专利名称：四旋翼无人飞行器的飞行控制方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行控制方法和系统，特别涉及一种四个旋翼结构的无人驾驶飞行器的飞行控制方法和系统。
背景技术：
无人机(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人的飞机，它可以在遥控人员的遥控下起飞。目前，无人机因其体积小、重量轻等优点被广泛应用于航空遥感、国土监察、城市规划、水利建设、林业管理、实时监控、空中侦察、影视航拍、广告摄影、军事等多个领域，但安全性、稳定性、性价比高和适应环境能力强等要求仍在不断提高。设计一种高安全性和高稳定性的飞行控制系统成为一种迫切需求。
发明内容
本发明的目的是设计一种四旋翼无人飞行器的飞行控制方法和系统，用于解决四旋翼无人飞行器的飞行控制问题。根据本发明的一个方面，本发明提供的四旋翼无人飞行器的飞行控制方法包括A)导航单元根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据；B)飞行控制单元根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；C)动力驱动单元根据所述四个转速信息，分别调整四个旋翼的转速，控制飞行器状态。具体地，所述步骤A)包括通过惯性测量子单元获取当前飞行姿态数据；通过GPS定位子单元获取当前飞行位置数据；通过磁场强度传感器获取当前飞行方向数据；通过压力传感器获取当前飞行高度数据。具体地，所述步骤B)包括飞行控制单元接收地面控制站的遥控信号；飞行控制单元根据遥控信号确定飞行方向，并根据遥控信号和所述当前飞行高度数据调整飞行姿态；飞行控制单元利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速信息。
具体地，所述步骤B)包括飞行控制单元根据所述导航信息、所述当前飞行位置数据和所述当前飞行方向数据确定目标航点，得到目标航点位置数据和目标航点高度数据；飞行控制单元根据目标航点位置数据和所述当前飞行位置数据确定飞行方向，并根据目标航点高度数据和所述当前飞行高度数据调整飞行姿态； 飞行控制单元利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速
fn息ο 具体地，所述步骤C)包括当四个旋翼的转速同时增大/减小时，飞行器向上/下飞行，实现飞行器升降；当前侧旋翼的转速大于后侧旋翼的转速时，飞行器向后飞行；当后侧旋翼的转速大于前侧旋翼的转速时，飞行器向前飞行；当改变前-后侧旋翼和左-右侧旋翼的转速时，飞行器实现旋转；当左/右侧旋翼的转速大于右/左侧旋翼的转速时，飞行器向右/左飞行；其中，前侧和后侧旋翼是逆时针旋转的无刷直驱电机，左侧和右侧旋翼是顺时针旋转的无刷直驱电机。所述飞行器没有收到遥控信号时，四个旋翼转速相同，使飞行器悬停。所述飞行控制方法还包括所述飞行数据通过无线收发单元发送至地面控制站，以便遥控人员根据地面控制站接收的所述飞行数据遥控飞行器飞行姿态。 所述飞行控制方法还包括伺服控制单元控制机载设备旋转，以使所述机载设备实现机载任务。根据本发明的另一方面，本发明提供的一种四旋翼无人飞行器的飞行控制系统包括导航单元，用于根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据；飞行控制单元，用于根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；动力驱动单元，用于根据所述四个转速信息，分别调整其四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。所述飞行控制系统还包括伺服控制单元，用于控制机载设备旋转以使所述机载设备实现机载任务；数据存储单元，用于实时存储飞行器的飞行数据；无线收发单元，用于实时将飞行数据发送到地面控制站，以及接收地面控制站的遥控信号。所述飞行控制系统还包括供电单元，用于提供所述飞行控制系统正常工作需要的电压和功率。所述导航单元包括惯性测量子单元，用于获取当前飞行姿态数据；GPS定位子单元，用于获取当前飞行位置数据；磁场强度传感器，用于获取当前飞行方向数据；压力传感器，用于获取当前飞行高度数据。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于，本发明提供了四旋翼无人飞行器的飞行控制方法和系统，硬件集成度高，灵活性高，能够满足高安全性，高稳定性的要求。
图1是本发明提供的四旋翼无人飞行器的飞行控制方法流程图；图2是本发明提供的四旋翼无人飞行器的飞行控制系统原理框图；图3是本发明提供的飞行控制单元原理框图；图4是本发明提供的导航单元原理框图；图5是本发明提供的惯性测量子单元原理框图。具体实现方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。图1显示了本发明提供的四旋翼无人飞行器的飞行控制方法流程图，如图1所示， 包括以下步骤SlOl 导航单元根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据；S102:飞行控制单元根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；S103:动力驱动单元根据所述四个转速信息，分别调整四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。具体地，所述步骤SlOl包括通过惯性测量子单元获取当前飞行姿态数据；通过GPS定位子单元获取当前飞行位置数据；通过磁场强度传感器获取当前飞行方向数据；通过压力传感器获取当前飞行高度数据。具体地，所述步骤S102包括飞行控制单元接收地面控制站的遥控信号；飞行控制单元根据遥控信号确定飞行方向，并根据遥控信号和所述当前飞行高度数据调整飞行姿态；飞行控制单元利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速
fn息ο具体地，所述步骤S102包括飞行控制单元根据所述导航信息、所述当前飞行位置数据和所述当前飞行方向数据确定目标航点，得到目标航点位置数据和目标航点高度数据；飞行控制单元根据目标航点位置数据和所述当前飞行位置数据确定飞行方向，并根据目标航点高度数据和所述当前飞行高度数据调整飞行姿态；飞行控制单元利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速
信息ο具体地，所述步骤S103包括当四个旋翼的转速同时增大/减小时，飞行器向上/下飞行，实现飞行器升降；当前侧旋翼的转速大于后侧旋翼的转速时，飞行器向后飞行；当后侧旋翼的转速大于前侧旋翼的转速时，飞行器向前飞行；当改变前-后侧旋翼和左-右侧旋翼的转速时，飞行器实现旋转；
当左/右侧旋翼的转速大于右/左侧旋翼的转速时，飞行器向右/左飞行；其中，前侧和后侧旋翼是逆时针旋转的无刷直驱电机，左侧和右侧旋翼是顺时针旋转的无刷直驱电机。所述飞行器没有收到遥控信号时，四个旋翼转速相同，产生与重力大小相同，方向相反的的力，使飞行器悬停。所述飞行控制方法还包括所述飞行数据通过无线收发单元发送至地面控制站，以便遥控人员根据地面控制站接收的所述飞行数据遥控飞行器飞行姿态。所述飞行控制方法还包括伺服控制单元控制机载设备旋转，以使所述机载设备实现机载任务。图2显示了本发明提供的四旋翼无人飞行器的飞行控制系统原理框图，如图2所示，飞行控制系统包括导航单元，用于根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据。具体地说，所述导航单元分别通过惯性测量子单元、GPS定位子单元和磁场强度传感器、压力传感器、温度传感器获取当前飞行姿态数据、当前飞行位置数据、当前飞行高度数据、环境温度数据。飞行控制单元，用于根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息。具体地说，所述飞行控制单元根据无线收发单元接收的遥控信号确定飞行方向，根据无线收发单元接收的遥控信号和飞行高度数据调整飞行姿态，并根据所述飞行方向和所述飞行姿态确定所述四个转速信息。具体地说，所述飞行控制单元根据所述导航信息、所述当前飞行位置数据和所述当前飞行方向数据确定目标航点，得到目标航点位置数据和目标航点高度数据，并根据目标航点位置数据和所述当前飞行位置数据确定飞行方向，根据目标航点高度数据和所述当前飞行高度数据调整飞行姿态，然后，利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速信息。动力驱动单元，用于根据所述四个转速信息，分别调整其四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。具体地说，当四个旋翼的转速同时增大/减小时，飞行器向上/下飞行，实现飞行器升降；当改变前-后侧旋翼和左-右侧旋翼的转速时，飞行器实现旋转；当后侧旋翼的转速大于前侧旋翼的转速时，飞行器向前飞行；当前侧旋翼的转速大于后侧旋翼的转速时， 飞行器向后飞行；当左/右侧旋翼的转速大于右/左侧旋翼的转速时，飞行器向右/左飞行；其中，前侧和后侧旋翼是逆时针旋转的无刷直驱电机，左侧和右侧旋翼是顺时针旋转的无刷直驱电机；所述飞行器没有收到遥控信号时，四个旋翼转速相同，使飞行器悬浮。伺服控制单元，用于控制机载设备旋转以使所述机载设备实现机载任务。具体地， 所述伺服控制单元包括伺服控制器和伺服电机，当控制数码相机和摄像机等机载设备时， 能够进行各种视频影像的记录。数据存储单元，用于实时存储飞行器的飞行数据。例如，选用MMC/SD记忆卡实时记录飞行数据。无线收发单元，用于实时将飞行数据发送到地面控制站，以及接收地面控制站的遥控信号；具体地说，无线收发单元通过微波的形式将所述飞行数据发送到地面控制站，当机载设备是数码相机和摄像机时，还可以将拍摄的各种视频影像实时传送到地面控制站。供电单元，用于提供所述飞行控制系统正常工作需要的电压和功率。例如，选用2300mAh 14. 8V锂聚合物电池为系统中各个单元提供5V和3. 3V的稳定电源。所述导航单元根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据，并通过高速总线传输至所述飞行控制单元；所述飞行控制单元根据所述飞行数据、遥控信号或导航信息，得到控制四个旋翼的四个转速信息，并通过高速总线将所述四个转速信息传输至所述动力驱动单元；所述动力驱动单元根据四个转速信息分别调整四个旋翼的转速，实时动态地调整飞行器的飞行姿态。所述飞行控制单元与所述数据存储单元相连接，实现飞行数据的实时存储记录； 所述飞行控制单元与所述无线收发单元相连接，将飞行器当前的飞行数据实时下载到地面控制站，使地面控制站的遥控人员能够有效把控飞行器的飞行情况，并做出准确操作；所述飞行控制单元与所述伺服控制单元相连接，能有效实现相关机载任务。图3显示了本发明提供的飞行控制单元原理框图，如图3所示，所述飞行控制单元包括高度控制子单元和位置控制子单元，用于通过高速通讯接口接收来自导航单元的飞行数据，还可以在遥控信号遥控幅度过大时，自动调整飞行高度、飞行姿态和飞行位置， 使本发明飞行器控制系统稳定性更高，从而使人工遥控操作更加简便易行。飞行控制处理器，用于根据飞行数据、遥控信号或导航信息进行数据处理，并生成控制动力驱动单元四个旋翼旋转的四个转速信息。电机控制子单元，用于利用飞行控制处理器生成的四个转速信息，分别调整相应旋翼的转速。所述飞行控制单元还可以包括蜂鸣器，用于根据飞行器的状态，提示或告警。图4显示了本发明提供的导航单元原理框图，如图4所示，所述导航单元包括惯性测量子单元，用于获取当前飞行姿态数据。GPS定位子单元，用于采集当前飞行位置数据。磁场强度传感器，用于获取当前飞行方向数据。压力传感器，用于采集当前飞行高度数据。温度传感器，用于采集环境温度数据。自适应滤波器，用于将输入的所述飞行姿态数据、所述当前飞行位置数据、所述当前飞行方向数据和所述环境温度数据进行滤波处理。模数转换器，用于将所述压力传感器采集的模拟的飞行高度数据转换为数字的飞行高度数据。所述模数转换器优选M位模数转换器。图5显示了本发明提供的惯性测量子单元原理框图，如图5所示，所述惯性测量子单元用于测量飞行器的飞行姿态，包括陀螺仪横向、陀螺仪轴向和陀螺仪垂直轴向，用于分别采集横向角速度、轴向角速度和垂直轴向角速度；加速度传感器，用于采集飞行器的横向加速度、轴向加速度和垂直轴向加速度，是一个三轴加速度传感器；模数转换器，用于将包含横向角速度、轴向角速度、垂直轴向角速度，横向加速度、轴向加速度和垂直轴向加速度的模拟的飞行姿态数据转换为数字的飞行姿态数据。与现有技术相比，本发明提供了四旋翼无人飞行器的飞行控制方法与系统，具有硬件集成度高、灵活性高、系统稳定性高、维护成本低，以及高安全性和稳定性的优点。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所做的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
权利要求
1.四旋翼无人飞行器的飞行控制方法，其特征在于，所述飞行控制方法包括A)导航单元根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据；B)飞行控制单元根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息， 生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；C)动力驱动单元根据所述四个转速信息，分别调整四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。
2.根据权利要求1所述的飞行控制方法，其特征在于，所述步骤A)包括 通过惯性测量子单元获取当前飞行姿态数据；通过GPS定位子单元获取当前飞行位置数据； 通过磁场强度传感器获取当前飞行方向数据； 通过压力传感器获取当前飞行高度数据。
3.根据权利要求1所述的飞行控制方法，其特征在于，所述步骤B)包括 飞行控制单元接收地面控制站的遥控信号；飞行控制单元根据遥控信号确定飞行方向，并根据遥控信号和当前飞行高度数据调整飞行姿态；飞行控制单元利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速信息。
4.根据权利要求1所述的飞行控制方法，其特征在于，所述步骤B)包括飞行控制单元根据所述导航信息、所述当前飞行位置数据和所述当前飞行方向数据确定目标航点，得到目标航点位置数据和目标航点高度数据；飞行控制单元根据目标航点位置数据和所述当前飞行位置数据确定飞行方向，并根据目标航点高度数据和所述当前飞行高度数据调整飞行姿态；飞行控制单元利用所述飞行方向和所述飞行姿态，生成控制四个旋翼的四个转速信息。
5.根据权利要求1所述的飞行控制方法，其特征在于，所述步骤C)包括 当四个旋翼的转速同时增大/减小时，飞行器实现升降；当前侧旋翼的转速大于后侧旋翼的转速时，飞行器向后飞行； 当后侧旋翼的转速大于前侧旋翼的转速时，飞行器向前飞行； 当改变前-后侧旋翼和左-右侧旋翼的转速时，飞行器实现旋转； 当左/右侧旋翼的转速大于右/左侧旋翼的转速时，飞行器向右/左飞行； 其中，前侧和后侧旋翼是逆时针旋转的无刷直驱电机，左侧和右侧旋翼是顺时针旋转的无刷直驱电机。
6.根据权利要求5所述的飞行控制方法，其特征在于，飞行器没有收到遥控信号时，四个旋翼转速相同，使飞行器悬停。
7.根据权利要求1所述的飞行控制方法，其特征在于，所述飞行控制方法还包括所述飞行数据通过无线收发单元发送至地面控制站，以便遥控人员根据地面控制站接收的所述飞行数据遥控飞行器飞行姿态。
8.根据权利要求1所述的飞行控制方法，其特征在于，所述飞行控制方法还包括 伺服控制单元控制机载设备旋转，以使所述机载设备实现机载任务。
9.四旋翼无人飞行器的飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统包括导航单元，用于根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据； 飞行控制单元，用于根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；动力驱动单元，用于根据所述四个转速信息，分别调整其四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。
10.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统还包括 伺服控制单元，用于控制机载设备旋转以使所述机载设备实现机载任务； 数据存储单元，用于实时存储飞行器的飞行数据；无线收发单元，用于实时将飞行数据发送到地面控制站，以及接收地面控制站的遥控信号。
11.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其特征在于，所述导航单元包括 惯性测量子单元，用于获取当前飞行姿态数据；GPS定位子单元，用于获取当前飞行位置数据； 磁场强度传感器，用于获取当前飞行方向数据； 压力传感器，用于获取当前飞行高度数据。
全文摘要
本发明公开了四旋翼无人飞行器的飞行控制方法和系统，所述飞行控制方法包括导航单元根据飞行器当前飞行状态得到当前飞行数据；飞行控制单元根据所述飞行数据、地面控制站发送的遥控信号或预存的导航信息，生成分别控制四个旋翼的四个转速信息；动力驱动单元根据所述四个转速信息，分别调整四个旋翼的转速，控制飞行器姿态。本发明提供的四旋翼无人飞行器的飞行控制系统具有硬件集成度高、灵活性高、系统稳定性高、噪音小和维护成本低等优点。
文档编号G05D1/10GK102591350SQ201110002329
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者安康 申请人:佛山市安尔康姆航拍科技有限公司