一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统技术方案

本发明专利技术涉及无人机技术领域，尤其是一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，包括飞行器本体及控制模组，控制模组包括坐标系模块、运动模块、应用模块、自稳模块及主控模块，所述运动模块用于控制飞行器本体进行的运动；所述应用模块包括定高子模块、定点子模块及避障子模块，所述定高子模块用于使飞行器本体靠近目标位置的高度，所述定点子模块用于通过光流传感器配合定焦镜头使飞行器本体靠近目标的水平位置，所述避障子模块用于所述飞行器本体绕开障碍物；所述自稳模块用于在飞行器本体飞起过程中调整飞行姿态；所述主控模块用于各模块的数据算法处理。本发明专利技术能够使飞行器在无GPS信号进行定位及防止漂移。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统
本专利技术涉及无人机
，尤其是一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统。
技术介绍
四旋翼飞行器是一种近年来逐渐流行起来的无人飞行器，由于其特殊的飞行方式和较低的机械故障率而推广开来。尤其是在航拍和农业植保领域，作为一个稳定的飞行平台被发掘出了愈来愈多新的功能和用途，随之而来的是对其性能的要求也逐渐变高，尤其是对飞行器能够精确定位的要求。多旋翼飞行器一般采用GPS定位，通过GPS模块接收卫星信号得到经纬度坐标来实现在空间中飞行坐标的保持。这样的定位方式能够获得较高的定位精度，但这样的定位方式在GPS信号差或者没有信号的室内环境便无法进行定位。甚至出现飞出控制范围导致失控，或者因为漂移而撞到障碍物造成坠机。
技术实现思路
为解决上述问题本专利技术提供一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，能够使飞行器在无GPS信号进行定位及防止漂移。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，包括飞行器本体及控制模组，所述飞行器本体包括机座、机臂、螺旋桨、电机及控制模组，所述机臂设有四个并分别与所述机座固定连接，四所述机臂为正交的X形结构，所述机臂远离所述机座的一端与所述螺旋桨转动连接，所述电机用于所述螺旋桨的驱动；所述控制模组装设在所述机座中，并包括坐标系模块、运动模块、应用模块、自稳模块及主控模块，所述坐标系模块包括原点、X轴、Y轴及Z轴，所述原点位于所述机座上并设置在四所述机臂的交叉点上；所述X轴为两相邻所述机臂之间夹角的角平分线，所述Y轴与所述X轴相差90°并与所述X轴处于同一平面上；所述Z轴经过所述原点并与垂直于X轴；所述运动模块用于通过分别对四个所述电机进行控制，进行升降、俯仰、横滚、偏航及水平运动；所述应用模块包括定高子模块、定点子模块及避障功能，所述定高子模块用于所述飞行器本体目标高度的设定，所述定高子模块通过超声波传感器测量当前高度与目标高度的距离，并控制所述电机将所述飞行器本体调整到目标高度的位置；所述定点子模块用于所述飞行器本体目标平面位置的设定，所述定点子模块用于通过光流传感器配合定焦镜头采集所述飞行器本体飞行过程中在所述X轴及所述Y轴的位移速率，根据所述X轴及所述Y轴的位移速率获得所述飞行器本体当前平面位置与目标平面位置的距离，并通过控制所述电机将所述飞行器本体调整到目标平面位置；所述避障功能用于所述飞行器本体运动方向前方障碍物的检测，所述避障功能通过红外传感器获取障碍物的信号，当所述红外传感器在设定的距离内检测到障碍物时产生控制量，所述运动模块控制所述飞行器本体往反方向飞行；当所述红外传感器检测到在设定的距离内检测没有检测到障碍物时清除所述控制量；所述自稳模块与所述运动模块及所述应用模块相互反馈，并用于控制所述飞行器本体的自稳飞行；所述自稳模块包括滤波子模块、姿态获取子模块及串级PID控制子模块，所述滤波子模块用于清除所述螺旋桨因高频率振动产生的加速度误差；所述姿态获取子模块用于通过姿态传感器获得所述飞行器本体中的姿态角度；所述串级PID控制子模块用于根据所述姿态角度的信号所述飞行器本体的姿态，所述串级PID控制子模块采用内环角速度环PID控制，外环角度环PI控制的串级PID控制方法；所述串级PID控制子模块将所述定点子模块中所述飞行器本体与Z轴的相对水平位移量作为内环误差输入，进行PID控制，把内环的输出直接反馈到所述串级PID控制子模块的姿态PID的角度环，并使所述电机获得姿态信号，以根据漂移速率调整所述无人机本体往运动方向相反的倾斜角度；所述主控模块用于所述坐标系模块、所述运动模块、所述应用模块及所述自稳模块的数据算法处理，并用于各个传感器的驱动。进一步地，两相邻的所述电机转动方向相反。进一步地，所述运动模块包括升降运动子模块、俯仰运动子模块、横滚运动子模块、偏航运动子模块及水平运动子模块，所述升降运动子模块用于通过控制四所述电机以相同的转速转动；所述俯仰运动子模块用于通过控制两相邻所述电机以一相同的转速转动，另外两相邻所述电机以另一相同的转速转动；所述横滚运动子模块用于通过控制两相对所述电机以一相同的转速转动，另外两相对所述电机以一相同的转速转动；所述偏航运动子模块用于控制两相对所述螺旋桨受到一相同的反作用力，另外两相对所述螺旋桨受到另一相同的反作用力；所述水平运动子模块用于通过所述自稳模块控制所述飞行器本体倾斜，使所述飞行器本进行前进、后退、左侧及右侧飞行。进一步地，所述定高子模块能够将所述超声波模块测量得到的实际高度与目标高度进行比较并获得高度误差，当所述高度误差超出设定值时，将所述高度误差乘以比例系数获得PID控制比例，以使所述运动模块对所述飞行器本体进行驱动调整；对于所述定高子模块产生的静态误差，通过引入积分项，通过将误差累加后作用于所述运动模块。进一步地，所述定高子模块具有超前调节作用，通过采集两次所述飞行器本体当前高度与目标高度的距离的高度差，以获得所述飞行器本体的相对移动方向和速度，并将分别将移动方向和速度的差值乘上微分系数作为微分输出，以对所述飞行器本体的速度进行抑制。进一步地，所述定点子模块通过所述主控模块将所述飞行器本体飞行过程中在所述X轴及所述Y轴的位移速率进行积分，以获得所述飞行器本体与Z轴的相对水平位移量，将所述位移量通过所述串级PID控制子模块作为外环误差输入，进行PI控制，并将外环总的输出融入内环误差，通过内环间接控制所述飞行器本体姿态，以消除所述飞行器本体产生漂移后自动返回目标平面位置。进一步地，还包括气压传感器，所述气压传感器用于所述飞行器本体距离地面较高的位置进行定高飞行时获取飞行的高度。进一步地，所述滤波子模块将前面多次的采样值保存，采用环形队列的形式，定义一个元素个数与采集次数相同的数组，将采样数据依次装入数组，并在装入一个新数据去掉一个旧数据，以获得前面多次的采样数据的平均值；所述滤波子模块采用窗口滑动滤波，通过输入最新的采样数据，和前面多次的采样数据进行求平均值，前面采集数据的次数决定了平滑处理的力度。进一步地，所述姿态获取子模块将所述飞行器本体绕所述X轴、所述Y轴及所述Z轴的旋转用四元数表示出来，再运用四元数的乘法将各个轴的旋转四元数相乘，以获得表示所述飞行器本体姿态角的四元数，通过将所述飞行器本体姿态角的四元数转换为欧拉角，通过所述欧拉角获得所述飞行器本体的实时姿态角度。进一步地，其特征在于：还包括遥控模块，所述遥控模块用于远程为所述主控模块提供控制的信号。本专利技术的有益效果是，1.定点子模块用于通过光流传感器配合定焦镜头采集数据，采用视觉模块对外部环境进行图像分析来得到飞行器本体的相对运动数据或相对环境坐标，不依赖外界的信号来定位。因此能够在无GPS信号乃至室内实现定位；通过将定点子模块引入串级PID控制子模块，将飞行器本体相对地面运动速率作为内环误差输入，进行PID控制，把内环的输出直接反馈到姿态PID的角度环，使得漂移速率越快则无人机往反方向倾斜的角度越大，实现在无GPS信号的环境内也能够抵抗漂移。2.由于螺旋桨质量很难达到均匀分布，因此当四个电机高速运行时，会产生较高频率的振动。而加速度计受振动影响比较明显，在机体振动时采集到的加速度数据将发生较大的误差。通过滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，其特征在于，包括飞行器本体及控制模组，所述飞行器本体包括机座(1)、机臂(11)、螺旋桨(12)、电机(13)及控制模组，所述机臂(11)设有四个并分别与所述机座(1)固定连接，四所述机臂(13)为正交的X形结构，所述机臂(11)远离所述机座(1)的一端与所述螺旋桨(12)转动连接，所述电机(13)用于所述螺旋桨(12)的驱动；所述控制模组装设在所述机座(1)中，并包括坐标系模块(2)、运动模块(3)、应用模块(4)、自稳模块(5)及主控模块(6)，所述坐标系模块(2)包括原点、X轴、Y轴及Z轴，所述原点位于所述机座(1)上并设置在四所述机臂(11)的交叉点上；所述X轴为两相邻所述机臂(11)之间夹角的角平分线，所述Y轴与所述X轴相差90°并与所述X轴处于同一平面上；所述Z轴经过所述原点并与垂直于X轴；所述运动模块(3)用于通过分别对四个所述电机(13)进行控制，进行升降、俯仰、横滚、偏航及水平运动；所述应用模块(4)包括定高子模块(41)、定点子模块(42)及避障子模块(43)，所述定高子模块(41)用于所述飞行器本体目标高度的设定，所述定高子模块(41)通过超声波传感器(81)测量当前高度与目标高度的距离，并控制所述电机(13)将所述飞行器本体调整到目标高度的位置；所述定点子模块(42)用于所述飞行器本体目标平面位置的设定，所述定点子模块(42)用于通过光流传感器(82)配合定焦镜头(83)采集所述飞行器本体飞行过程中在所述X轴及所述Y轴的位移速率，根据所述X轴及所述Y轴的位移速率获得所述飞行器本体当前平面位置与目标平面位置的距离，并通过控制所述电机(13)将所述飞行器本体调整到目标平面位置；所述避障子模块(43)用于所述飞行器本体运动方向前方障碍物的检测，所述避障子模块(43)通过红外传感器(84)获取障碍物的信号，当所述红外传感器(84)在设定的距离内检测到障碍物时产生控制量，所述运动模块(3)控制所述飞行器本体往反方向飞行；当所述红外传感器(84)检测到在设定的距离内检测没有检测到障碍物时清除所述控制量；所述自稳模块(5)与所述运动模块(3)及所述应用模块(4)相互反馈，并用于控制所述飞行器本体的自稳飞行；所述自稳模块(5)包括滤波子模块(51)、姿态获取子模块(52)及串级PID控制子模块(53)，所述滤波子模块(51)用于清除所述螺旋桨(12)因高频率振动产生的加速度误差；所述姿态获取子模块(52)用于通过姿态传感器(85)获得所述飞行器本体中的姿态角度；所述串级PID控制子模块(53)用于根据所述姿态角度的信号所述飞行器本体的姿态，所述串级PID控制子模块(53)采用内环角速度环PID控制，外环角度环PI控制的串级PID控制方法；所述串级PID控制子模块(53)将所述定点子模块(42)中所述飞行器本体与Z轴的相对水平位移量作为内环误差输入，进行PID控制，把内环的输出直接反馈到所述串级PID控制子模块(53)的姿态PID的角度环，并使所述电机(13)获得姿态信号，以根据漂移速率调整所述无人机本体往运动方向相反的倾斜角度；所述主控模块(6)用于所述坐标系模块(2)、所述运动模块(3)、所述应用模块(4)及所述自稳模块(5)的数据算法处理，并用于各个传感器的驱动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，其特征在于，包括飞行器本体及控制模组，所述飞行器本体包括机座(1)、机臂(11)、螺旋桨(12)、电机(13)及控制模组，所述机臂(11)设有四个并分别与所述机座(1)固定连接，四所述机臂(13)为正交的X形结构，所述机臂(11)远离所述机座(1)的一端与所述螺旋桨(12)转动连接，所述电机(13)用于所述螺旋桨(12)的驱动；所述控制模组装设在所述机座(1)中，并包括坐标系模块(2)、运动模块(3)、应用模块(4)、自稳模块(5)及主控模块(6)，所述坐标系模块(2)包括原点、X轴、Y轴及Z轴，所述原点位于所述机座(1)上并设置在四所述机臂(11)的交叉点上；所述X轴为两相邻所述机臂(11)之间夹角的角平分线，所述Y轴与所述X轴相差90°并与所述X轴处于同一平面上；所述Z轴经过所述原点并与垂直于X轴；所述运动模块(3)用于通过分别对四个所述电机(13)进行控制，进行升降、俯仰、横滚、偏航及水平运动；所述应用模块(4)包括定高子模块(41)、定点子模块(42)及避障子模块(43)，所述定高子模块(41)用于所述飞行器本体目标高度的设定，所述定高子模块(41)通过超声波传感器(81)测量当前高度与目标高度的距离，并控制所述电机(13)将所述飞行器本体调整到目标高度的位置；所述定点子模块(42)用于所述飞行器本体目标平面位置的设定，所述定点子模块(42)用于通过光流传感器(82)配合定焦镜头(83)采集所述飞行器本体飞行过程中在所述X轴及所述Y轴的位移速率，根据所述X轴及所述Y轴的位移速率获得所述飞行器本体当前平面位置与目标平面位置的距离，并通过控制所述电机(13)将所述飞行器本体调整到目标平面位置；所述避障子模块(43)用于所述飞行器本体运动方向前方障碍物的检测，所述避障子模块(43)通过红外传感器(84)获取障碍物的信号，当所述红外传感器(84)在设定的距离内检测到障碍物时产生控制量，所述运动模块(3)控制所述飞行器本体往反方向飞行；当所述红外传感器(84)检测到在设定的距离内检测没有检测到障碍物时清除所述控制量；所述自稳模块(5)与所述运动模块(3)及所述应用模块(4)相互反馈，并用于控制所述飞行器本体的自稳飞行；所述自稳模块(5)包括滤波子模块(51)、姿态获取子模块(52)及串级PID控制子模块(53)，所述滤波子模块(51)用于清除所述螺旋桨(12)因高频率振动产生的加速度误差；所述姿态获取子模块(52)用于通过姿态传感器(85)获得所述飞行器本体中的姿态角度；所述串级PID控制子模块(53)用于根据所述姿态角度的信号所述飞行器本体的姿态，所述串级PID控制子模块(53)采用内环角速度环PID控制，外环角度环PI控制的串级PID控制方法；所述串级PID控制子模块(53)将所述定点子模块(42)中所述飞行器本体与Z轴的相对水平位移量作为内环误差输入，进行PID控制，把内环的输出直接反馈到所述串级PID控制子模块(53)的姿态PID的角度环，并使所述电机(13)获得姿态信号，以根据漂移速率调整所述无人机本体往运动方向相反的倾斜角度；所述主控模块(6)用于所述坐标系模块(2)、所述运动模块(3)、所述应用模块(4)及所述自稳模块(5)的数据算法处理，并用于各个传感器的驱动。2.根据权利要求1所述的一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，其特征在于：两相邻的所述电机(13)转动方向相反。3.根据权利要求1所述的一种基于光学定位的四旋翼飞行器系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭建盛，蒋贵洲，韦庆进，覃勇，何奇文，
申请(专利权)人：河池学院，
类型：发明
国别省市：广西,45