一种新型倾转旋翼无人机姿态控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种新型倾转旋翼无人机姿态控制系统，该系统包括硬件电路和控制软件两大部分。其中硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，并把遥控指令的期望姿态同陀螺仪监测到的实时姿态作比较，比较的结果作为控制的输入量，经主控芯片运算、处理后输出相应的控制命令。通过软硬件的紧密结合，无人机可以检测出自身的实时姿态并根据遥控器指令控制航姿操纵机构和倾转旋翼机构的动作，其飞行模式可以在固定翼飞机和旋翼机之间自由切换。该系统不仅对研制倾转旋翼无人机具有极大的现实意义，而且对载人倾转旋翼机的研制也有很高的参考价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新型无人机领域，具体是一种新型倾转旋翼无人机姿态控制系统。
技术介绍
近年来，一种新型的飞行工具-多旋翼飞行器得到科技领域的广泛关注和快速发展。多旋翼飞行器能实现垂直起降、定点定高悬停、前进后退、旋转、侧飞等飞行动作。作为飞行载体可携带影像器材、通讯器材、采集器材、特殊器材等升空，可实现航空飞机及遥控飞机难以达到的作业需要。虽然多旋翼飞行器在生产、生活中广泛应用并取得了不错的效果，但是多旋翼飞行器负载太小，航速低、续航能力太差等因素制约着其大规模应用。与此同时，在飞行器中固定翼飞机具有飞行速度快、航程长的优点，但需要修建机场跑道为其起降，这不仅增加了使用成本，也限制了固定翼飞机应用范围和使用领域。虽然直升机具有垂直起降及空中悬停等独特的飞行能力，它不需要特殊的起降机场，几乎可以在任何地点进行起飞和降落，但直升机也有其自身的缺点，如飞行速度低、航程小、受风力扰动较大等。倾转旋翼机的飞行模式可以在固定翼飞机和旋翼机之间自由切换，所以倾转旋翼机既可以像旋翼机那样垂直起降、空中悬停，又可以像固定翼飞机那样航速高、航程远。然而，我国对倾转旋翼机的研究才刚刚起步，尚未有与之对应、成熟、稳定、可靠的倾转旋翼机姿态控制系统面世。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要解决上述现有技术存在的问题，提供一种新型倾转旋翼无人机姿态控制系统，该系统的运用综合了固定翼飞机航速高、航程远和多旋翼无人机(直升机)垂直起降、空中悬停的优点，弥补了固定翼飞机起落场要求苛刻和多旋翼无人机(直升机)航速低、续航能力差的不足，大大拓展了无人机在军民两用中的使用范围和应用领域。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案:倾转旋翼无人机姿态控制系统包括硬件电路和控制软件两大部分。所述硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，同时读取陀螺仪监测的实时航姿，主控芯片对上述数据作比对、运算、处理后输出相应控制命令，控制航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构的动作。所述控制软件包括滚转角控制软件、俯仰角控制软件、航向角控制软件、高度控制软件、旋翼倾转控制软件等。所述主控芯片是指意法半导体公司的Stm32F407芯片。 所述遥控器是指WFLY-WTF9航模专业遥控器。所述陀螺仪是指MPU6050陀螺仪。所述传感器是指气压计、三轴加速度计、三轴磁力计和内置地磁罗盘的GPS模块等。所述航姿操纵机构是指数字舵机和直流无刷电机。所述倾转旋翼执行机构是指步进电机和蜗轮蜗杆机构。本专利技术的显著优点为:倾转旋翼机兼具直升机的低速机动性能和固定翼机的高速巡航性能，具有场地要求低、机动性好、巡航速度高、航程远等优点，是未来无人机的重要发展方向。然而，我国对倾转旋翼机的研究才刚刚起步，可借鉴的资料十分有限。本专利技术的研发不仅对研制倾转旋翼无人机具有极大的现实意义，而且对载人倾转旋翼机的研制也有很大的参考价值。提供了一种高可实现性的小型倾转旋翼无人机姿态控制系统方案:倾转旋翼飞机技术复杂、实现困难、造价十分昂贵，且我国尚不掌握该项技术。本专利技术的创新点在于，设计了结构相对简单、实现容易的方案，以相对简单、成本较低的机电混控系统实现相同功能。既能够实现设计目的，又能够保证制造简单、成本可控，保证了产品在市场上的竞争力。本专利技术创造性地引入四旋翼无人机刚体动力学控制原理，即采用静不稳定结构、以电子系统进行控制增稳的欠驱动系统来实现对倾转旋翼无人机在直升机模态下的控制。通过对无人机的滚转、俯仰、航向以及高度的调节，实现无人机在空间六自由度的运动。【附图说明】图1为新型倾转旋翼无人机三维设计图。图2为新型倾转旋翼无人机姿态控制系统硬件电路原理图。图3为新型倾转旋翼无人机姿态控制系统控制软件总体流程图。图4为新型倾转旋翼无人机姿态控制系统滚转角控制软件原理图。图5为新型倾转旋翼无人机姿态控制系统俯仰角控制软件原理图。图6为新型倾转旋翼无人机姿态控制系统航向角控制软件原理图。图7为新型倾转旋翼无人机姿态控制系统旋翼倾转控制软件原理图。图中:I为倾转旋翼执行机构(包括蜗轮蜗杆机构、步进电机等)，2为设备舱(包括主控板、陀螺仪、传感器、锂电池等)，3为单自由度倾斜器，4为数字舵机，5为直流无刷电机。【具体实施方式】下面结合附图进一步说明本专利技术。如图1所示，为实现无人机的完全可控，必须对无人机的滚转角、俯仰角、航向角和高度进行控制。具体方法是:采用沿俯仰轴转动的单自由度倾斜器同向同角度转动，实现无人机俯仰角的控制；采用倾斜器反向同角度转动，实现无人机航向角的控制；采用两侧旋翼转速差，实现无人机滚转角的控制；采用两侧旋翼转速等量增减，实现无人机的高度控制。以上四个控制通道互相独立，每个控制通道均是对陀螺仪、传感器解算出的实际姿态和遥控器给出的期望姿态进行比较，并做PID随动控制，控制量为四通道PID算法在每个执行机构上输出控制量的线性耦合叠加。如图2所示，硬件电路包括主控芯片、陀螺仪、传感器、遥控器、航姿操纵机构、倾转旋翼执行机构，主控芯片通过无线传输捕获遥控器的指令，同时读取陀螺仪、传感器监测的实时航姿信息，主控当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型倾转旋翼无人机姿态控制系统，其特征在于所述系统包括硬件电路和控制软件两大部分。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨福增，秦昊，李长骏，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61