專利名稱：無人機姿態增穩裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種基于傾角傳感器的無人機姿態增穩裝置，尤其是使難于操控的超小型無人直升機安全穩定飛行，屬于超小型無人機技術領域。
背景技術：
超小型無人機無需機載駕駛員，能大大降低駕駛員的風險；其特征尺寸可在80cm～200cm之間，非常輕便、靈活、易于攜帶；同時還能大大降低成本，在軍民兩方面都能發揮重要作用。但超小型無人機難操作，尤其是新手，常有摔機的風險，大大限制了超小型無人機的推廣使用。鑒于此種情況，國內外很多大公司、大學等研究機構，紛紛開展了無人機自主飛行控制、導航的研究，但還未見有成熟產品的報道，均還在試飛調試階段，到推廣應用還有很長的一段路要走。
發明內容
本發明旨在開發一種局部自主加遙控的飛控方式，將最難控制的兩個通道——俯仰和橫滾由增穩系統穩定控制，以達到大大降低操作難度和飛行風險，大大提高飛行穩定性等目的。
本發明的構思是本發明設計提供了一種基于傾角傳感器的無人機姿態增穩裝置，由一水平傾角傳感器將無人機俯仰和橫滾姿態角實時反饋給控制板上的單片機，由儲存于單片機中的控制軟件來穩定無人機姿態。該增穩裝置與無人機遙控系統串聯，既可由遙控手自由操控無人機，又可由本發明的增穩系統將無人機穩定在安全范圍內任意姿態。若遙控手遇到緊急情況不知所措時，只需撒手不管俯仰、橫滾通道的遙控桿，本發明的增穩裝置會使無人機自動回到水平姿態。當遙控手動作過大，使無人機姿態超過安全飛行范圍(可根據操控手的實際操控能力，自行設定限位角)時，本發明的增穩裝置會使無人機自動回到水平姿態，能及時避免摔機危險。本發明中還設置了一遙控輸入通道，讓操控手方便靈活選擇自由操控或增穩操控。該輸入通道還能用于在線修正傾角傳感器的水平中位和舵機中位，提高了該增穩裝置的環境適應能力和飛行穩定性、可靠性，確保無人機姿態平穩。
根據上述構思，本發明采用如下技術方案該姿態增穩裝置結構上采用小巧的層疊結構，將水平傾角傳感器安裝在殼體下部，控制線路板安裝在殼體上部，其對外連接的信號輸入輸出端口、串行口及JTAG程序寫入口緊湊地安排在頂蓋上。
該姿態增穩裝置控制電路結構為首先將增穩裝置串聯于遙控接收機和舵機之間，由一控制方式切換開關來方便靈活選擇自由操控或增穩操控方式，還是需在線修正傾角傳感器的水平中位和舵機中位值；然后無人機俯仰、橫滾姿態的遙控信息和水平傾角傳感器感測到的俯仰、橫滾姿態角都實時傳送給控制線路板上的單片機，由儲存于單片機中的控制軟件得到輸出信息，從輸出端口輸出到無人機上的俯仰、橫滾姿態控制舵機。控制線路板上的串行口供單片機和上位機(筆記本或臺式PC機)之間的離線數據通信。
上述的水平傾角傳感器采用NS-45/E2型雙軸傾角傳感器。
上述的控制方式切換開關由遙控裝置上的一三態通道構成。
上述的單片機采用C8051F021型。
上述的串行口采用單片機C8051F021上集成的UART口。
該姿態增穩裝置控制軟件的實現步驟是1)開機自檢及初始化；2)讀控制方式切換開關的脈寬，以此判斷是需在線修正傾角傳感器的水平中位和舵機中位值，還是姿態增穩，以便轉入相應的處理程序段——步驟3)和步驟4)；3)中值修正；4)讀取俯仰、橫滾姿態角，若無人機俯仰、橫滾姿態角超過限位角或連續3個周期為中位值(即遙控手撒開遙控手柄)則采用PD控制算法得到讓飛行姿態回中的脈寬值，否則自穩于當前姿態或遙控直通的脈寬值作為新的輸出值；5)將上述新的脈寬值輸出到俯仰、橫滾舵機。
本發明的姿態增穩裝置結構簡單、尺寸小、重量輕、操作靈活、穩定性好、成本低、可靠性高、易于實現。大大提高了無人機的飛行穩定性，是無人機遙控新手的好幫手、是實現輕松航線飛行的好助手，還可用于云臺增穩。
圖1是本發明的一個實施例的結構示意圖。
圖2是圖1示例的安裝使用電路框圖。
圖3是圖1示例的電路原理圖。
圖4是圖1示例的寫入單片機的控制軟件流程圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例是參見圖1，無人機姿態增穩裝置中，控制線路板4由四根螺栓3連接傳感器2并固定在殼體1中，蓋5封住頂部。對外連接的信號輸入端口6、7、8，無人機姿態控制信號輸出端口9、10，數據通信串行口11，和程序寫入口JTAG12都從蓋5的窗口中伸出。傳感器2的姿態角信息從接口14輸出，經控制線路板4上接口13輸入到單片機中。
參見圖2，增穩裝置串聯于遙控接收機和舵機之間，無人機俯仰、橫滾姿態的遙控信息分別從8、7輸入到單片機中，傳感器2的俯仰、橫滾姿態角信息從接口14經接口13進入單片機模擬輸入口，單片機的俯仰、橫滾姿態控制信息分別從10、9輸出到控制舵機，從而穩定無人機的姿態。由控制方式切換開關6來方便靈活選擇自由操控或增穩操控方式，還是需在線修正傾角傳感器的水平中位和舵機中位值。
參見圖3，NS-45/E2為傾角傳感器2，其模擬量輸出X、Y分別輸入到單片機C8051F021的模擬輸入端口AIN0.0、AIN0.1。接收機的遙控通道1、2和8分別輸入到輸入端口7、8、6，經單片機的I/O口P1.1、P1.0、P1.2進入單片機。單片機的俯仰、橫滾姿態控制信息分別經單片機的I/O口P0.3、P0.2輸出到接口10、9。串口11的Tx、Rx分別經單片機的I/O口P0.0、P0.1連接到接口11。
附圖4是寫入單片機C8051F021的控制軟件流程圖。
權利要求
1.一種無人機姿態增穩裝置，包括一個傾角傳感器(2)，其特征在于傾角傳感器(2)的俯仰姿態角和橫滾姿態角信號輸入端口(14)連接一個控制板(4)上的單片機(15)的輸入口(13)，單片機(15)還有輸入端口(8、7、6)分別用于連接接收機(19)的俯仰信號輸入通道、橫滾信號輸入通道和切換控制方式信號通道的輸出口；單片機(15)有兩個脈寬信號輸出信號通道端口(9、10)分別用于連接俯仰舵機(17)和橫滾舵機(18)的輸入口。
2.根據權利要求1所述的無人機姿態增穩裝置，其特征在于傾角傳感器(2)安裝在一個殼體(1)的下部；控制板(4)安裝在殼體(1)的中部；連接接收機(19)和俯仰信號輸入通道、橫滾信號輸入通道和切換控制方式信號通道的輸入端口(8、7、6)以及連接俯仰舵機(17)和橫滾舵機(18)的脈寬信號輸出通道的輸出端口(9、10)安排在殼體(1)的頂蓋(5)上；還有數據通訊串行口(11)和程序寫入口(12)從殼體(1)的頂蓋(5)的窗口中伸出。
3.根據權利要求1或2所述的無人機姿態增穩裝置，其特征在于電路結構為采用C8051F021型單片機，其17和18腳連接由兩個電容(C14、C15)和一個晶振(Y1)組成的電爐；其5、6、8、9和10腳構成輸入口(13)而經四個電阻(R1、R2、R3、R4)組成的連接電路連接傾角傳感器(2)的俯仰姿態角和橫滾姿態角信號輸出端口(14)；其28、29、30腳連接接收機(19)的俯仰信號輸入通道、橫滾信號輸入通道和切換控制方式信號通道的輸入端口(8、7、6)；其61、60、59和58腳連接程序寫入口(12)；其55和54腳通過MAX232型芯片連接數據通訊串行口(11)；而其53和52腳通過兩個電阻(R5、R6)組成的電路連接俯仰舵機(17)和橫滾舵機(18)的脈寬信號輸出通道的輸出端口(9、10)。
4.根據權利要求1或3所述的無人機姿態增穩裝置，其特征在于傾角傳感器(2)采用NS-45/E2型雙軸傾角傳感器，連接切換控制方式通道的輸入口(6)為三態通道輸入口；數據通訊串行口(11)采用單片機上集成的UART口。
5.一種用于權利要求1所述的無人機姿態增穩裝置的控制方法，其特征在于由寫入單片機(15)的軟件程序實現控制步驟，具體為a.開機自檢及初始化；b.讀控制方式切換信號的脈寬，以此判斷是需在線修正傾角傳感器(2)的水平中位和舵機中位值，還是姿態增穩，以便轉入相應的處理程序段—步驟c和步驟d；c.中值修正；d.讀取俯仰、橫滾姿態角，若無人機俯仰、橫滾姿態角超過限位角或連續3個周期為中位值(即遙控手撤開遙控手柄)，則采用PD控制算法得到讓飛行姿態回中的脈寬值，否則自穩于當前姿態或遙控直通的脈寬值作為新的輸出值；e.將上述新的脈寬值輸出到俯仰、橫滾舵機。
全文摘要
本發明涉及一種無人機姿態增穩裝置，它包括殼體、蓋、安裝在殼體下部的水平傾角傳感器和上部的控制線路板以及對外連接的信號輸入輸出端口和串行口。其控制電路結構為水平傾角傳感器將感測到的無人機俯仰和橫滾姿態角實時反饋給控制線路板上的單片機，由儲存于單片機中的控制軟件得到輸出信息，從輸出端口輸出。本發明的姿態增穩裝置尺寸小、重量輕，大大提高了無人機的飛行穩定性，是無人機遙控新手的好幫手，是實現輕松航線飛行的好助手，還可用于云臺增穩。
文檔編號B64C13/00GK1569563SQ20041001795
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月27日 優先權日2004年4月27日
發明者謝少榮, 羅軍, 蔣蓁, 鄧寅喆, 陳鍇夏 申請人:上海大學