[发明专利]微小型飞行机器人集成飞行控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及控制技术、制导技术、传感技术以及无线通信领域，尤其涉及一种微小型飞行机器人的飞行控制系统。

背景技术

目前，许多应用领域都要求飞行器能够进行低空低速的飞行，进行低空作业，并且有良好的机动性和隐蔽性。微小型飞行机器人是实现上述功能的良好平台。微小型飞行机器人具有机动性、灵活性好、可垂直起降、隐蔽性好等优点，是一个良好的观察与接触环境的平台。可以预料，微小型飞行机器人将有极为广阔的应用前景。

微小型飞行机器人的飞行控制系统应当能够使得飞行机器人沿着给定的轨迹飞行。飞行控制系统控制飞行机器人的姿态与位置，让机器人完成期望的指令运动。微小型飞行机器人的飞行控制系统是其实现功能与性能的核心，飞行控制系统的性能将直接影响飞行机器人的飞行性能与品质。飞行控制系统一般包括制导与姿态控制两个部分，分别控制飞行机器人的位置与姿态，传统的飞行机器人控制系统一般将制导与姿态控制分为两个模块。每个模块实现一种功能。这种设计可以使得制导模块与姿态控制模块采用不同的硬件与软件系统，便于实现，但这种设计思路增加了整个飞行控制系统的复杂性，使得整体控制系统的体积、重量等指标增加，从而使得其载体——微小型飞行机器人的载重余量降低。

为使微小型飞行机器人能够更好地适应室外复杂环境，飞行控制系统的结构组成应更为简单可靠、重量更轻。为实现此目的，集制导与姿态控制为一体的集成化的飞行控制系统是飞行机器人发展过程中的一种趋势。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种可应用于微小型飞行机器人的集成化飞行控制系统，针对微小型旋翼飞行机器人的设计，充分考虑微小型旋翼式飞行机器人的特点，使得该集成飞行控制系统可实现制导与姿态控制等多种功能，可以替代传统的制导与姿态控制两个模块，从而减小了由两个模块组成系统的复杂性，减少了整个飞行控制系统的重量和体积，对于提高微小型飞行机器人的推重比、效率等有一定的作用，符合机器人集成化的发展趋势。

本发明提出的微小型飞行机器人集成飞行控制系统，主要包括微型中央处理模块、定位模块、惯性测量模块、智能预警模块、驱动模块、无线通信模块、数据存储模块，以及电源管理模块。

所述的微型中央处理模块由中央处理器和其外围电路组成，主要功能是管理其它模块，向其他模块发送命令，获取信息；获取位置和姿态传感信息，包括定位模块传送的位置信息以及惯性测量模块发送的姿态信息；管理智能预警模块与无线通信模块，判断是否应该发出警报；根据定位模块和惯性测量模块采集到的传感数据以及地面站传送的指令数据运行飞行控制算法并向驱动模块发送驱动器的驱动指令；管理数据存储模块的数据存储工作。中央处理模块中的中央处理器可根据所实现功能以及数据存储量的大小采用普通单片机、ARM嵌入式芯片、DSP芯片等各种具有运算功能和数据存储功能的计算机处理芯片。为管理多个模块，中央处理器中可以根据需要安装嵌入式操作系统，如Linux操作系统。

所述的定位模块采集包括GPS定位模块、加速度计、气压高度计，以及处理器A。定位模块将采集到的飞行机器人位置信息以及速度信息传送给微型中央处理模块。定位模块中的处理器A将GPS定位模块输出的经纬度坐标信息，加速度计输出的加速度信息，气压高度计输出的高度信息进行数据融合，得到更为精准的位置和速度信息，并将之传送给微型中央处理模块。可采用多种方法进行多传感数据融合，如卡尔曼滤波算法。

所述的惯性测量模块包括陀螺仪、磁场计，以及处理器B。惯性测量模块将采集计算得到的飞行机器人的姿态以及角速度数据传送给微型中央处理模块。惯性测量模块中的处理器B运行信息融合算法，将陀螺仪输出的角速度信息以及磁场计输出的方位角信息进行融合，得到更为精准的姿态与角速度数据信息，供微型中央处理模块使用。

所述智能预警模块完成整个飞行机器人系统的自动预警功能，根据微型中央处理模块传送的数据监测飞行机器人的运行状态，如果出现异常状态，则提醒微型中央处理模块当前的紧急状况，并由微型中央处理模块通过智能通信定位模块直接向地面站系统发出相应的错误信息以及飞行机器人当前的状态，从而便于采取人工介入方式处理紧急状况。

所述的智能预警模块由蜂鸣器、复位电路、错误判断电路等组成。智能预警模块接收微型中央处理模块的位置、速度、角速度以及姿态角数据，对飞行机器人工作状态进行判断。