一种微型四扑翼飞行器控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微型四扑翼飞行器控制系统，包括两个空心杯电机、两个直线舵机，还包括机载控制板，遥控器。通过遥控器和七轴姿态检测单元的配合，可以有效地控制微型四扑翼飞行器的两个空心杯电机和两个直线舵机，从而使飞行器实现多姿态以及悬停；采用传统的串级PID控制，使得系统更加稳定。

A control system of Micro Four flapping wing aircraft

【技术实现步骤摘要】
一种微型四扑翼飞行器控制系统
本专利技术属于微型飞行器领域，具体涉及一种微型四扑翼飞行器控制系统。
技术介绍
微型扑翼飞行器简称FMAV(FlappingMicroAirVehicle)，是一种仿鸟类或者仿昆虫的微型飞行器，主要是通过自身翅膀的来回拍打提供升力以及改变自身的姿态。微型扑翼飞行器的概念自提出以来，就掀起了一股热潮，从21世纪初开始，代尔夫特大学、布鲁塞尔大学、韩国建国大学、普渡大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、上海交通大学等高校相继对其展开了研究，“蜂鸟”、“DelFly”系列等优秀作品也展现出了此类飞行器的可行性以及可靠性。微型扑翼飞行器在军事以及民用方面存在巨大的潜在价值。和常规飞行器相比，微型扑翼飞行器在体积上十分微小，由此具有易携带型、隐蔽性、机动灵活、噪声小等优点，对于军事上侦查、复杂地形勘探具有重要意义。同时，微型扑翼飞行器还可以应用在生化环境探测、交通监管等方面，具有非常广阔的发展前景。在微型扑翼飞行器的研发中，除了要克服自身重力以外，还要能够在空中实现自主稳定，并以此作为基础，还要做到俯仰、滚转、偏航等姿态。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种四扑翼飞行器的控制系统，来帮助扑翼飞行器实现自主稳定以及姿态变换等目标。
技术实现思路
为了解决上述已有技术存在的不足，本专利技术提出一种微型四扑翼飞行器控制系统，通过遥控器和七轴姿态检测单元的配合，可以有效地控制微型四扑翼飞行器的两个空心杯电机和两个直线舵机，从而使飞行器实现多姿态以及悬停。<br>本专利技术的具体技术方案如下：一种微型四扑翼飞行器控制系统，包括两个空心杯电机、两个直线舵机，其特征在于，还包括机载控制板，遥控器，其中，所述机载控制板包括七轴姿态检测单元、微处理器、通讯模块；所述七轴姿态检测单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和气压计，所述三轴加速度计用于测量三轴加速度、所述三轴陀螺仪用于测量三轴角速度、所述气压计用于通过测量气压来估测高度；所述微处理器用于数据处理和数据融合，通过数据处理和数据融合得到微型四扑翼飞行器的俯仰角、滚转角和偏航角，控制所述两个空心杯电机和两个直线舵机；所述通讯模块用于所述机载控制板和所述遥控器之间的信息传输。一种利用上述控制系统的控制方法，具体控制步骤如下：步骤1：所述遥控器与所述通讯模块连接后，由所述遥控器给定微型四扑翼飞行器的期望俯仰角pe、期望滚转角re、期望偏航角ye以及期望高度值he；步骤2：规定X轴为滚转轴、Y轴为俯仰轴、Z轴为偏航轴，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计按周期T采样，得到三个角速度值分别为wx、wy、wz，得到三个加速度值分别为ax、ay、az；步骤3：计算实际俯仰角pr、rr、yr，上一周期时四元数分别为q00、q10、q20、q30，根据姿态矩阵变换求得，重力方向在机体坐标系下的分量：x方向的分量为：verxZ＝2×(q10×q30-q00×q20)，y方向的分量为：veryZ＝2×(q00×q10+q20×q30)，z方向的分量为：取加速度方向向量和姿态矩阵中重力方向的向量叉乘来补偿陀螺仪的零漂，向量叉乘后所得向量在机体坐标系x轴上的投影为ex，在y轴上的投影为ey，在z轴上的投影为ez，则各分量为：上一周期所述三轴陀螺仪角速度的积分量在机体坐标系x轴上的投影为exInt0，在y轴上的投影为eyInt0，在z轴上的投影为ezInt0，积分系数为Ki0，则本周期所述三轴陀螺仪角速度的积分量exInt、eyInt、ezInt为：更新后的角速度在机体坐标系的投影分量分别为：wx1、wy1、wz1，比例系数为Kp0，则新的四元数为q0、q1、q2、q3，运用一阶龙格库塔法更新四元数：由此得到实际俯仰角为：步骤4：计算误差，三个姿态角的误差为Δp，Δr，Δy：步骤5：角度环PID控制，即利用三个姿态角误差值Δp，Δr，Δy，通过PID控制算法，输出三个期望角速度值wxe、wye、wze：其中，Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数；步骤6：角速度环PID控制，即利用期望角速度值wye、wxe、wze和实际角速度值wy1、wx1、wz1的差值，通过PID控制算法，输出三个电机驱动量，分别为p，r，y：步骤7：高度环PID控制，即利用期望高度值he和实际高度值h0的差值，通过PID算法，输出电机驱动量h，由气压计和加速度计得出的估计高度值为h0，则：步骤8：姿态控制量和电机驱动量整合，微型四扑翼飞行器在h0处悬停的电机驱动量为Thrust，则第一空心杯电机的驱动量：motor1＝Thrust+h+r，第二空心杯电机的驱动量：motor2＝Thrust+h-r，第一直线舵机的驱动量：motor3＝p-y，第二直线舵机的驱动量：motor4＝-p-y。进一步地，所述机载控制板的主控芯片为STM32F405RGT6，用六轴传感器MPU6050替代所述三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述通讯模块为NRF24L01+。本专利技术的有益效果在于：1.通过遥控器和七轴姿态检测单元的配合，可以有效地控制微型四扑翼飞行器的两个空心杯电机和两个直线舵机，从而使飞行器实现多姿态以及悬停；2.采用传统的串级PID控制，使得系统更加稳定；3.控制硬件可高度集成，控制板体积小、重量轻；4.采用处理性能优越的STM32F4芯片，同时功耗得到了降低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1为本专利技术的局部结构爆炸图；图2为本专利技术的整体结构示意图；图3为本专利技术的齿轮组件结构示意图；图4为本专利技术的部分驱动机构示意图；图5为本专利技术的部分驱动机构爆炸图；图6为本专利技术的机架底部示意图；图7为本专利技术的扑翼机构示意图；图8为本专利技术的翅根基座示意图；图9为本专利技术的连接机构整体示意图；图10为本专利技术的连接机构爆炸图；图11为本专利技术的连接机架底部示意图；图12为本专利技术俯仰姿态正视图；图13为本专利技术俯仰姿态左视图；图14为本专利技术滚转姿态正视图；图15为本专利技术偏航姿态左视图；图16为本专利技术的一种微型四扑翼飞行器的控制系统的过程流程图；图17为本专利技术的一种微型四扑翼飞行器的控制系统的控制流程图。附图标号说明：1-空心杯电机；101-空心杯电机齿轮；2-连接机架；201-定位孔；202-舵机定位孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型四扑翼飞行器控制系统，包括第一空心杯电机和第二空心杯电机、第一直线舵机和第二直线舵机，其特征在于，还包括机载控制板，遥控器，其中，/n所述机载控制板包括七轴姿态检测单元、微处理器、通讯模块；/n所述七轴姿态检测单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和气压计，所述三轴加速度计用于测量三轴加速度、所述三轴陀螺仪用于测量三轴角速度、所述气压计用于通过测量气压来估测高度；/n所述微处理器用于数据处理和数据融合，通过数据处理和数据融合得到微型四扑翼飞行器的俯仰角、滚转角和偏航角，控制所述两个空心杯电机和两个直线舵机；/n所述通讯模块用于所述机载控制板和所述遥控器之间的信息传输。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型四扑翼飞行器控制系统，包括第一空心杯电机和第二空心杯电机、第一直线舵机和第二直线舵机，其特征在于，还包括机载控制板，遥控器，其中，
所述机载控制板包括七轴姿态检测单元、微处理器、通讯模块；
所述七轴姿态检测单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和气压计，所述三轴加速度计用于测量三轴加速度、所述三轴陀螺仪用于测量三轴角速度、所述气压计用于通过测量气压来估测高度；
所述微处理器用于数据处理和数据融合，通过数据处理和数据融合得到微型四扑翼飞行器的俯仰角、滚转角和偏航角，控制所述两个空心杯电机和两个直线舵机；
所述通讯模块用于所述机载控制板和所述遥控器之间的信息传输。


2.一种利用权利要求1所述的控制系统的控制方法，其特征在于，具体控制步骤如下：
步骤1：所述遥控器与所述通讯模块连接后，由所述遥控器给定微型四扑翼飞行器的期望俯仰角pe、期望滚转角re、期望偏航角ye以及期望高度值he；
步骤2：规定X轴为滚转轴、Y轴为俯仰轴、Z轴为偏航轴，所述三轴陀螺仪和所述三轴加速度计按周期T采样，得到三个角速度值分别为wx、wy、wz，得到三个加速度值分别为ax、ay、az；
步骤3：计算实际俯仰角pr、rr、yr，上一周期时四元数分别为q00、q10、q20、q30，根据姿态矩阵变换求得，重力方向在机体坐标系下的分量：
x方向的分量为：verxZ＝2×(q10×q30-q00×q20)，
y方向的分量为：veryZ＝2×(q00×q10+q20×q30)，
z方向的分量为：
取加速度方向向量和姿态矩阵中重力方向的向量叉乘来补偿陀螺仪的零漂，向量叉乘后所得向量在机体坐标系x轴上的投影为ex，在y轴上的投影为ey，在z轴上的投影为ez，则各分量为：



上一周期所述三轴陀螺仪角速度的积分量在机体坐标系x轴上的投影为exInt0，在y轴上的投影为eyInt...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓慧超，黄昌畅，黄彬效，张学东，丁希仑，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11