[发明专利]基于外部视觉的四旋翼无人飞行器全自主飞行控制系统

说明书

本发明公开了一种基于外部视觉的四旋翼无人飞行器全自主飞行控制系统，该系统由四旋翼飞行器硬件平台，自主飞行控制系统，以及飞行数据处理系统构成，四旋翼飞行器硬件平台包括装备有XBee无线通信模块以入嵌入式ARM微控制器的微小型四旋翼飞行器、外部VICON视觉定位系统以及地面站PC机，地面站PC机运行主要的控制算法，并将控制指令发送给四旋翼飞行器，以进行实时控制。本发明能够实现四旋翼无人飞行器准确、快速的进行室内环境下的自主飞行。系统各模块独立去藕合，方便日后独立的对各模块进行进一步的单独开发。

技术领域

本发明涉及四旋翼飞行器的技术领域，具体是一种基于外部视觉的四旋翼无人飞行器全自主飞行控制系统。

背景技术

近年来,得益于微电子,传感器以及通信等领域的成就，无人机得以快速发展并受到了广泛关注。“无人机”的全称是“无人驾驶飞机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶员,但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备,对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。近年来，全球无人机的数量高速增长：1990年2.5万架，2000年已经超过4万架，2010年达到10万架以上。目前,全球己有55个国家的军队装备了200多种型号的无人机。作为无人机中较为特殊的一种，微小型四旋翼无人机在近年来发展尤为快速并受到越来越多的关注。这种无人飞行器外形尺寸通常小于1米，质量通常小于1千克。由于体积小，加上其易控制，灵活性强等特点，微小型四旋翼无人机可帮助人类在危险环境或狭小空间内完成许多工作，如灾区监查，敌情侦查，高空拍摄等。要胜任上述任务，全自主实时飞行控制系统是中最关键的技术之一。建立完整的全自主的飞行控制系统对推动四旋翼无人机的实际应用有着重要意义。为提升飞行控制系统的开发与问题诊断，能够直观准确再现飞行过程的数据后处理系统也显得尤为重要。目前，国内尚无此类专利公开。

发明内容

本发明的目的在于解决现有飞行控制系统一般不具备全自主飞行控制能力以及对飞行数据处理缺乏直观性的问题，提供了一种基于外部视觉的四旋翼无人飞行器全自主飞行控制系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于外部视觉的四旋翼无人飞行器全自主飞行控制系统，所述控制系统由四旋翼飞行器硬件平台，自主飞行控制系统，以及飞行数据处理系统构成，四旋翼飞行器硬件平台包括装备有XBee无线通信模块以入嵌入式ARM微控制器的微小型四旋翼飞行器、外部VICON视觉定位系统以及地面站PC机；地面站PC机与四旋翼飞行器之间通过无线串口XBee相连并进行通信；地面站PC机用于实现主要的任务规划、轨迹生成与控制算法，并通过无线串口向飞行器发送控制指令；外部VICON视觉定位系统用于进行位置定位，提供位置反馈；自主飞行控制系统包括机载姿态控制器，地面站位置控制器以及轨迹规划器，机载姿态控制器采用闭环控制策略(如比例－微分(P-D)控制器)，且以1000Hz频率进行控制，在姿态稳定可控基础上，地面站位置控制器以姿态为虚拟输入量对位置进行控制，其控制指令通过XBee无线通讯模块发给机载姿态控制器，为使飞行器以与其动力学相容的方式飞行，从而提高飞行性能，轨迹规划器以平滑飞行器在飞行过程的加速度为目标，生成合理的参考轨迹曲线；飞行数据后处理系统由飞行数据本地储存模块，关键数据报表生成模块，以及飞行过程可视化回放模块构成，飞行数据采用python中的MySQL工具包采其存入本地MySQL数据库中，以完整记录飞行器的所有历史信息，此后，采用专门设计的飞行行为分析模块可自动完成对具体飞行数据的分析。分析时，根据参考输入与系统响应求出响应时间，稳态误差以及建模误差等参数。所求得的参数与飞行器各状态轨迹图线一起填入特别制定的latex模版。而后可通过latex编译器编译生成pdf报表。此外，数据后处理系统还包括一个三维可视化的飞行过程回放系统，以便于更直观的检测飞行器飞行全过程的行为，同时数据分析时可提取以三维形式展示。

其中，所述的姿态控制器设置在四旋翼飞行器上，所述的轨迹规划器在远端(PC)另以独立模块设计。