基于外部視覺的四旋翼無(wú)人飛行器全自主飛行控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及四旋翼飛行器的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于外部視覺的四旋翼無(wú)人飛 行器全自主飛行控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，得益于微電子，傳感器以及通信等領(lǐng)域的成就，無(wú)人機(jī)得以快速發(fā)展并 受到了廣泛關(guān)注。"無(wú)人機(jī)"的全稱是"無(wú)人駕駛飛機(jī)"，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程 序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。機(jī)上無(wú)駕駛員，但安裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制裝置等設(shè) 備。地面、艦艇上或母機(jī)遙控站人員通過(guò)雷達(dá)等設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測(cè)和數(shù) 字傳輸。近年來(lái)，全球無(wú)人機(jī)的數(shù)量高速增長(zhǎng)：1990年2. 5萬(wàn)架，2000年已經(jīng)超過(guò)4萬(wàn)架， 2010年達(dá)到10萬(wàn)架以上。目前，全球己有55個(gè)國(guó)家的軍隊(duì)裝備了 200多種型號(hào)的無(wú)人 機(jī)。作為無(wú)人機(jī)中較為特殊的一種，微小型四旋翼無(wú)人機(jī)在近年來(lái)發(fā)展尤為快速并受到越 來(lái)越多的關(guān)注。這種無(wú)人飛行器外形尺寸通常小于1米，質(zhì)量通常小于1千克。由于體積 小，加上其易控制，靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，微小型四旋翼無(wú)人機(jī)可幫助人類在危險(xiǎn)環(huán)境或狹小空 間內(nèi)完成許多工作，如災(zāi)區(qū)監(jiān)查，敵情偵查，高空拍攝等。要?jiǎng)偃紊鲜鋈蝿?wù)，全自主實(shí)時(shí)飛行 控制系統(tǒng)是中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。建立完整的全自主的飛行控制系統(tǒng)對(duì)推動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī) 的實(shí)際應(yīng)用有著重要意義。為提升飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)與問(wèn)題診斷，能夠直觀準(zhǔn)確再現(xiàn)飛 行過(guò)程的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)也顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)此類專利公開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有飛行控制系統(tǒng)一般不具備全自主飛行控制能力以及 對(duì)飛行數(shù)據(jù)處理缺乏直觀性的問(wèn)題，提供了一種基于外部視覺的四旋翼無(wú)人飛行器全自主 飛行控制系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種基于外部視覺的四旋翼無(wú)人飛行器 全自主飛行控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)由四旋翼飛行器硬件平臺(tái)，自主飛行控制系統(tǒng)，以及飛 行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，四旋翼飛行器硬件平臺(tái)包括裝備有XBee無(wú)線通信模塊以入嵌入式 ARM微控制器的微小型四旋翼飛行器、外部VICON視覺定位系統(tǒng)以及地面站PC機(jī)；地面站 PC機(jī)與四旋翼飛行器之間通過(guò)無(wú)線串口 XBee相連并進(jìn)行通信；地面站PC機(jī)用于實(shí)現(xiàn)主 要的任務(wù)規(guī)劃、軌跡生成與控制算法，并通過(guò)無(wú)線串口向飛行器發(fā)送控制指令；外部VICON 視覺定位系統(tǒng)用于進(jìn)行位置定位，提供位置反饋；自主飛行控制系統(tǒng)包括機(jī)載姿態(tài)控制器， 地面站位置控制器以及軌跡規(guī)劃器，機(jī)載姿態(tài)控制器采用閉環(huán)控制策略（如比例一微分 (P-D)控制器），且以1000Hz頻率進(jìn)行控制，在姿態(tài)穩(wěn)定可控基礎(chǔ)上，地面站位置控制器以 姿態(tài)為虛擬輸入量對(duì)位置進(jìn)行控制，其控制指令通過(guò)XBee無(wú)線通訊模塊發(fā)給機(jī)載姿態(tài)控 制器，為使飛行器以與其動(dòng)力學(xué)相容的方式飛行，從而提高飛行性能，軌跡規(guī)劃器以平滑飛 行器在飛行過(guò)程的加速度為目標(biāo)，生成合理的參考軌跡曲線；飛行數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)由飛行 數(shù)據(jù)本地儲(chǔ)存模塊，關(guān)鍵數(shù)據(jù)報(bào)表生成模塊，以及飛行過(guò)程可視化回放模塊構(gòu)成，飛行數(shù)據(jù) 采用python中的MySQL工具包采其存入本地MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，以完整記錄飛行器的所有歷 史信息，此后，采用專門設(shè)計(jì)的飛行行為分析模塊可自動(dòng)完成對(duì)具體飛行數(shù)據(jù)的分析。分析 時(shí)，根據(jù)參考輸入與系統(tǒng)響應(yīng)求出響應(yīng)時(shí)間，穩(wěn)態(tài)誤差以及建模誤差等參數(shù)。所求得的參數(shù) 與飛行器各狀態(tài)軌跡圖線一起填入特別制定的latex模版。而后可通過(guò)latex編譯器編譯 生成pdf報(bào)表。此外，數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)還包括一個(gè)三維可視化的飛行過(guò)程回放系統(tǒng)，以便于 更直觀的檢測(cè)飛行器飛行全過(guò)程的行為，同時(shí)數(shù)據(jù)分析時(shí)可提取以三維形式展示。
[0005] 其中，所述的姿態(tài)控制器設(shè)置在四旋翼飛行器上，所述的軌跡規(guī)劃器在遠(yuǎn)端（PC) 另以獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)。
[0006] 其中，所述的軌跡規(guī)劃器生成的軌跡以參考輸入方式傳遞給位置控制器，位置控 制器計(jì)算后再將指令通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送給四旋翼飛行器，位置控制器的反饋信號(hào)直接通過(guò) 以太網(wǎng)向VICON數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取。
[0007] 其中，數(shù)據(jù)分析時(shí)，通過(guò)PYTHON腳本直接計(jì)算飛行過(guò)程主要特征數(shù)據(jù)，填入Latex 模塊并調(diào)用Latex編譯命令自動(dòng)編譯生成數(shù)據(jù)報(bào)表。
[0008] 其中，飛行控制器中的各子模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，從而降低藕合。
[0009] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0010] 能夠?qū)崿F(xiàn)四旋翼無(wú)人飛行器準(zhǔn)確、快速的進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境下的自主飛行。系統(tǒng)各模 塊獨(dú)立去藕合，方便日后獨(dú)立的對(duì)各模塊進(jìn)行進(jìn)一步的單獨(dú)開發(fā)；同時(shí)本發(fā)明所提出的數(shù) 據(jù)后處理方法可以直觀的再現(xiàn)飛行全過(guò)程且能快速的提取有效信息，并生成報(bào)表，從而快 速發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)主要部件組成以及工作原理圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中地面站與飛行器之間的通訊協(xié)議。
[0013] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中姿態(tài)與位置控制器所通用的P-D控制器。
[0014] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0016] 如圖1-4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于外部視覺的四旋翼無(wú)人飛行器全自 主飛行控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)由四旋翼飛行器硬件平臺(tái)，自主飛行控制系統(tǒng)，以及飛行數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，四旋翼飛行器硬件平臺(tái)包括裝備有XBee無(wú)線通信模塊以入嵌入式ARM微 控制器的微小型四旋翼飛行器、外部VICON視覺定位系統(tǒng)以及地面站PC機(jī)；地面站PC機(jī) 與四旋翼飛行器之間通過(guò)無(wú)線串口相連并進(jìn)行通信；地面站PC機(jī)用于實(shí)現(xiàn)主要的控制算 法，并通過(guò)無(wú)線串口向飛行器發(fā)送控制指令；外部VICON視覺定位系統(tǒng)由位置控制器、軌跡 生成器以及任務(wù)規(guī)劃器集成于PC端構(gòu)成，用于進(jìn)行位置定位，提供位置反饋；自主飛行控 制系統(tǒng)包括機(jī)載姿態(tài)控制器，地面站位置控制器以及軌跡規(guī)劃器，機(jī)載姿態(tài)控制器采用比 例一微分（P-D)控制器，且以1000Hz頻率進(jìn)行控制，在姿態(tài)穩(wěn)定可控基礎(chǔ)上，地面站位置控 制器以姿態(tài)為虛擬輸入量對(duì)位置進(jìn)行控制，其控制指令通過(guò)XBee無(wú)線通訊模塊發(fā)給機(jī)載 姿態(tài)控制器，軌跡規(guī)劃器用于生成合理的參考軌跡曲線；飛行數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)由飛行數(shù)據(jù) 本地儲(chǔ)存模塊，關(guān)鍵數(shù)據(jù)報(bào)表生成模塊，以及飛行過(guò)程可視化回放模塊構(gòu)成，飛行數(shù)據(jù)采