本發明專利技術公開了一種四旋翼飛行器姿態控制系統及控制方法，首先獲取當前飛行器的姿態角信息，所述姿態角包括滾轉角、俯仰角和偏航角；其次，分別設計滾轉角、俯仰角和偏航角的控制器，其中滾轉角與俯仰角的控制器相同；最后對獲得的三個控制器的控制輸入進行疊加后輸出一個總的驅動信號從而驅動電機工作以控制飛行器姿態。采用陀螺儀結合加速度計，并根據飛行器姿態角模型設計出卡爾曼濾波器在線推測姿態角，同時還能得到系統的中間狀態變量，具有一定的濾波效果。
【技術實現步驟摘要】
—種四旋翼飛行器姿態控制系統及控制方法
本專利技術涉及一種四旋翼飛行器姿態控制系統，屬于飛行器控制
技術介紹
早在上個世紀中葉，微小型多旋翼飛行器已經受到海外一些研究機構的矚目，但多旋翼飛行器一般尺寸較小，負載能力相對較差，無法搭載傳統的高精度傳感器。直到本世紀初，MEMS傳感器技術的發展使微小型多旋翼飛行器的研究得到突破。姿態控制是多旋翼飛行控制的基礎。為完成姿態控制，首先必須得到飛行器的姿態信息。目前飛行器姿態角的測量方法主要有1、采用高精度的陀螺儀。雖然價格相對較低，但陀螺儀本身存在漂移，隨時間增加，數據準確度會很差。2、采用加速度計和地磁計對陀螺儀數據進行修正，從而抑制傳感器漂移。此方法的準確度與采用的補償算法有關，一般有歐拉角、四元數、旋轉矢量、擴展卡爾曼等。商業化的姿態測量系統主要有美國Crossbow公司的MNAV模塊和荷蘭Xsens公司的MTi，但他們的價格都高達數萬人民幣，嚴重影響了其應用范圍。3、采用圖像處理的方法。此方法通過對圖像的處理結合相應算法可得到較為準確的姿態信息，但圖像處理數據量較大，數據更新頻率慢，不易滿足飛行器的需要。此外，因為圖像處理一般需要安裝圖像采集設備和標志物等，受環境的制約較大，無法廣泛采用。目前，姿態控制器的設計方法較多，如PID控制、現代控制、模糊控制等，并取得了一定的控制效果。但以上控制方法大都對模型的準確性要求較高，當模型攝動或是受到外界干擾時其控制品質會明顯下降，嚴重影響了多旋翼飛行器的應用范圍。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種結構簡單、成本低的四旋翼飛行器姿態控制系統；同時，本專利技術還提出一種基于該控制系統的控制方法。實現本專利技術目的的技術解決方案為一種四旋翼飛行器姿態控制系統，包括DC-DC電路、三軸加速度器、地磁計、陀螺儀、模數轉換器和微處理器，所述三軸加速度器、地磁計、陀螺儀通過模數轉換器與微處理器相連，三軸加速度器、地磁計、陀螺儀將檢測到模擬信號經模數轉換后發送到微處理器進行處理和控制。進一步地優化方案，本專利技術四旋翼飛行器姿態控制系統中，所述陀螺儀的數量為三個。一種四旋翼飛行器姿態控制方法，包括以下步驟步驟一、獲取當前飛行器的姿態角信息，所述姿態角包括滾轉角、俯仰角和偏航角；步驟二、分別設計滾轉角、俯仰角和偏航角的控制器，其中滾轉角與俯仰角的控制器相同；步驟三、對步驟二中獲得的三個控制器的控制量進行疊加后輸出一個總的驅動信號從而驅動電機工作以控制飛行器姿態。進一步地優化方案，所述四旋翼飛行器姿態控制方法中，步驟一中獲取當前飛行器的姿態角信息，具體如下(1-1)建立飛行器的姿態角模型，其中包括滾轉角模型、俯仰角模型和偏航角模型，所述滾轉角模型和俯仰角模型相同均為權利要求1.一種四旋翼飛行器姿態控制系統，其特征在于包括DC-DC電路、三軸加速度器、地磁計、陀螺儀、模數轉換器和微處理器，所述三軸加速度器、地磁計、陀螺儀通過模數轉換器與微處理器相連，三軸加速度器、地磁計、陀螺儀將檢測到的模擬信號經模數轉換后發送到微處理器進行處理和控制。2.根據權利要求I所述的四旋翼飛行器姿態控制系統，其特征在于所述陀螺儀的數量為三個。3.—種權利要求I所述四旋翼飛行器姿態控制系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、獲取當前飛行器的姿態角信息，所述姿態角包括滾轉角、俯仰角和偏航角； 步驟二、分別設計滾轉角、俯仰角和偏航角的控制器，其中滾轉角與俯仰角的控制器相同； 步驟三、對步驟二中獲得的三個控制器的控制輸入進行疊加后輸出一個總的驅動信號從而驅動電機工作以控制飛行器姿態。4.根據權利要求3所述的控制方法，其特征在于所述步驟一中獲取當前飛行器的姿態角信息，具體如下 (1-1)建立飛行器的姿態角模型，其中包括滾轉角模型、俯仰角模型和偏航角模型，所述滾轉角模型和俯仰角模型相同均為5.根據權利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步驟二中設計滾轉角、俯仰角和偏航角的控制器的方法具體為 (2-1)分別為滾轉角模型、俯仰角模型、偏航角模型設置相應的參考模型 其中，滾轉角模型、俯仰角模型的參考模型如下全文摘要本專利技術公開了，首先獲取當前飛行器的姿態角信息，所述姿態角包括滾轉角、俯仰角和偏航角；其次，分別設計滾轉角、俯仰角和偏航角的控制器，其中滾轉角與俯仰角的控制器相同；最后對獲得的三個控制器的控制輸入進行疊加后輸出一個總的驅動信號從而驅動電機工作以控制飛行器姿態。采用陀螺儀結合加速度計，并根據飛行器姿態角模型設計出卡爾曼濾波器在線推測姿態角，同時還能得到系統的中間狀態變量，具有一定的濾波效果。文檔編號G05D1/08GK102955477SQ201210417209公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日專利技術者王偉, 馬浩, 胡凱, 翁理國, 夏旻, 朱海飛 申請人:南京信息工程大學本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種四旋翼飛行器姿態控制系統，其特征在于：包括DC?DC電路、三軸加速度器、地磁計、陀螺儀、模數轉換器和微處理器，所述三軸加速度器、地磁計、陀螺儀通過模數轉換器與微處理器相連，三軸加速度器、地磁計、陀螺儀將檢測到的模擬信號經模數轉換后發送到微處理器進行處理和控制。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：王偉，馬浩，胡凱，翁理國，夏旻，朱海飛，
申請(專利權)人：南京信息工程大學，
類型：發明
國別省市：
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