一种倾转多旋翼飞行器飞控系统及多旋翼无人机技术方案

本发明专利技术公开了一种倾转多旋翼飞行器飞控系统及多旋翼无人机，包括一飞控计算机，飞控计算机通过不同串口连接遥控接收机、数传电台、GPS模块，通过同一串口连接舵机控制板和电机控制板；飞控计算机根据遥控器的指令、地面站下发的指令与任务以及倾转多旋翼飞行器的位置、速度信息和飞行姿态信息得到电机控制指令和舵机控制指令，并分别发送至电机控制板和舵机控制板。本发明专利技术通过惯性传感器、磁传感器、高度传感器与电源模块的冗余增加了系统的容灾容错性能以及安全性能。电机控制板与舵机控制板解决了飞控计算机信号输出通道数量受限的问题，实现了飞控系统对多路电机、舵机以及其他外设的控制，增加了系统的可扩展性和通用性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种倾转多旋翼飞行器飞控系统及多旋翼无人机


[0001]本专利技术涉及飞行器领域，尤其涉及一种倾转多旋翼飞行器飞控系统及多旋翼无人机。

技术介绍

[0002]现阶段，无人飞行器应用的场景越来越广泛。比如城市空中交通，电力巡检，航拍航测，消防救援等。对于无人飞行器而言，飞控系统是至关重要的，直接决定了飞行器安全稳定性能。飞行器在进行飞行任务时，需要通过传感器获得自身的位置、姿态。飞控系统中的传感器一旦有问题失效，后果不堪设想。除飞控之外，动力系统也是非常重要的，所以有很多飞行器会存在大量的电机来实现动力系统的冗余。而且现在无人飞行器由于多功能的需要，会在无人飞行器上增加一些外围设备。大量的执行机构和外围设备，需要飞控系统具有大量的信号输出端子，而现在市面上的飞控系统很难满足这种特定功能需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种倾转多旋翼飞行器飞控系统及多旋翼无人机。
[0004]本专利技术时采用以下技术方案来实现：本专利技术实施例的第一方面提供了一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，所述倾转多旋翼飞行器飞控系统包括飞控计算机、遥控接收机、数传电台、GPS模块、舵机控制板和电机控制板；其中，飞控计算机通过不同串口连接遥控接收机、数传电台、GPS模块，通过同一串口并联舵机控制板和电机控制板；遥控接受机接受遥控器的指令，数传电台接受地面站下发的指令与任务，GPS模块获得倾转多旋翼飞行器的位置和速度信息；所述飞控计算机包括处理器以及与处理器相连的加速度计、陀螺仪、磁罗盘和气压计；其中，加速度计、陀螺仪、磁罗盘和气压计分别获得倾转多旋翼飞行器的加速度信息、角速度信息、磁场信息和高度信息；处理器通过互补滤波算法融合所述加速度信息、角速度信息、磁场信息，得到倾转多旋翼飞行器的飞行姿态信息；飞控计算机根据遥控器的指令、地面站下发的指令与任务以及倾转多旋翼飞行器的位置、速度信息和飞行姿态信息得到电机控制指令和舵机控制指令，并分别发送至电机控制板和舵机控制板，此外，所述飞行器以倾转旋翼模式飞行时接收到遥控器或者地面站下发的多旋翼飞行模式指令后，飞控系统控制所有电机处于垂直于水平面的状态切换成多旋翼模式飞行；当飞行器以多旋翼模式飞行时接收到遥控器或者地面站下发的倾转旋翼飞行模式指令后，飞控系统控制指定电机倾转处于平行于水平面的状态切换成倾转旋翼模式飞行。
[0005]进一步地，所述飞控计算机还包括电源接口，电源接口通过外接锂电池为飞控系统提供电能。
[0006]进一步地，所述飞控计算机还包括备用电源接口。
[0007]进一步地，所述飞控计算机还包括与处理器相连的备用加速度计、备用陀螺仪、备用磁罗盘和备用气压计。
[0008]进一步地，所述电机控制板通过多个输出端子与飞行器上的多个电机相连接，根据控制指令控制各电机转速；舵机控制板通过多个输出端子与飞行器上的多个舵机相连接，根据控制指令控制舵机的输出轴转向，从而为飞行器提供动力并且控制飞行器的飞行姿态。
[0009]进一步地，所述互补滤波算法得到飞行姿态的具体步骤为：由已知飞行器初始姿态角度求出初始时刻的四元数，获取所述角速度、加速度以及磁罗盘的磁力值；再根据所述四元数计算得到机体系重力向量和磁场向量；最后根据所述机体系重力向量、磁场向量、角速度、加速度以及磁罗盘的磁力值计算补偿误差，利用补偿误差修正陀螺仪数据来更新四元数，将更新后的四元数进行归一转化成欧拉角，所述欧拉角即为飞行器姿态信息。
[0010]进一步地，所述遥控器的指令包括飞行模式指令、速度指令以及航向角速度指令；当飞行器接收到飞行模式指令后，该飞行模式处于多旋翼模式时，飞控计算机将所有舵机输出轴转动90度的控制指令发送到舵机控制板，其中电机与舵机通过机械装置连接，当舵机输出轴转动90度时，电机处于垂直于水平面的状态，当舵机输出轴转动0度时，电机处于平行于水平面的状态，飞控计算机根据速度指令以及航向角速度指令计算得到电机控制量；通过电机控制器根据该电机控制量控制飞行器；当飞行器接收到飞行模式指令后，该飞行模式处于倾转旋翼模式，飞控计算机将指定舵机输出轴转动0度的控制指令和指定舵机输出轴转动90度指令发送到舵机控制板；飞控计算机根据速度指令以及航向角速度指令计算得到电机控制量，通过电机控制器根据该电机控制量控制飞行器。
[0011]进一步地，所述地面站下发的指令包括飞行模式指令、位置指令、高度指令以及航向角指令；所述位置指令包括X方向的位置指令和Y方向的位置指令；当地面站下发的飞行模式指令为多旋翼模式时，计算机将所有舵机输出轴转动90度的控制指令发送到舵机控制板，计算机计算得到电机控制量的过程，所述X方向为飞行器机头前进方向，Y方向指向飞行器右侧与X方向垂直，Z方向垂直于XY平面，由飞行器质心指向飞行器机腹；计算机计算得到电机控制量的过程，具体包括：（1）将高度指令与飞行器当前高度进行PID控制运算得到Z方向期望的速度，再将Z方向期望的速度与飞行器当前的Z方向速度进行PID控制运算得到飞行器油门控制量；（2）将X方向的位置指令与飞行器当前的X方向的位置进行PID控制运算得到X方向期望的速度，然后将X方向期望的速度与飞行器当前的X方向速度进行PID控制得到X方向期望的俯仰角，期望的俯仰角与飞行器当前的俯仰角度进行PID控制运算得出期望的俯仰角速度，期望的俯仰角速度与飞行器当前的俯仰角速度进行PID控制运算得出俯仰通道的控制量；（3）将Y方向的位置指令与飞行器当前的Y方向位置进行PID控制运算得到Y方向期望的速度，然后将Y方向期望的速度与飞行器当前的Y方向速度进行PID控制得到Y方向期望的滚转角，期望的滚转角与飞行器当前的滚转角度进行PID控制运算得出期望的滚转角速度，期望的滚转角速度与飞行器当前的滚转角速度进行PID控制运算得出滚转通道的控制量；（4）将航向角指令与飞行器当前的航向角进行PID控制运算得到期望的航向角速度，然后将期望的航向角速度与飞行器当前的航向角速度进行PID控制运算得到航向通道
的控制量；（5）飞控计算机将俯仰通道控制量、滚转通道控制量、油门控制量以及航向通道控制量进行控制分配得到每个电机的控制量，然后将控制量数据打包发送到电机控制板；当地面站下发的飞行模式指令为倾转旋翼模式时，飞控计算机将指定舵机输出轴转动0度的控制指令和指定舵机输出轴转动90度指令发送到舵机控制板；飞控计算机计算得到电机控制量的过程，具体包括：（1）飞控计算机将高度指令与飞行器当前高度进行PID控制运算得到期望的Z方向速度，再将Z方向期望的速度与飞行器当前的Z方向速度进行PID控制运算得到飞行器油门控制量；（2）将Y方向的位置指令与飞行器当前的Y方向位置进行PID控制运算得到Y方向期望的速度，然后将Y方向期望的速度与飞行器当前的Y方向速度进行PID控制得到Y方向期望的滚转角，期望的滚转角与飞行器当前的滚转角度进行PID控制运算得出期望的滚转角速度，期望的滚转角速度与飞行器当前的滚转角速度进行PID控制运算得出滚转通道的控制量；（3）将航向角指令与飞行器当前的航向角进行PID控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述倾转多旋翼飞行器飞控系统包括飞控计算机、遥控接收机、数传电台、GPS模块、舵机控制板和电机控制板；其中，飞控计算机通过不同串口连接遥控接收机、数传电台、GPS模块，通过同一串口并联舵机控制板和电机控制板；遥控接受机接受遥控器的指令，数传电台接受地面站下发的指令与任务，GPS模块获得倾转多旋翼飞行器的位置和速度信息；所述飞控计算机包括处理器以及与处理器相连的加速度计、陀螺仪、磁罗盘和气压计；其中，加速度计、陀螺仪、磁罗盘和气压计分别获得倾转多旋翼飞行器的加速度信息、角速度信息、磁场信息和高度信息；处理器通过互补滤波算法融合所述加速度信息、角速度信息、磁场信息，得到倾转多旋翼飞行器的飞行姿态信息；飞控计算机根据遥控器的指令、地面站下发的指令与任务以及倾转多旋翼飞行器的位置、速度信息和飞行姿态信息得到电机控制指令和舵机控制指令，并分别发送至电机控制板和舵机控制板，此外，所述飞行器以倾转旋翼模式飞行时接收到遥控器或者地面站下发的多旋翼飞行模式指令后，飞控系统控制所有电机处于垂直于水平面的状态切换成多旋翼模式飞行；当飞行器以多旋翼模式飞行时接收到遥控器或者地面站下发的倾转旋翼飞行模式指令后，飞控系统控制指定电机倾转处于平行于水平面的状态切换成倾转旋翼模式飞行。2.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述飞控计算机还包括电源接口，电源接口通过外接锂电池为飞控系统提供电能。3.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述飞控计算机还包括备用电源接口。4.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述飞控计算机还包括与处理器相连的备用加速度计、备用陀螺仪、备用磁罗盘和备用气压计。5.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述电机控制板通过多个输出端子与飞行器上的多个电机相连接，根据控制指令控制各电机转速；舵机控制板通过多个输出端子与飞行器上的多个舵机相连接，根据控制指令控制舵机的输出轴转向，从而为飞行器提供动力并且控制飞行器的飞行姿态。6.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述互补滤波算法得到飞行姿态的具体步骤为：由已知飞行器初始姿态角度求出初始时刻的四元数，获取所述角速度、加速度以及磁罗盘的磁力值；再根据所述四元数计算得到机体系重力向量和磁场向量；最后根据所述机体系重力向量、磁场向量、角速度、加速度以及磁罗盘的磁力值计算补偿误差，利用补偿误差修正陀螺仪数据来更新四元数，将更新后的四元数进行归一转化成欧拉角，所述欧拉角即为飞行器姿态信息。7.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述遥控器的指令包括飞行模式指令、速度指令以及航向角速度指令；当飞行器接收到飞行模式指令后，该飞行模式处于多旋翼模式时，飞控计算机将所有舵机输出轴转动90度的控制指令发送到舵机控制板，其中电机与舵机通过机械装置连接，当舵机输出轴转动90度时，电机处于垂直于水平面的状态，当舵机输出轴转动0度时，电机处于平行于水平面的状态，飞控计算机根据速度指令以及航向角速度指令计算得到电机控制量；通过电机控制器根据该电机控制量控制飞行器；
当飞行器接收到飞行模式指令后，该飞行模式处于倾转旋翼模式，飞控计算机将指定舵机输出轴转动0度的控制指令和指定舵机输出轴转动90度指令发送到舵机控制板；飞控计算机根据速度指令以及航向角速度指令计算得到电机控制量，通过电机控制器根据该电机控制量控制飞行器。8.根据权利要求1所述的一种倾转多旋翼飞行器飞控系统，其特征在于，所述地面站下发的指令包括飞行模式指令、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓波，严旭飞，娄斌，谢安桓，张丹，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：