专利名称：无人机姿态增稳装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于倾角传感器的无人机姿态增稳装置，尤其是使难于操控的超小型无人直升机安全稳定飞行，属于超小型无人机技术领域。
背景技术：
超小型无人机无需机载驾驶员，能大大降低驾驶员的风险；其特征尺寸可在80cm～200cm之间，非常轻便、灵活、易于携带；同时还能大大降低成本，在军民两方面都能发挥重要作用。但超小型无人机难操作，尤其是新手，常有摔机的风险，大大限制了超小型无人机的推广使用。鉴于此种情况，国内外很多大公司、大学等研究机构，纷纷开展了无人机自主飞行控制、导航的研究，但还未见有成熟产品的报道，均还在试飞调试阶段，到推广应用还有很长的一段路要走。
发明内容
本发明旨在开发一种局部自主加遥控的飞控方式，将最难控制的两个通道——俯仰和横滚由增稳系统稳定控制，以达到大大降低操作难度和飞行风险，大大提高飞行稳定性等目的。
本发明的构思是本发明设计提供了一种基于倾角传感器的无人机姿态增稳装置，由一水平倾角传感器将无人机俯仰和横滚姿态角实时反馈给控制板上的单片机，由储存于单片机中的控制软件来稳定无人机姿态。该增稳装置与无人机遥控系统串联，既可由遥控手自由操控无人机，又可由本发明的增稳系统将无人机稳定在安全范围内任意姿态。若遥控手遇到紧急情况不知所措时，只需撒手不管俯仰、横滚通道的遥控杆，本发明的增稳装置会使无人机自动回到水平姿态。当遥控手动作过大，使无人机姿态超过安全飞行范围(可根据操控手的实际操控能力，自行设定限位角)时，本发明的增稳装置会使无人机自动回到水平姿态，能及时避免摔机危险。本发明中还设置了一遥控输入通道，让操控手方便灵活选择自由操控或增稳操控。该输入通道还能用于在线修正倾角传感器的水平中位和舵机中位，提高了该增稳装置的环境适应能力和飞行稳定性、可靠性，确保无人机姿态平稳。
根据上述构思，本发明采用如下技术方案该姿态增稳装置结构上采用小巧的层叠结构，将水平倾角传感器安装在壳体下部，控制线路板安装在壳体上部，其对外连接的信号输入输出端口、串行口及JTAG程序写入口紧凑地安排在顶盖上。
该姿态增稳装置控制电路结构为首先将增稳装置串联于遥控接收机和舵机之间，由一控制方式切换开关来方便灵活选择自由操控或增稳操控方式，还是需在线修正倾角传感器的水平中位和舵机中位值；然后无人机俯仰、横滚姿态的遥控信息和水平倾角传感器感测到的俯仰、横滚姿态角都实时传送给控制线路板上的单片机，由储存于单片机中的控制软件得到输出信息，从输出端口输出到无人机上的俯仰、横滚姿态控制舵机。控制线路板上的串行口供单片机和上位机(笔记本或台式PC机)之间的离线数据通信。
上述的水平倾角传感器采用NS-45/E2型双轴倾角传感器。
上述的控制方式切换开关由遥控装置上的一三态通道构成。
上述的单片机采用C8051F021型。
上述的串行口采用单片机C8051F021上集成的UART口。
该姿态增稳装置控制软件的实现步骤是1)开机自检及初始化；2)读控制方式切换开关的脉宽，以此判断是需在线修正倾角传感器的水平中位和舵机中位值，还是姿态增稳，以便转入相应的处理程序段——步骤3)和步骤4)；3)中值修正；4)读取俯仰、横滚姿态角，若无人机俯仰、横滚姿态角超过限位角或连续3个周期为中位值(即遥控手撒开遥控手柄)则采用PD控制算法得到让飞行姿态回中的脉宽值，否则自稳于当前姿态或遥控直通的脉宽值作为新的输出值；5)将上述新的脉宽值输出到俯仰、横滚舵机。
本发明的姿态增稳装置结构简单、尺寸小、重量轻、操作灵活、稳定性好、成本低、可靠性高、易于实现。大大提高了无人机的飞行稳定性，是无人机遥控新手的好帮手、是实现轻松航线飞行的好助手，还可用于云台增稳。
图1是本发明的一个实施例的结构示意图。
图2是图1示例的安装使用电路框图。
图3是图1示例的电路原理图。
图4是图1示例的写入单片机的控制软件流程图。
具体实施例方式
本发明的一个优选实施例是参见图1，无人机姿态增稳装置中，控制线路板4由四根螺栓3连接传感器2并固定在壳体1中，盖5封住顶部。对外连接的信号输入端口6、7、8，无人机姿态控制信号输出端口9、10，数据通信串行口11，和程序写入口JTAG12都从盖5的窗口中伸出。传感器2的姿态角信息从接口14输出，经控制线路板4上接口13输入到单片机中。
参见图2，增稳装置串联于遥控接收机和舵机之间，无人机俯仰、横滚姿态的遥控信息分别从8、7输入到单片机中，传感器2的俯仰、横滚姿态角信息从接口14经接口13进入单片机模拟输入口，单片机的俯仰、横滚姿态控制信息分别从10、9输出到控制舵机，从而稳定无人机的姿态。由控制方式切换开关6来方便灵活选择自由操控或增稳操控方式，还是需在线修正倾角传感器的水平中位和舵机中位值。
参见图3，NS-45/E2为倾角传感器2，其模拟量输出X、Y分别输入到单片机C8051F021的模拟输入端口AIN0.0、AIN0.1。接收机的遥控通道1、2和8分别输入到输入端口7、8、6，经单片机的I/O口P1.1、P1.0、P1.2进入单片机。单片机的俯仰、横滚姿态控制信息分别经单片机的I/O口P0.3、P0.2输出到接口10、9。串口11的Tx、Rx分别经单片机的I/O口P0.0、P0.1连接到接口11。
附图4是写入单片机C8051F021的控制软件流程图。
权利要求
1.一种无人机姿态增稳装置，包括一个倾角传感器(2)，其特征在于倾角传感器(2)的俯仰姿态角和横滚姿态角信号输入端口(14)连接一个控制板(4)上的单片机(15)的输入口(13)，单片机(15)还有输入端口(8、7、6)分别用于连接接收机(19)的俯仰信号输入通道、横滚信号输入通道和切换控制方式信号通道的输出口；单片机(15)有两个脉宽信号输出信号通道端口(9、10)分别用于连接俯仰舵机(17)和横滚舵机(18)的输入口。
2.根据权利要求1所述的无人机姿态增稳装置，其特征在于倾角传感器(2)安装在一个壳体(1)的下部；控制板(4)安装在壳体(1)的中部；连接接收机(19)和俯仰信号输入通道、横滚信号输入通道和切换控制方式信号通道的输入端口(8、7、6)以及连接俯仰舵机(17)和横滚舵机(18)的脉宽信号输出通道的输出端口(9、10)安排在壳体(1)的顶盖(5)上；还有数据通讯串行口(11)和程序写入口(12)从壳体(1)的顶盖(5)的窗口中伸出。
3.根据权利要求1或2所述的无人机姿态增稳装置，其特征在于电路结构为采用C8051F021型单片机，其17和18脚连接由两个电容(C14、C15)和一个晶振(Y1)组成的电炉；其5、6、8、9和10脚构成输入口(13)而经四个电阻(R1、R2、R3、R4)组成的连接电路连接倾角传感器(2)的俯仰姿态角和横滚姿态角信号输出端口(14)；其28、29、30脚连接接收机(19)的俯仰信号输入通道、横滚信号输入通道和切换控制方式信号通道的输入端口(8、7、6)；其61、60、59和58脚连接程序写入口(12)；其55和54脚通过MAX232型芯片连接数据通讯串行口(11)；而其53和52脚通过两个电阻(R5、R6)组成的电路连接俯仰舵机(17)和横滚舵机(18)的脉宽信号输出通道的输出端口(9、10)。
4.根据权利要求1或3所述的无人机姿态增稳装置，其特征在于倾角传感器(2)采用NS-45/E2型双轴倾角传感器，连接切换控制方式通道的输入口(6)为三态通道输入口；数据通讯串行口(11)采用单片机上集成的UART口。
5.一种用于权利要求1所述的无人机姿态增稳装置的控制方法，其特征在于由写入单片机(15)的软件程序实现控制步骤，具体为a.开机自检及初始化；b.读控制方式切换信号的脉宽，以此判断是需在线修正倾角传感器(2)的水平中位和舵机中位值，还是姿态增稳，以便转入相应的处理程序段—步骤c和步骤d；c.中值修正；d.读取俯仰、横滚姿态角，若无人机俯仰、横滚姿态角超过限位角或连续3个周期为中位值(即遥控手撤开遥控手柄)，则采用PD控制算法得到让飞行姿态回中的脉宽值，否则自稳于当前姿态或遥控直通的脉宽值作为新的输出值；e.将上述新的脉宽值输出到俯仰、横滚舵机。
全文摘要
本发明涉及一种无人机姿态增稳装置，它包括壳体、盖、安装在壳体下部的水平倾角传感器和上部的控制线路板以及对外连接的信号输入输出端口和串行口。其控制电路结构为水平倾角传感器将感测到的无人机俯仰和横滚姿态角实时反馈给控制线路板上的单片机，由储存于单片机中的控制软件得到输出信息，从输出端口输出。本发明的姿态增稳装置尺寸小、重量轻，大大提高了无人机的飞行稳定性，是无人机遥控新手的好帮手，是实现轻松航线飞行的好助手，还可用于云台增稳。
文档编号B64C13/00GK1569563SQ20041001795
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者谢少荣, 罗军, 蒋蓁, 邓寅喆, 陈锴夏 申请人:上海大学