CN102902276A - 一种基于偏振光传感器的飞行控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于偏振光传感器的飞行控制系统，属无人机飞行控制技术领域。该系统包括传感器模块、GPS模块、飞控计算机、执行模块和数据链路模块。其特征是传感器模块中的偏振光传感器输出飞机的航向角，为导航系统提供飞机的航向信息。传感器模块中的陀螺仪、加速度计和气压传感器通过I2C总线将测得的数据发送到飞控计算机，飞控计算机通过指定算法解算出飞机的姿态和高度信息。GPS模块为飞控计算机提供飞机的位置信息。执行模块作为系统的输出，实现对飞机姿态和航向的控制。数据链路模块实现地面和飞行平台间的通信。本发明的效果和益处是采用了偏振光传感器为飞控系统提供航向角信息，具有实时性高、误差小、响应速度快、鲁棒性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人机飞行控制技术领域，具体涉及的是一种将偏振光传感器和飞行控制功能高度集成的无人机导航/飞行控制系统。
背景技术
无人机是利用无线电遥控设备或自备程序控制装置操纵的不载人飞机，随着科学技术的进步，无人机技术已经进入全面发展时期。无人机应用范围的扩大对其提出了更高的要求，作为无人机“大脑”的飞行控制系统也越来越受到重视。
随着微型制造技术和MEMS技术的发展，微型MEMS陀螺仪和加速度计迅速发展起来，为实现小型无人机飞行控制系统的设计和研制提供了技术支持。目前，大多数的无人机飞行控制系统基本都是通过基于三个正交安装的陀螺仪和加速度计构成的微小型测量单元（IMU）与GPS进行组合导航，采用GPS或磁罗盘提供航向角信息，实现小型无人机的姿态、位置和航向的测量，在此基础上对小型无人机进行控制，实现导航自主飞行。其核心姿态测量算法是捷联解算和组合导航的Kalman滤波。如美国的AP50XL、加拿大的MP2028，国内的YS09、iFLY40等飞行控制系统均是采用上述导航原理。航向角的测量主要采用GPS或磁罗盘。然而，GPS的更新速率有限，且航向角的测量精度较低，而磁罗盘虽然测量精度较高，但是极易受到外界环境的干扰。
发明内容
本发明提供一种适合一般无人机飞行器的飞行控制系统，该系统采用偏振光传感器为飞控系统提供飞机的航向信息，该偏振光传感器具有对环境的鲁棒性高、精度高、实时性好等优点，解决了由GPS或磁罗盘提供航向角所带来的更新速率慢、容易受到干扰等问题，能够提供更加精确的航向信息，满足导航系统的严格要求。
本发明采用如下技术方案：
一种基于偏振光传感器的飞行控制系统如图2所示，包括传感器模块、GPS模块、飞控计算机、执行模块和数据链路模块。传感器模块和GPS模块实时测量无人机的姿态、航向和位置信息，飞控计算机通过对传感器模块数据的读取、处理和计算，把结果转化为相关执行参数发送给执行模块，从而实现对飞机姿态和航向的控制。数据链路模块主要用于飞行控制系统和地面站及地面操控人员进行信息交互。
传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压传感器和偏振光传感器。其中，陀螺仪和加速度计主要用于无人机姿态的测量，气压传感器用于测量无人机高度，偏振光传感器用于测量无人机的航向。
GPS模块主要用于提供无人机当前经纬度信息，为导航提供依据。
飞控计算机是整个飞行控制系统的处理核心，飞控计算机通过读取传感器和GPS的数据，经过适当的处理和计算，得出飞机当前姿态和航向信息，并根据预设轨迹，解算出飞机航向和姿态的控制量，再将控制量转化成指定占空比的PWM控制信号，输出到执行模块。同时，飞控计算机能够与地面站进行实时通信，将飞机当前姿态和航向等信息发送到地面站，并接收地面站发送的指令和数据信息，更改飞行轨迹。
执行模块主要包括电子调速器和舵机。电子调速器和舵机均采用固定周期的PWM信号进行控制，通过改变PWM信号的占空比，可以控制电机的转速和舵机臂的摆角，从而实现对飞机速度和姿态的控制。
数据链路模块包括遥控接收机和机载电台两个部分。其中，遥控接收机和地面操控人员所使用的遥控器配套，可以实时接收遥控器发送的控制指令，实现手动飞行和飞行模式切换的功能。机载电台与地面站的电台配套，可实现数据和指令的双向传输。
本发明的效果和益处是：
本发明为一般无人机飞行器的飞行控制系统提供一种整体有效的解决方案。采用偏振光传感器为飞行控制系统提供航向信息，相对于传统的航向传感器具有速度快、精度高、稳定性好和实时性高的特点。采用超小型、低功耗的STM32F103处理器作飞控计算机，具有丰富的外设，方便扩展。采用的陀螺仪、加速度计、气压传感器均为数字传感器，具有标准的I2C协议接口，飞控计算机通过I2C总线读取各传感器数据，节约硬件资源。本发明具有成本低、误差小、响应速度快、鲁棒性强等优点。
附图说明
图1是飞行控制系统构成框图。
图2是飞行控制系统结构图。
图3是I2C总线接口图。
图4是偏振光传感器导航原理图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明主要包括传感器模块、GPS模块、飞控计算机、执行模块和数据链路模块。传感器模块和GPS模块实时测量无人机当前姿态、高度、航向和位置信息，并发送给飞控计算机，再由飞控计算机进行数据解算，转化成控制指令发送给执行模块，数据链路模块实现飞行平台和地面站的通信。
飞控计算机采用意法半导体公司的STM32F103型号处理器。该信号处理器集成丰富的外设资源，能减小飞控系统的体积和重量，使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器。运算速度快、精度高，能够提高姿态解算水平和控制输出精度。
传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、数字气压传感器和偏振光传感器。其中陀螺仪、加速度计和气压计均采用MEMS传感器，具有体积小、重量轻、精度高的特点。陀螺仪具有±250dps量程；加速度计量程可达±16g，最高分辨率为4mg/LSB；气压计绝对精度达到3.0hPa。陀螺仪、加速度计和气压计均为数字型传感器，具有标准的I2C协议接口。因此，采用如图3所示的I2C总线协议读取陀螺仪、加速度计和气压计数据。偏振光传感器精度可达±1.0°，采用USART读取偏振光传感器数据。
GPS模块更新速率为4Hz，将GPS输出的数据通过USART接口送入飞控计算机进行解算，得到无人机的经纬度和速度信息。
通过读取陀螺仪和加速度计所测量的数据，飞控计算机对传感器数据进行滤波处理，过滤有害噪声后，结合相应的算法对飞机姿态进行解算，获得飞机当前姿态角。
飞控计算机通过USART接口读取偏振光传感器数据，获得飞机当前航向角。
执行模块包括电子调速器和舵机。飞控计算机通过PWM输出接口向电子调速器、舵机输出控制指令，保持或改变飞机当前姿态，从而保持或改变飞机的航线和高度，完成控制指令的执行。
数据链路模块包括遥控接收机和机载电台。飞控计算机通过对遥控接收机PPM信号的解码，识别遥控器发出的动作指令，实现手动飞行和模式间切换的功能。机载电台通过USART接口与飞控计算机相连。机载电台和地面站电台对应，实现数据或指令的双向传输，地面站可随时将控制指令或数据上传到飞行平台，飞行平台可以将数据实时发送到地面站，供地面人员监控飞机状态。
如图4所示，为偏振光传感器导航原理图。仿照昆虫复眼结构设计的偏振光导航传感器，对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进行导航。该偏振光传感器输出的是载体的方位角，搭载在无人机上的偏振光传感器可以实时、准确地输出飞机的实际航向角。根据GPS测得的飞机当前位置信息和预定轨迹的目标航点信息，可以计算出飞机的目标航向角。根据目标航向角与实际航向角，求得航向角偏差作为航向PID控制器的输入。再根据飞机姿态和飞机航向的基本关系，经过输出限制器，得到飞机的目标姿态角。
姿态传感器包括陀螺仪和加速度传感器。通过读取陀螺仪和加速度计所测量的数据，对传感器数据进行滤波处理，过滤有害噪声后，结合相应的算法对飞机姿态进行解算，获得飞机当前姿态角。
根据目标姿态角和实际姿态角，求出姿态角偏差，输入到姿态PID控制器中，经过输出限制器，最终输出控制舵机的PWM信号，保持或改变飞机的姿态，从而保持或改变飞机的航向，实现导航控制。
导航过程中重要的参数信息通过数据链路模块实时地传送到地面站，地面人员可以监控飞机的飞行状态。
本发明提出一种先进的航向角测量方法，采用偏振光传感器为飞控系统提供飞机的航向信息，该偏振光传感器具有对环境的鲁棒性高、精度高、实时性好等优点，能投提供更加精确的航向信息，满足导航系统的严格要求。本发明具有成本低、误差小、响应速度快、鲁棒性强等优点。
Claims (5)
1.一种基于偏振光传感器的飞行控制系统，包括传感器模块、GPS模块、飞控计算机、执行模块和数据链路模块，其特征在于：所述的传感器模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压传感器和偏振光传感器；其中，所述的陀螺仪、加速度计和气压传感器均为数字传感器，飞控计算机通过I2C接口读取传感器相关数据；所述的偏振光传感器通过串口将数据送入到飞控计算机；所述的GPS模块包括GPS天线和GPS接收机，GPS数据通过串口送入到飞控计算机；所述的飞控计算机产生PWM信号向舵机和电子调速器输出控制指令；数据链路模块包括遥控接收机和机载电台，实现地面和飞行平台间的通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振光传感器的飞行控制系统，其特征在于：采用偏振光传感器为飞行控制系统提供航向信息，作为系统导航的重要参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振光传感器的飞行控制系统，其特征在于：所述的陀螺仪、加速度计、气压传感器均采用数字传感器，飞控计算机通过I2C总线读取各传感器数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振光传感器的飞行控制系统，其特征在于：所述的飞控计算机采用STM32F103型号处理器。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏振光传感器的飞行控制系统，其特征在于：所述的遥控接收机输出PPM信号，飞控计算机通过对PPM信号进行解码，检测遥控器的各个动作。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130130 |