一種用于旋翼無人機的低空自主導航系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種旋翼無人機的算法控制技術，特別涉及一種讓旋翼無人機保持在 低空進行自動飛行的控制技術。
【背景技術】
[0002] 隨著現(xiàn)代信息技術、微電子技術和新材料技術的迅速發(fā)展，對空間數(shù)據(jù)的需求再 急速的擴大，在農(nóng)林業(yè)檢測、環(huán)境與災害監(jiān)測、水文地質勘查、數(shù)據(jù)化城鎮(zhèn)規(guī)劃等各個領域 都需要大量實時的空間數(shù)據(jù)。如何快速獲取這些空間數(shù)據(jù)已經(jīng)成為當今熱點的研究問題。
[0003] 旋翼飛行器應用在農(nóng)林業(yè)中，主要是基于它的成本低、體積小、能垂直起降和自主 導航等特性。在農(nóng)林業(yè)采集空間數(shù)據(jù)時，旋翼無人機能夠自主導航，并且飛行的穩(wěn)定性高， 能夠定點懸停進行空間數(shù)據(jù)的采集，能更有利的獲取清晰而準確的農(nóng)林信息，是作為農(nóng)林 信息采集的有效載體。
[0004] 傳統(tǒng)的測量方法有衛(wèi)星遙感、大飛機航拍、定點攝像、手持或車載式信息采集等。 但是這些傳統(tǒng)的測量方法在某些情況下是不適用的，并且會大大的提高成本，這就帶來了 許多的問題：
[0005] 1.傳統(tǒng)的測量方法受地區(qū)天氣影響巨大，對采集的數(shù)據(jù)干擾大，如：四川盆地的 多云霧天氣，這時候利用衛(wèi)星和大飛機為平臺的航空航天測量經(jīng)常受云層遮擋獲取，很難 拍攝到重疊度符合要求的高分辨率影像。
[0006] 2.在農(nóng)林業(yè)方面，由于我國作物種植情況復雜，作物品種多樣，農(nóng)戶規(guī)模較小，在 較小范圍內(nèi)實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的情況下，傳統(tǒng)測量方法達不到要求，并且成本高，低空農(nóng)田信息 獲取系統(tǒng)有著更好的發(fā)展前景。
[0007] 3.大型固定翼飛機的航拍需要滑翔跑到，對場地的要求嚴格，不能垂直起降，不能 滿足場地要求的情況下則不能適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種旋翼無人機的低空自主導航系 統(tǒng)，讓旋翼無人機利用低空自主導航系統(tǒng)進行低空數(shù)據(jù)采集，彌補了衛(wèi)星光學遙感和普通 航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。
[0009] 本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：
[0010] 一種用于旋翼無人機的低空自主導航系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)采集裝置、ARM處理器，所述 ARM處理器內(nèi)置數(shù)據(jù)預處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、制導控制回路模塊和姿態(tài)控制回路模塊；
[0011] 所述數(shù)據(jù)預處理模塊用于對數(shù)據(jù)采集裝置采集的旋翼無人機的當前位置速度數(shù) 據(jù)信息進行過樣濾波和誤差補償；
[0012] 所述數(shù)據(jù)融合模塊用于對經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理模塊處理的當前位置數(shù)據(jù)信息進行融 合和更新，并獲取旋翼無人機的當前位置及速度；
[0013] 所述制導控制回路模塊用于根據(jù)旋翼無人機自主飛行時的目標航路點和實際位 置之間的誤差得到期望姿態(tài)角和期望高度值；
[0014] 所述姿態(tài)控制回路模塊用于根據(jù)期望姿態(tài)角和期望高度值計算出油門、俯仰、橫 滾和航向的控制量控制旋翼無人機自主飛行。
[0015] 優(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)采集裝置包含加速度計、陀螺儀、磁力計、GPS、光流圖像傳感 器以及超聲波測距儀，其中加速度計、陀螺儀和磁力計對飛行狀態(tài)下的旋翼無人機進行姿 態(tài)矩陣的量測，GPS，光流圖像傳感器和超聲波測距儀對無人機的位置、高度和速度進行量 測 。
[0016] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)預處理模塊還用于對陀螺儀、加速度計和磁力計在使用前進行 標定和矯正誤差，GPS的時間同步和光流傳感器的轉動補償；
[0017] 其中所述矯正誤差主要包括零偏誤差、標度因子誤差、非正交誤差和噪聲；所述陀 螺儀要標定溫差；所述GPS的時間同步是通過遞推計算來彌補數(shù)據(jù)接收的時滯周期。
[0018] 優(yōu)選地，所述的數(shù)據(jù)融合模塊利用離散卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)融合和更新，并構建 系統(tǒng)方程、姿態(tài)量測方程和位、速度量測方程獲取旋翼無人機的當前位置及速度。
[0019] 依據(jù)上述特征，所述旋翼無人機為四軸飛行器，所述四軸飛行器配有四個旋漿，四 個旋漿兩兩相對交叉呈十字交叉結構，每個旋漿配有一個無刷電機與ARM控制器相連，通 過姿態(tài)控制回路模塊輸出的控制量控制無刷電機運作。
[0020] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0021] 1)利用旋翼無人機可以在低空飛行，這樣就克服由于天氣變化的影響導致的視線 受到云層遮擋和云霧干擾的問題，并且能夠減小對采集數(shù)據(jù)的干擾性。
[0022] 2)低空自主導航旋翼無人機可以對小范圍的空間數(shù)據(jù)進行精準的采集，能夠滿足 我國農(nóng)林業(yè)發(fā)展方面的種作物種類復雜的情況，如果此時采用大飛機航拍和衛(wèi)星遙控不能 得到精準的數(shù)據(jù)，而且會大大的增加成本。
[0023] 3)與固定翼飛機相比，旋翼無人機的突出優(yōu)點是能夠垂直起降和實現(xiàn)懸停，更利 于獲得清晰與準確的空間數(shù)據(jù)。四旋翼飛行器可以通過反扭矩作用使飛行器扭矩平衡，而 不需要專門的反扭矩槳，所以這種飛行器設計起來比直升機簡單得多，而且采用多螺旋槳 結構可以提尚負載能力
[0024] 4)旋翼無人機能夠進行預設的路線進行自主導航，能夠大大的減少人力物力，并 且實施起來靈活方便。
[0025] 5)旋翼無人機能夠定點懸停，并且姿態(tài)解算精度高，飛行的穩(wěn)定性好，能夠為獲取 精準的農(nóng)林業(yè)空間數(shù)據(jù)提供良好的載體。
【附圖說明】
[0026] 圖Ia為旋翼無人機的機體坐標系示意圖；
[0027] 圖Ib為旋翼無人機的地理坐標系示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)預處理模塊、數(shù)據(jù)融合模塊的結構示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明中制導控制回路模塊和姿態(tài)控制回路模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0031] 圖la、圖Ib所示的是四旋翼無人機的機體坐標系和地理坐標系示意圖，其機體坐 標系b的原點0取在飛行器質心處，\在飛行器平面內(nèi)指向機架的前電機，Y b在飛行器平 面內(nèi)指向左電機，Zb垂直于X b0Yb平面豎直向上。地面坐標系g的原點0為地面上一點，Xg 指向北極，Xg指向水平方向東，Zg垂直于水平面向上。
[0032] 如圖2所示是旋翼無人機的低空自主導航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)預處理模 塊、數(shù)據(jù)融合模塊的結構示意圖。數(shù)據(jù)采集裝置包含的導航傳感器有陀螺儀、加速度計、磁 力計、超聲波測距儀、GPS以及光流傳感器。
[0033] 在數(shù)據(jù)預處理模塊中，為了保證在低空飛行時GPS信號較弱甚至丟失的情況下飛 行器的位置估計精度及可靠性，采用了光流圖像傳感器與超聲波測距儀分別對水平位置和 高度進行測量。由于陀螺儀存在溫度漂移誤差，加速度計在受到大震蕩的時候產(chǎn)生測量噪 聲，磁力計易收到外部磁場干擾，所以采用陀螺儀、加速度計和磁力計，共同對姿態(tài)矩陣進 行測量，抑制姿態(tài)角和航向角的長期發(fā)散，提高測量精度。其中陀螺儀、加速度計、磁力計和 超聲波測距儀采用的是SPI總線通信，GPS和光流傳感器采用的是串口通信。將加速度計、 陀螺儀、磁力計和超聲波測距儀經(jīng)采樣濾波之后進行誤差補償，GPS進行時間同步處理，光 流傳感器進行誤差補償。
[0034] 在數(shù)據(jù)融合模塊中，將經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后的數(shù)據(jù)進行離散卡爾曼濾波處理，融合 數(shù)據(jù)后輸出姿態(tài)位置和速度量。在數(shù)據(jù)融合過程中量測更新包括姿態(tài)量測與位置、速度量 測，在姿態(tài)量測更新過程中，采用加速度計、陀螺儀和磁力計在旋翼無人機的特定飛行狀態(tài) 時對姿態(tài)矩陣進行量測，抑制姿態(tài)角和航向角的長期發(fā)散。采用GPS、超聲波測距儀和光流 圖像傳感器對位置和速度進行量測。經(jīng)過誤差補償和離散卡爾曼濾波最終融合后的狀態(tài)估 計值輸出到制導及姿態(tài)控制回路中即圖3。
[0035] 陀螺儀、加速度計和磁力計采集的數(shù)據(jù)在使用前需要進行標定和誤差校正，其誤 差主要包括零偏、標度因子誤差和非正交誤差等。其中由于陀螺儀的零偏對溫度非常敏感， 需要進行溫度標定。磁力計的輸出受機體器件分布及外部磁環(huán)境的影響，本設計將傳感器 固定在旋翼無人機的機翼處。該建模的隨機噪聲為隨機游走和白噪聲，根據(jù)比例方程得到 的隨機模型
中#?和為含誤 差的比力和角速度，廣和ω ηιη為補