CN103057712B - 微小型飞行机器人集成飞行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统，包括微型中央处理模块，负责管理各个模块并运行控制算法；定位模块，用于测量飞行机器人的位置和速度信息并传送给微型中央处理模块；惯性测量模块，用于测量飞行机器人的姿态以及角速度信息；智能预警模块，监测飞行机器人的飞行状态以便及时发出预警；驱动模块，根据微型中央处理模块的指令驱动飞行机器人的作动；无线通信模块，负责飞行机器人与地面站系统的数据通信；数据存储模块，负责存储飞行过程中的数据；电源管理模块，负责给整个系统供电。本发明可集成制导与姿态控制功能，具有集成化高、重量轻、体积小、功能强等优点，可有效提高微小型飞行机器人的推重比和效率。

Description

微小型飞行机器人集成飞行控制系统

技术领域

本发明涉及控制技术、制导技术、传感技术以及无线通信领域，尤其涉及一种微小型飞行机器人的飞行控制系统。

背景技术

目前，许多应用领域都要求飞行器能够进行低空低速的飞行，进行低空作业，并且有良好的机动性和隐蔽性。微小型飞行机器人是实现上述功能的良好平台。微小型飞行机器人具有机动性、灵活性好、可垂直起降、隐蔽性好等优点，是一个良好的观察与接触环境的平台。可以预料，微小型飞行机器人将有极为广阔的应用前景。

微小型飞行机器人的飞行控制系统应当能够使得飞行机器人沿着给定的轨迹飞行。飞行控制系统控制飞行机器人的姿态与位置，让机器人完成期望的指令运动。微小型飞行机器人的飞行控制系统是其实现功能与性能的核心，飞行控制系统的性能将直接影响飞行机器人的飞行性能与品质。飞行控制系统一般包括制导与姿态控制两个部分，分别控制飞行机器人的位置与姿态，传统的飞行机器人控制系统一般将制导与姿态控制分为两个模块。每个模块实现一种功能。这种设计可以使得制导模块与姿态控制模块采用不同的硬件与软件系统，便于实现，但这种设计思路增加了整个飞行控制系统的复杂性，使得整体控制系统的体积、重量等指标增加，从而使得其载体——微小型飞行机器人的载重余量降低。

为使微小型飞行机器人能够更好地适应室外复杂环境，飞行控制系统的结构组成应更为简单可靠、重量更轻。为实现此目的，集制导与姿态控制为一体的集成化的飞行控制系统是飞行机器人发展过程中的一种趋势。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种可应用于微小型飞行机器人的集成化飞行控制系统，针对微小型旋翼飞行机器人的设计，充分考虑微小型旋翼式飞行机器人的特点，使得该集成飞行控制系统可实现制导与姿态控制等多种功能，可以替代传统的制导与姿态控制两个模块，从而减小了由两个模块组成系统的复杂性，减少了整个飞行控制系统的重量和体积，对于提高微小型飞行机器人的推重比、效率等有一定的作用，符合机器人集成化的发展趋势。

本发明提出的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，主要包括微型中央处理模块、定位模块、惯性测量模块、智能预警模块、驱动模块、无线通信模块、数据存储模块，以及电源管理模块。

所述的微型中央处理模块由中央处理器和其外围电路组成，主要功能是管理其它模块，向其他模块发送命令，获取信息；获取位置和姿态传感信息，包括定位模块传送的位置信息以及惯性测量模块发送的姿态信息；管理智能预警模块与无线通信模块，判断是否应该发出警报；根据定位模块和惯性测量模块采集到的传感数据以及地面站传送的指令数据运行飞行控制算法并向驱动模块发送驱动器的驱动指令；管理数据存储模块的数据存储工作。中央处理模块中的中央处理器可根据所实现功能以及数据存储量的大小采用普通单片机、ARM嵌入式芯片、DSP芯片等各种具有运算功能和数据存储功能的计算机处理芯片。为管理多个模块，中央处理器中可以根据需要安装嵌入式操作系统，如Linux操作系统。

所述的定位模块采集包括GPS定位模块、加速度计、气压高度计，以及处理器A。定位模块将采集到的飞行机器人位置信息以及速度信息传送给微型中央处理模块。定位模块中的处理器A将GPS定位模块输出的经纬度坐标信息，加速度计输出的加速度信息，气压高度计输出的高度信息进行数据融合，得到更为精准的位置和速度信息，并将之传送给微型中央处理模块。可采用多种方法进行多传感数据融合，如卡尔曼滤波算法。

所述的惯性测量模块包括陀螺仪、磁场计，以及处理器B。惯性测量模块将采集计算得到的飞行机器人的姿态以及角速度数据传送给微型中央处理模块。惯性测量模块中的处理器B运行信息融合算法，将陀螺仪输出的角速度信息以及磁场计输出的方位角信息进行融合，得到更为精准的姿态与角速度数据信息，供微型中央处理模块使用。

所述智能预警模块完成整个飞行机器人系统的自动预警功能，根据微型中央处理模块传送的数据监测飞行机器人的运行状态，如果出现异常状态，则提醒微型中央处理模块当前的紧急状况，并由微型中央处理模块通过智能通信定位模块直接向地面站系统发出相应的错误信息以及飞行机器人当前的状态，从而便于采取人工介入方式处理紧急状况。

所述的智能预警模块由蜂鸣器、复位电路、错误判断电路等组成。智能预警模块接收微型中央处理模块的位置、速度、角速度以及姿态角数据，对飞行机器人工作状态进行判断。

所述的驱动模块将驱动微小型飞行机器人的作动器运动，如旋翼电机或舵机等，使微小型飞行机器人执行相应的指令。驱动模块由电机或舵机驱动电路组成。驱动模块的信号来源于微型中央处理模块的控制算法运行结果，根据电机或舵机的类型输出PWM波或数字信号控制电机或舵机的转速。

所述的无线通信模块由无线通信数据链组成，负责微小型飞行机器人与其它微小型飞行机器人或地面站之间的通信。无线通信模块由微型中央处理模块管理，发送和接收的数据由中央处理模块决定。无线通信数据链可以提供点对点或组网方式的数据通信。

所述的数据存储模块负责存储飞行机器人在飞行过程中的状态数据，由flash存储芯片以及外围电路组成。数据存储模块由微型中央处理模块管理存储飞行机器人的状态数据，包括接收到的位置、姿态指令数据，以及定位模块和惯性测量模块输出的飞行机器人实际位置、速度、姿态角、角速度数据。

所述的电源管理模块为整个飞行控制系统提供电源，电源管理模块为不同模块提供不同的电压输出。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一个高度集成化的微小型飞行机器人飞行控制系统，通过该集成飞行控制系统能够控制、监测飞行机器人。所述的集成飞行控制系统同时具有制导与姿态控制等功能。

2、本发明能够实现智能预警和通信功能，保证了飞行机器人在非正常工作状态下能及时通知地面人员，以便由人工介入。

3、通过本发明，可以结合网络技术，组建飞行机器人群体系统。

4、本发明具有集成化高、重量轻、功能强等优点，便于提升飞行机器人的推重比与效率。

附图说明

图1：本发明一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统的系统结构框图;

图2：本发明一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统中定位模块以及惯性测量模块具体实现图;

图3：本发明一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统中的微型中央处理模块中运行的集成制导与姿态控制算法示意图；

图4：本发明一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统中的智能预警模块的工作流程示意图；

图5：本发明一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统中的一般工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，如图1所示，主要包括微型中央处理模块1、定位模块2、惯性测量模块4、智能预警模块3、驱动模块5、无线通信模块6、数据存储模块7，以及电源管理模块8。

所述的微型中央处理模块1由中央处理器和其外围电路组成，主要功能是管理其它定位模块2、惯性测量模块4、智能预警模块3、驱动模块5、无线通信模块6、数据存储模块7，以及电源管理模块8，向这些模块发送命令或获取信息；获取位置和姿态传感信息，包括定位模块2传送的位置信息以及惯性测量模块4发送的姿态信息；管理智能预警模块3与无线通信模块6，判断是否应该发出警报；根据定位模块2和惯性测量模块4采集到的传感数据以及地面站传送的指令数据运行飞行控制算法并向驱动模块5发送驱动器的驱动指令；管理数据存储模块7的数据存储工作。微型中央处理模块1中的中央处理器可根据所实现功能以及数据存储量的大小采用普通单片机、ARM嵌入式芯片、DSP芯片等各种具有运算功能和数据存储功能的计算机处理芯片。为管理各个模块，中央处理器中可以根据需要安装嵌入式操作系统，如Linux操作系统。

所述的定位模块2包括GPS定位模块202、加速度计204、气压高度计203和处理器A201。定位模块2用于将采集到的飞行机器人位置信息以及速度信息传送给微型中央处理模块1。定位模块2中的处理器A201将GPS定位模块202输出的经纬度坐标信息、加速度计204输出的加速度信息、气压高度计203输出的高度信息进行数据融合，得到更为精准的位置和速度信息，并将之传送给微型中央处理模块1。可采用多种方法进行多传感数据融合，如卡尔曼滤波算法。

所述的惯性测量模块4包括陀螺仪403、磁场计402，以及处理器B401。惯性测量模块4将采集计算得到的飞行机器人的姿态以及角速度数据传送给微型中央处理模块1。惯性测量模块4中的处理器B401运行信息融合算法，将陀螺仪403输出的角速度信息以及磁场计402输出的方位角信息进行融合，得到更为精准的姿态与角速度数据信息，供微型中央处理模块1使用。

如图2所示为定位模块2、惯性测量模块4与微型中央处理模块1之间的连接具体示意图。定位模块2中的处理器A201、惯性量模块4中的处理器B401通过SPI接口与微型中央处理模块1连接并互相传输数据。在惯性测量模块4中，陀螺仪403、磁场计402通过UART接口与处理器B401连接。在定位模块2中，GPS定位模块202、加速度计204、气压高度计203也分别通过UART接口与处理器A201相连接。

图3所示为微型中央处理模块1中运行的集成制导与姿态控制算法示意图。微型中央处理模块1接收到来自定位模块2与惯性测量模块4传送的位置测量值、速度测量值、姿态测量值以及角速度测量值。制导环采用制导算法通过比较期望位置与速度测量值和位置测量值，输出期望力矢量，经过制导控制分配算法，输出期望姿态。姿态控制环通过比较期望姿态与角速度测量值和姿态测量值，输出期望的机体控制力矩，并经过姿态控制分配算法，输出各个电机或舵机等作动器的指令给驱动模块5。

所述智能预警模块3完成整个飞行机器人系统的自动预警功能，根据微型中央处理模块1传送的数据监测飞行机器人的运行状态，如果出现异常状态，则提醒微型中央处理模块1当前的紧急状况，并由微型中央处理模块1通过无线通信模块6直接向地面站系统发出相应的错误信息以及飞行机器人当前的状态，从而便于采取人工介入方式处理紧急状况。

所述的智能预警模块3由蜂鸣器301、复位电路302、错误判断电路303等组成。如图4所示，智能预警模块3接收微型中央处理模块1传送的位置、速度、角速度以及姿态角数据，判断飞行机器人是否处于正常工作状态，并进行如下工作：

（1）智能预警模块3接收到微型中央处理模块1传送的数据以后，开始进入检测周期，如果此时没有复位信号，则转（2），否则转（5）；

（2）错误判断电路303根据微型中央处理模块1传送的位置、速度、角速度以及姿态角数据等，运行逻辑程序判断飞行机器人是否处于正常工作状态，若处于正常工作状态，则转（1），否则转（3）；

（3）智能预警模块3将错误信息反馈给微型中央处理模块1，此时，智能预警模块3进入应急响应程序，此时再次检测是否有复位信号，如果检测到复位信号，则转（5），否则转（4）；

（4）触发蜂鸣器301发出警报，同时启动智能通信功能，将错误信息传送给微型中央处理模块1，微型中央处理模块1通知无线通信模块6向地面站系统发出错误信息以及当前的飞行状态；

（5）若有复位信号，即在一定的时间内，人工介入后消除了错误，则智能预警模块3自动启动复位工作状态，复位电路302复位系统。否则，蜂鸣器301将持续发出警报，无线通信模块6也将持续发送错误信息。复位电路也可用于人工操作，以便复位智能预警模块3。

所述的驱动模块5将驱动微小型飞行机器人的作动器运动，如旋翼电机或舵机等，使微小型飞行机器人执行相应的指令。驱动模块5由电机或舵机驱动电路组成。驱动模块5的信号来源于微型中央处理模块1的控制算法运行结果，根据电机或舵机的类型输出PWM波或数字信号控制电机或舵机的转速。

所述的无线通信模块6由无线通信数据链组成，负责微小型飞行机器人与其它微小型飞行机器人或地面站之间的通信。无线通信模块6由微型中央处理模块1管理，发送和接收的数据由微型中央处理模块1决定。无线通信数据链可以提供点对点或组网方式的数据通信。

所述的数据存储模块7负责存储飞行机器人在飞行过程中的状态数据，由flash存储芯片以及外围电路组成。数据存储模块7由微型中央处理模块1管理存储飞行机器人的状态数据，包括接收到的位置、姿态指令数据，以及定位模块2和惯性测量模块4测量到的，并由微型中央处理模块1传送的飞行机器人实际位置、速度、姿态角、角速度数据。

基于上述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，以一定的时间间隔为周期运行控制算法及辅助程序，时间间隔取决于微小型飞行机器人的响应特性等，一般以毫秒为单位。其一般工作流程如图5所示，具体如下：

（1）在每一运算周期中，微型中央处理模块1接收智能预警模块3传送的信息，根据接收到的信息判断系统的工作是否正常；

（2）如果智能预警模块3传送的信息表明系统不处于正常状态，微型中央处理模块1将错误信息以及飞行数据传送给数据存储模块7，使得数据存储器能够记录下相应的错误源以及飞行数据；

（3）如果智能预警模块3传送的信息表明系统处于正常工作状态，则微型中央处理模块1运行如图3所示的集成制导与姿态控制算法（六自由度飞行控制律），运算得出应传送给驱动模块5的指令；

（4）微型中央处理模块1将运算得到的应传送给驱动模块5的指令传送给驱动模块5，驱动模块5根据接收到的指令驱动微小型飞行机器人中相应的电机和舵机等，控制微小型飞行机器人的运转；

（5）微型中央处理模块1将这个过程中的相应的集成制导和控制算法中的数据以及指令数据传送给数据存储模块7，将对应的飞行数据存储。

Claims (10)

1.一种微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：包括微型中央处理模块、定位模块、惯性测量模块、智能预警模块、驱动模块、无线通信模块、数据存储模块，以及电源管理模块；微型中央处理模块负责管理飞行控制系统的各个模块并运行集成制导与姿态控制算法；定位模块用于测量飞行机器人的位置和速度信息并传送给微型中央处理模块；惯性测量模块用于测量飞行机器人的姿态以及角速度信息；智能预警模块监测飞行机器人的飞行状态以便及时发出预警；驱动模块根据微型中央处理模块的指令驱动飞行机器人的作动器；无线通信模块负责飞行机器人与地面站的数据通信；数据存储模块负责存储飞行过程中的数据；电源管理模块负责给整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的集成制导与姿态控制算法，具体为：

微型中央处理模块接收到来自定位模块与惯性测量模块传送的位置测量值、速度测量值、姿态测量值以及角速度测量值；制导环通过比较期望位置，输出期望的力矢量，经过制导控制分配算法，输出期望姿态；姿态控制环通过比较期望姿态，输出期望的机体控制力矩，并经过姿态控制分配算法，输出各个相应模块的指令给驱动模块。

3.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的智能预警模块，完成整个飞行机器人集成控制系统的自动预警功能，根据微型中央处理模块传送的数据监测飞行机器人的运行状态，如果出现异常状态，则提醒微型中央处理模块当前的紧急状况，并由微型中央处理模块通过智能通信定位模块直接向地面站发出相应的错误信息以及飞行机器人当前的状态，从而便于采取人工介入方式处理紧急状况。

4.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述微型中央处理模块由中央处理器及其外围电路组成，中央处理器根据所实现功能以及数据存储量的大小采用普通单片机、ARM嵌入式芯片或DSP芯片。

5.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的数据存储模块负责存储飞行机器人在飞行过程中的状态数据，由flash存储芯片以及外围电路组成；数据存储模块由微型中央处理模块管理存储飞行机器人的状态数据，包括接收到的位置、姿态指令数据，以及定位模块和惯性测量模块输出的飞行机器人实际位置、速度、姿态角、角速度数据。

6.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的定位模块采集包括GPS定位模块、加速度计、气压高度计，以及处理器A；定位模块将采集到的飞行机器人位置信息以及速度信息传送给微型中央处理模块，定位模块中的处理器A将GPS定位模块输出的经纬度坐标信息，加速度计输出的加速度信息，气压高度计输出的高度信息进行数据融合，得到更为精准的位置和速度信息，并将之传送给微型中央处理模块。

7.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的惯性测量模块包括陀螺仪、磁场计，以及处理器B；惯性测量模块将采集计算得到的飞行机器人的姿态以及角速度数据传送给微型中央处理模块；处理器B运行信息融合算法，将陀螺仪输出的角速度信息以及磁场计输出的方位角信息进行融合，得到更为精准的姿态与角速度数据信息，供微型中央处理模块使用。

8.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的智能预警模块完成整个飞行机器人系统的自动预警功能；所述的智能预警模块由蜂鸣器、复位电路和错误判断电路组成，智能预警模块接收微型中央处理模块的位置、速度、角速度以及姿态角数据，对飞行机器人工作状态进行判断。

9.根据权利要求8所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的对飞行机器人工作状态进行判断，具体为：

(1)智能预警模块接收到微型中央处理模块传送的数据以后，开始进入检测周期，如果此时没有复位信号，则转(2)，否则转(5)；

(2)错误判断电路根据微型中央处理模块传送的位置、速度、角速度以及姿态角数据，运行逻辑程序判断飞行机器人是否处于正常工作状态，若处于正常工作状态，则转(1)，否则转(3)；

(3)智能预警模块将错误信息反馈给微型中央处理模块，此时，智能预警模块进入应急响应程序，此时再次检测是否有复位信号，如果检测到复位信号，则转(5)，否则转(4)；

(4)触发蜂鸣器发出警报，同时启动智能通信功能，将错误信息传送给微型中央处理模块，微型中央处理模块通知无线通信模块向地面站系统发出错误信息以及当前的飞行状态；

(5)若有复位信号，即在一定的时间内，人工介入后消除了错误，则智能预警模块自动启动复位工作状态，复位电路复位系统；否则，蜂鸣器将持续发出警报，无线通信模块也将持续发送错误信息。

10.根据权利要求1所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，其特征在于：所述的微小型飞行机器人集成飞行控制系统的工作流程，具体如下：

(1)在每一运算周期中，微型中央处理模块接收智能预警模块传送的信息，根据接收到的信息判断系统的工作是否正常；

(2)如果智能预警模块传送的信息表明系统不处于正常状态，微型中央处理模块将错误信息以及飞行数据传送给数据存储模块，使得数据存储器能够记录下相应的错误源以及飞行数据；

(3)如果智能预警模块传送的信息表明系统处于正常工作状态，则微型中央处理模块运行集成制导与姿态控制算法，得出应传送给驱动模块的指令；

(4)微型中央处理模块将运算得到的应传送给驱动模块的指令传送给驱动模块，驱动模块根据接收到的指令驱动微小型飞行机器人中相应的电机和舵机，控制微小型飞行机器人的运转；

(5)微型中央处理模块将集成制导和控制算法中的数据以及指令数据传送给数据存储模块，将对应的飞行数据存储。