU惯性测量传感器输出三轴加速度信号、三轴角速度信号和三轴地磁信号，构成9自由度姿态传感器；GPS导航传感器输出的信号包括经度信号、纬度信号和速度信号；气压传感器输出气压信号；全手动控制单元由角速度控制器和三轴陀螺仪传感器，全手动控制单元的输出与电机驱动单元连接。\n[0023] 上述装置连接关系为：IMU惯性测量传感器、飞行姿态推导装置、姿态控制器、角速度控制器、电机驱动装置相连；GPS导航传感器分别与飞行速度检测校正装置和飞行位置检测校正装置相连；飞行姿态推导装置、飞行速度检测校正装置和飞行位置检测校正装置顺序相连；飞行速度检测校正装置、速度控制器、姿态控制器顺序相连；气压传感器连接至飞行位置检测校正装置；飞行位置检测校正装置、飞行位置控制器、速度控制器顺序相连；三轴陀螺仪传感器、角速度控制器、电机驱动装置顺序相连。\n[0024] 附图2是本实用新型控制系统硬件连接图。飞行控制系统的飞控计算单元连接有无线信号传输单元中的地面站信号收发单元；全手动控制单元连接有无线信号传输单元中的遥控器信号接收单元和电机驱动单元；各装置工作原理为：\n[0025] 1、姿势控制模式：飞行控制计算单元对IMU惯性测量传感器测得的三轴加速度数据A1、三轴角速度数据A2、以及三轴地磁数据A3进行处理分析，进行飞行姿态计算B1，产生姿态数据B2；进行姿态控制处理B3；计算出姿态控制参数B4；姿态控制参数B4，作为全手动控制单元的输入进行角速度控制处理D1；计算出角速度控制参数D2；全手动控制单元输出端口，与电机驱动装置相连，见图1；\n[0026] 2、速度控制模式：飞行控制计算单元对三轴加速度数据A1进行积分运算，并引用从GPS传感器获得的速度数据C1，进行校正C2，产生飞行速度数据C3；进行速度控制处理C4；计算出速度控制参数C5; 速度控制参数C5作为姿态控制器输入，进行姿态控制处理B3；计算出姿态控制参数B4；姿态控制参数B4，作为全手动控制单元的输入进行角速度控制处理D1；计算出角速度控制参数D2；全手动控制单元输出端口，与电机驱动装置相连。\n[0027] 3、位置控制模式：飞行控制计算单元引用GPS导航传感器测得的经纬度E1、气压传感器气压数据H1,以及飞行速度数据C3，进行飞行位置计算和校正E2；经过飞行位置控制器处理E3，计算出位置控制参数E4； 位置控制参数E4作为速度控制器的输入进行速度控制处理C4；计算出速度控制参数C5; 速度控制参数C5作为姿态控制器输入，进行姿态控制处理B3；计算出姿态控制参数B4；姿态控制参数B4，作为全手动控制单元的输入进行角速度控制处理D1；计算出角速度控制参数D2；全手动控制单元输出端口，与电机驱动装置相连。\n[0028] 4、多旋翼无人机自动飞行控制系统，引用姿态控制参数B4、飞行速度控制参数C5，位置控制参数E4，层层嵌套形成多环控制系统，通过电机驱动装置对多旋翼无人机无刷直流电机进行控制。\n[0029] 5、图3-图6为本实用新型相关主要部件的电路结构图。为了实际飞行中更好的飞行效果，本技术方案通过图5中的遥控器信号接收单元（Propo）和图6地面站信号收发单元（Zigbee）分别接收地面站和遥控器的控制指令；通过遥控器的控制指令可以自由切换全手动控制和全自动飞行模式，图5中全手动控制单元采用DSP（数字信号处理器）接收三轴陀螺仪传感器输出的数据和遥控器信号接受单元接收到的数据，进行实时分析运算后实现角速度控制；图3中的GPS导航传感器数据，图4中的气压传感器经AD转换电路的输出数据以及图6中的IMU姿态传感器输出的数据一起送至图6中的SH单片机，经过图6中飞控计算单元SH单片机对以上数据进行实时分析运算后得到的姿态控制器输出数据至图5全手动控制单元的DSP（数字信号处理器），通过角速度控制器对飞行器各方向旋转运动的角速度进行控制从而使飞行器能在全手动控制时保持稳定飞行，保障了飞行活动的精确性和安全性。