一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法与流程

    专利2022-07-08  104


    本发明属于控制技术领域,具体涉及一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法。



    背景技术:

    无人机的发展和应用已经引起了各国的高度重视,人们对无人机的环境适应性、工作领域提出了更高的要求。将执行复杂功能的飞行阵列进行模块化设计,利用模块化的特点实现一些整体设计难以满足的指标逐渐成为各国研究的重点。结合模块化设计实现整体系统的功能模块化,将功能载荷设计装载于单个模块中,然后控制单模块无人机形成拓扑结构,根据拓扑结构形成对应的阵列控制策略,这将极大的丰富飞行阵列的应用场景与功能。为此需要一种新型飞行阵列及单模块控制策略,该策略能够完成的任务包括:阵列与单元的全姿态调节、模块信息交互、模块对接、阵列拓扑等能力。

    传统分布式飞行阵列控制策略中,单模块无人机大多采用地面组装,单模块无人机采用两套动力系统:单旋翼,为飞行提供动力;地面轮系统,控制多模块地面组装形成阵列。这种控制策略的缺点在于应用场景受限,由于单模块不具备单独飞行能力,需要在陆地组装成飞行阵列才能执行飞行任务。该策略的飞行阵列组装过程需要较大的空间,且不具备飞行阵列与单模块的姿态调整。

    在此基础上发展的单模块共轴旋翼控制策略,该策略中,单模块无人机具备一定飞行能力。该策略组成的飞行阵列具备一定的姿态调整能力,通过地面站发送姿态数据,调整单模块无人机的动力实现。但该策略没有姿态调整结构,飞行阵列没有灵活的姿态。

    另外,传统的无人机编队飞行控制策略,可以解决若干数量的无人机的空中协同姿态。该策略依赖无人机携带的传感器,通过传感器数据解析出与相对于无人机之间位置关系进而调整姿态。该策略缺点在于如果传感器的可靠性较差,而无人机的空间距离以及集群动作准确度又受限于传感器精度,容易产生内传感器故障影响整体阵列结构。



    技术实现要素:

    本发明提出一种具有灵活的姿态调整动作、can总线具有良好的数据抗干扰能力、数据延迟小、可靠性高、能够准确及时地更新阵列、具有良好的功能拓展性的具备自主性的模块化飞行阵列控制方法。

    本发明的目的是这样实现的,一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:至少包括:拓扑结构中的单模块无人机,单模块无人机包括有独立的姿态控制过程:依据单模块无人机的独立的姿态控制过程进行如下模块化飞行阵列控制:

    步骤1——主控模块发射,并保持悬停;

    步骤2——生成拓扑结构,并等待拓扑结构的成功,当拓扑结构生成后,进入步骤3,向拓扑结构中加入卫星模块;

    步骤3——更新卫星,卫星模块与主控模块对接,此时卫星结构作为阵列的一级被动模块与主控模块直接相连,主动模块与卫星结构执行步骤3.1,实现电气与结构连接;执行步骤3.2,主控模块接收到卫星模块加载的信号;进入步骤3.3,主控模块更新拓扑结构,形成加入卫星功能的拓扑结构,并产生卫星计数值;进入步骤3.4,判断卫星模块是否加载完成,判断待加载的卫星模块数量根据结果是进入步骤4;

    步骤4——更新能源,能源模块与主控模块或卫星模块对接,执行步骤4.1建立数据连接,此时能源结构作为阵列的一级或二级被动模块;执行步骤4.2,主控模块接收到能源模块加载的信号;进入步骤4.3,主控模块更新拓扑结构,形成加入能源功能的拓扑结构,并产生能源计数值;进入步骤4.4,判断能源模块是否加载完成,判断待加载的能源模块数量根据结果是进入步骤5;

    步骤5——更新功能,功能模块加入到拓扑结构中。功能模块包括但不限于雷达设备、图像设备、新能源等;

    更新功能,功能模块与已有模块对接,执行步骤5.1建立数据连接;执行步骤5.2,主控模块接收到功能模块加载的信号;进入步骤5.3,主控模块更新拓扑结构,形成加入具体功能的拓扑结构,并产生功能计数值;进入步骤5.4,判断功能模块是否加载完成,判断待加载的功能模块数量根据结果是进入步骤6;

    在进入能源模块与功能模块的加载过程中,同时产生的能源模块计数值与功能模块计数值作为步骤8分支的选择依据;模块更新操作为串联进行,即卫星模块-能源模块-功能模块,三类模块在地面空间内的布置方式即为上述顺序,阵列必须保证先起飞的模块先对接的原则,防止拓扑结构中缺少必要的单元;模块加载完成后进入步骤6;

    步骤6——阵列拓扑结构更新,此步骤为整体更新,通过比较当前的拓扑结构与目标拓扑结构产生拓扑结构完成与否的信号量;

    步骤7——阵列模块判断,该步骤判断飞行阵列是否完成;通过接收步骤6的结果,并根据结果“是”进入结束——阵列组装完成,执行任务;根据结果“否”重新进入循环,判断步骤3和步骤5形成的卫星、能源、功能计数值;将结果输入至步骤8;

    步骤8——模块加载/卸载分支,首先执行步骤8.1,主控模块根据卫星、能源、功能三个模块计数值是否加载完成进入对应的步骤8.2a、8.2b、8.3c,判断卫星、能源、功能三个模块计数值的值是否为零;不为零则进入相应的步骤中,执行对应模块的更新操作;判断卫星、能源、功能三个模块计数值具备不同的权重。

    所述的模块加载权重大小依次为:卫星>能源>功能。

    单模块无人机的姿态控制过程为:无人机首先通过无线收发设备获取指挥中心发送的控制命令;

    无人机通过姿态传感器测量无人机的实际姿态数据;

    无人机获取由飞控系统计算出的高度计算值、俯仰角度计算值、偏航角度计算值、滚转角度计算值作为无人机的将目标姿态数据,与无人机从传感器测量的高度、俯仰角、偏航角和滚转角实际姿态数据做差值输出至pid控制器;

    四个pid调整回路分别控制x轴横向位置、y轴纵向位置、z轴高度位置、z轴角度位置,并根据对接传感器测出的模块间距离以及方位角等信息进行二次调整;

    控制系统将来自pid控制器的数据进行整合处理,进行姿态调整。

    通过姿态调整算法输出四种控制调整量:

    z轴调整量控制无刷电机实现高度的调整,y轴调整量控制矢量动力机构外环实现水平面纵向调整,x轴调整量控制矢量动力机构内环实现水平面横向调整,z轴角度调整量控制共轴螺旋桨差速转动实现偏航角的调整。

    所述的步骤1包括:

    主控模块得到姿态调整量:z轴调整量、y轴调整量、x轴调整量、z轴角度调整量,作为飞行阵列姿态的调整动作发出者,按照单模块调整方法,

    将这四个调整量进行处理得到输出数据变量φ(α,β,γ,δ),参数α为矢量动力机构绕x轴旋转角度;参数β为矢量动力机构绕y轴旋转角;参数γ为电机转速;参数δ为电机差速;

    主控模块向拓扑结构中与其直接电气连接的一级被动模块输出变量φ(α,β,γ,δ),与其间接连接的次级被动模块经由中间模块实现变量的传递;

    被动模块接收到φ变量并按照参数调整矢量动力机构做出相应动作。

    所述的与主动模块直接相连的模块称为一级被动模块,与一级被动模块直接相连的称为二级被动模块,三级、四级以此类推;除一级被动模块外,其余被动模块与主动模块为间接电气连接,需要上一级被动模块作为数据中转,进行数据的交互。

    拓扑结构中的单模块无人机包括:

    控制中心01,为控制数据的收发、地面站命令的接收、无人机姿态的调整;

    矢量动力单元02,接收控制中心输出的pwm数据,调整姿态;

    载荷单元03,为模块无人机的任务系统,具体包括但不限于:雷达,图像等;

    can控制器04,将数据打包成can标准/解包成数字信号,与控制中心01进行数据的直接传输;

    姿态传感器05,获取单模块无人机的姿态信息与位置信,传递给控制中心01;

    无线通信系统06,接收地面站的命令信息,控制中心01解析该命令并完成命令,并不参与其他数据的发送,具体的指挥中心发送标准视情况而定;

    能源07,为系统提供能源;

    zigbee芯片08,组成阵列的局域网系统,用于阵列内数据的传输通信;

    电气接口09,实现模块之间任务数据的交互。

    单模块无人机由控制中心01输出pwm数据控制矢量动力单元进行姿态稳定;载荷单元03产生的任务数据经过控制中心01处理,形成数字信号;然后经过can控制器04将数据打包成can标准数据;发送至zigbee芯片08中,并经由电气接口09发送至局域网络中;网络中需要该数据的模块无人机获取该数据,不需要该数据的模块无人机忽略该数据;数据的接收端动作:模块响应zigbee局域网数据,通过电气接口09首先由zigbee芯片08接收;执行数据校验工作,然后传递给can控制器03;处理完成后的数据由can标准转化为标准数字信号传入控制中心01。

    与现有技术相比,本发明具有以下优点:

    第一,本发明采用全矢量动力装置,阵列与单元的姿态调节通过矢量机构实现,动力与竖直方向的夹角分力实现姿态的调整,具有灵活的姿态调整动作。

    第二,本发明采用can总线结构实现模块间信息交互,总线间最长传输距离不超过5m,can总线具有良好的数据抗干扰能力。

    第三,本发明采用基于仿zigbee局域网的拓扑结构,具有大规模单元拓扑的能力。阵列网络采用有线传输,数据延迟小,可靠性高。

    第四,本发明通过增加式拓扑结构增长方式,循环式结构勘误策略,能够准确及时地更新阵列的拓扑结构。具有良好的功能拓展性。

    附图说明

    图1为飞行阵列拓扑结构生成控制流程图;

    图2a、图2b为两种拓扑结构(不局限形式)示意图;

    图3为单模块无人机姿态控制示意图;

    图4为飞行阵列姿态调整示意图;

    图5为本发明实施例单模块无人机载体结构示意图;

    图6为模块间信息交换图。

    图中:1、控制中心;2、矢量动力单元;3、can控制器;4、姿态传感器;5、姿态传感器;6、无线通信系统;7、能源;8、zigbee芯片;9、电气接口。

    具体实施方式

    下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下说明有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

    一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:至少包括:拓扑结构中的单模块无人机,单模块无人机包括有独立的姿态控制过程:依据单模块无人机的独立的姿态控制过程进行如下模块化飞行阵列控制:

    步骤1——主控模块发射,并保持悬停;

    步骤2——生成拓扑结构,并等待拓扑结构的成功,当拓扑结构生成后,进入步骤3,向拓扑结构中加入卫星模块;

    步骤3——更新卫星,卫星模块与主控模块对接,此时卫星结构作为阵列的一级被动模块与主控模块直接相连,主动模块与卫星结构执行步骤3.1,实现电气与结构连接;执行步骤3.2,主控模块接收到卫星模块加载的信号;进入步骤3.3,主控模块更新拓扑结构,形成加入卫星功能的拓扑结构,并产生卫星计数值;进入步骤3.4,判断卫星模块是否加载完成,判断待加载的卫星模块数量根据结果是进入步骤4;

    步骤4——更新能源,能源模块与主控模块或卫星模块对接,执行步骤4.1建立数据连接,此时能源结构作为阵列的一级或二级被动模块;执行步骤4.2,主控模块接收到能源模块加载的信号;进入步骤4.3,主控模块更新拓扑结构,形成加入能源功能的拓扑结构,并产生能源计数值;进入步骤4.4,判断能源模块是否加载完成,判断待加载的能源模块数量根据结果是进入步骤5;

    步骤5——更新功能,功能模块加入到拓扑结构中。功能模块包括但不限于雷达设备、图像设备、新能源等;

    更新功能,功能模块与已有模块对接,执行步骤5.1建立数据连接;执行步骤5.2,主控模块接收到功能模块加载的信号;进入步骤5.3,主控模块更新拓扑结构,形成加入具体功能的拓扑结构,并产生功能计数值;进入步骤5.4,判断功能模块是否加载完成,判断待加载的功能模块数量根据结果是进入步骤6;

    在进入能源模块与功能模块的加载过程中,同时产生的能源模块计数值与功能模块计数值作为步骤8分支的选择依据;模块更新操作为串联进行,即卫星模块-能源模块-功能模块,三类模块在地面空间内的布置方式即为上述顺序,阵列必须保证先起飞的模块先对接的原则,防止拓扑结构中缺少必要的单元;模块加载完成后进入步骤6;

    步骤6——阵列拓扑结构更新,此步骤为整体更新,通过比较当前的拓扑结构与目标拓扑结构产生拓扑结构完成与否的信号量;

    步骤7——阵列模块判断,该步骤判断飞行阵列是否完成;通过接收步骤6的结果,并根据结果“是”进入结束——阵列组装完成,执行任务;根据结果“否”重新进入循环,判断步骤3和步骤5形成的卫星、能源、功能计数值;将结果输入至步骤8;

    步骤8——模块加载/卸载分支,首先执行步骤8.1,主控模块根据卫星、能源、功能三个模块计数值是否加载完成进入对应的步骤8.2a、8.2b、8.3c,判断卫星、能源、功能三个模块计数值的值是否为零;不为零则进入相应的步骤中,执行对应模块的更新操作;判断卫星、能源、功能三个模块计数值具备不同的权重,权重大小依次为:卫星>能源>功能;该权重保证所有模块能够完全加载,例如三个计数值按顺序卫星、能源、功能以此为2、0、1。此时卫星模块数值不为零,因此进入步骤3加载卫星模块。

    如图2所示,给出本发明的两种拓扑结构(不局限形式)示意图,图中,图a为组网式拓扑结构,主控模块位于组网中心,其周围六个对接面为电气连接,并与其他六个被动模块连接实现数据的交互,主控模块负责处理局域网络的总体事务,向其他单模块无人机发送控制命令,并接受任务数据;功能被动模块搭载光电摄像头,获取图像数据,向主控模块输出图像信息,搭载雷达,用于远距离探测,捕捉信息处理,向主控模块输出电磁特征信息,与主控模块实现电气连接与结构连接,与其他被动模块实现结构连接;能源模块搭载能源,保证长航时功能,与主控模块、其他被动模块的对应面保持电气连接与结构连接实现信息的交互;卫星模块与主控模块电气连接,满足卫星通信需求,主控模块发送任务数据至卫星模块,然后由卫星通信模块发送。

    图b为链式拓扑结构,主控模块位于链式中心,其周围两个对接面为电气连接,并与一级被动模块连接实现数据交互,向其他单模块无人机发送控制命令,并接受任务数据;二级被动模块为卫星模块与主控模块电气连接,满足卫星通信需求,主控模块发送任务数据至卫星模块,然后由卫星通信模块发送;二级被动模块搭载作为能源模块保证长航时功能,通过上级被动模块作为中转站与主动模块间接连接、其他被动模块的对应面保持电气连接与结构连接实现信息的交互;三级被动模块为功能模块,向主控模块输出任务数据,通过上级被动模块作为中转站与主动模块间接连接;

    两种结构物理表现形式不同,但操纵策略相同。主控模块位于拓扑结构中心位置,其余模块直接或间接地与其保持数据连接。图a中每个模块与主控模块保持直接的数据连接,通过电气对接面实现;图b中主控模块位于链式结构中点,两边两个一级被动模块与其保持电气连接,一级被动模块外拓展二级被动模块,通过一级被动模块与主控模块保持间接的数据连接,三级被动模块等以此类推。

    链式结构拓扑结构生长方向单独增加被动对接结构的级数,牺牲系统的数据传输延时时间换取系统拓扑结构的简易性;组网式结构生长方向为填满低级被动对接层,牺牲拓扑结构的简易性换取数据传输的延时时间。

    如图3所示,单模块无人机的姿态控制过程为:无人机首先通过无线收发设备获取指挥中心发送的控制命令;

    无人机通过姿态传感器测量无人机的实际姿态数据;

    无人机获取由飞控系统计算出的高度计算值、俯仰角度计算值、偏航角度计算值、滚转角度计算值作为无人机的将目标姿态数据,与无人机从传感器测量的高度、俯仰角、偏航角和滚转角实际姿态数据做差值输出至pid控制器;

    四个pid调整回路分别控制x轴横向位置、y轴纵向位置、z轴高度位置、z轴角度位置,并根据对接传感器测出的模块间距离以及方位角等信息进行二次调整;

    控制系统将来自pid控制器的数据进行整合处理,进行姿态调整。

    通过姿态调整算法输出四种控制调整量:

    z轴调整量控制无刷电机实现高度的调整,y轴调整量控制矢量动力机构外环实现水平面纵向调整,x轴调整量控制矢量动力机构内环实现水平面横向调整,z轴角度调整量控制共轴螺旋桨差速转动实现偏航角的调整。

    如图4所示,给出一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法中主控模块控制飞行阵列内其他被动模块的姿态动作,单模块无人机的控制飞行阵列步骤为:

    主控模块得到姿态调整量:z轴调整量、y轴调整量、x轴调整量、z轴角度调整量,作为飞行阵列姿态的调整动作发出者,按照单模块调整方法,

    将这四个调整量进行处理得到输出数据变量φ(α,β,γ,δ),参数α为矢量动力机构绕x轴旋转角度;参数β为矢量动力机构绕y轴旋转角;参数γ为电机转速;参数δ为电机差速;

    主控模块向拓扑结构中与其直接电气连接的一级被动模块输出变量φ(α,β,γ,δ),与其间接连接的次级被动模块经由中间模块实现变量的传递;

    被动模块接收到φ变量并按照参数调整矢量动力机构做出相应动作;如图4所示,与主动模块直接相连的模块称为一级被动模块,与一级被动模块直接相连的称为二级被动模块,三级、四级以此类推;

    除一级被动模块外,其余被动模块与主动模块为间接电气连接,需要上一级被动模块作为数据中转,进行数据的交互。

    如图5所示,给出部单模块无人机结构图,包括:矢量动力机构a、模块化机身b、功能负载c,其中,该策略通过控制矢量动力机构a控制但模块无人机的姿态,该姿态包括z轴高度、水平面x轴、水平面y轴、z轴俯仰角;模块化机身b作为无人机与其他单元的拓扑结构物理形式,通过六边形的机身结构形成蜂窝式飞行阵列结构。六边形机身的六个面中,要求但不限于两个电气连接面、四个结构连接面。电气连接面传递数据,结构连接面保证拓扑结构的物理载体的稳定。功能负载c作为单模块无人机的特征结构,特征的功能单元具有不同的任务数据格式,例如雷达信号、图像信号以及综合任务信号等。要求功能负载与电气连接面之间有数据线连接,保证数据可以传输至其他模块。

    如图6所示,给出拓扑结构中与其直接电气连接的模块间信息交换过程如下:

    单模块无人机之间通过实现电气连接与结构连接组成多模块阵列,通过模块之间的信息交互实现阵列功能的实现,单模块无人机至少包括:

    控制中心01,为控制数据的收发、地面站命令的接收、无人机姿态的调整;

    矢量动力单元02,接收控制中心输出的pwm数据,调整姿态;

    载荷单元03,为模块无人机的任务系统,具体包括但不限于:雷达,图像等;

    can控制器04,将数据打包成can标准/解包成数字信号,与控制中心01进行数据的直接传输;

    姿态传感器05,获取单模块无人机的姿态信息与位置信,传递给控制中心01;

    无线通信系统06,接收地面站的命令信息,控制中心01解析该命令并完成命令,并不参与其他数据的发送,具体的指挥中心发送标准视情况而定;

    能源07,为系统提供能源;

    zigbee芯片08,组成阵列的局域网系统,用于阵列内数据的传输通信;

    电气接口09,实现模块之间任务数据的交互。

    本发明中,拓扑结构的物理表现形式包括但不限于链式结构与组网式结构。两种拓扑结构物理表现形式不同;拓扑结构中次级被动模块的生长方式不同(链式为单纯增加拓扑结构的被动模块级数;组网式为填充不为满的次级被动模块才继续增加级数);数据交互时使用的物理线路与产生的物理延时时间不同。其余的操作策略形式完全相同。

    本发明中单模块无人机由控制中心01输出pwm数据控制矢量动力单元进行姿态稳定;载荷单元03产生的任务数据经过控制中心01处理,形成数字信号;然后经过can控制器04将数据打包成can标准数据;发送至zigbee芯片08中,并经由电气接口09发送至局域网络中;网络中需要该数据的模块无人机获取该数据,不需要该数据的模块无人机忽略该数据;数据的接收端动作:模块响应zigbee局域网数据,通过电气接口09首先由zigbee芯片08接收;执行数据校验工作,然后传递给can控制器03;处理完成后的数据由can标准转化为标准数字信号传入控制中心01。

    在本发明的描述中,需要理解的是,术语“飞行阵列”、“拓扑结构”与“阵列”、“单模块”与“无人机”等描述词为同一对象,为语句服务使行文规范。其余指示代词,“x轴”、“y轴”、“z轴”、“俯仰”等位置关系为基于附图所示方位或位置关系,仅是为了描述本发明专利和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明专利的限制。

    以上对本发明的具体实例进行了描述,本实例中没有详细叙述的属本行业的公知常用手段,这里不进行逐一叙述。本发明不限于上述特定的实施方式,以上实例并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是在本发明权利要求范围内的修改或变形均属于本发明的保护范围之内。


    技术特征:

    1.一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:至少包括:拓扑结构中的单模块无人机,单模块无人机包括有独立的姿态控制过程:依据单模块无人机的独立的姿态控制过程进行如下模块化飞行阵列控制:

    步骤1——主控模块发射,并保持悬停;

    步骤2——生成拓扑结构,并等待拓扑结构的成功,当拓扑结构生成后,进入步骤3,向拓扑结构中加入卫星模块;

    步骤3——更新卫星,卫星模块与主控模块对接,执行步骤3.1,建立电气连接;执行步骤3.2,系统接收卫星模块加载的信号;执行步骤3.3,系统更新拓扑结构,形成加入卫星功能的拓扑结构,并产生卫星计数值;执行步骤3.4,判断卫星模块是否加载完成,待加载的卫星模块数量根据结果是进入步骤4;

    步骤4——更新能源,能源模块与已有模块对接,执行步骤4.1建立电气连接;执行步骤4.2,系统接收能源模块加载的信号;执行步骤4.3,系统更新拓扑结构,形成加入能源功能的拓扑结构,产生能源计数值;执行步骤4.4,判断能源模块是否加载完成,判断待加载的能源模块数量根据结果是进入步骤5;

    步骤5——更新功能,功能模块(包括但不限于雷达设备、图像设备、新能源等)加入到拓扑结构中;功能模块与已有模块对接,执行步骤5.1建立数据连接;执行步骤5.2,系统接收功能模块加载的信号;执行步骤5.3,系统更新拓扑结构,形成加入具体功能的拓扑结构,并产生功能计数值;执行步骤5.4,判断功能模块是否加载完成,判断待加载的功能模块数量根据结果是进入步骤6;

    步骤6——阵列拓扑结构更新,此步骤为整体更新,通过比较当前的拓扑结构与目标拓扑结构产生拓扑结构完成与否的信号量;

    步骤7——阵列模块判断,该步骤判断飞行阵列是否完成;通过接收步骤6的结果,并根据结果“是”进入结束——阵列组装完成,执行任务;根据结果“否”重新进入循环,判断步骤3和步骤5形成的卫星、能源、功能计数值;将结果输入至步骤8;

    步骤8——模块加载/卸载分支,首先执行步骤8.1,主控模块根据卫星、能源、功能三个模块计数值是否加载完成进入对应的步骤8.2a、8.2b、8.3c,判断卫星、能源、功能三个模块计数值的值是否为零;不为零则进入相应的步骤中,执行对应模块的更新操作;判断卫星、能源、功能三个模块计数值具备不同的权重。

    2.根据权利要求1所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:所述的权重大小依次为:卫星>能源>功能。

    3.根据权利要求1所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:单模块无人机的姿态控制过程为:无人机首先通过无线收发设备获取指挥中心发送的控制命令;

    无人机通过姿态传感器测量无人机的实际姿态数据;

    无人机获取由飞控系统计算出的高度计算值、俯仰角度计算值、偏航角度计算值、滚转角度计算值作为无人机的将目标姿态数据,与无人机从传感器测量的高度、俯仰角、偏航角和滚转角实际姿态数据做差值输出至pid控制器;

    四个pid调整回路分别控制x轴横向位置、y轴纵向位置、z轴高度位置、z轴角度位置,并根据对接传感器测出的模块间距离以及方位角等信息进行二次调整;

    控制系统将来自pid控制器的数据进行整合处理,进行姿态调整;

    通过姿态调整算法输出四种控制调整量:

    z轴调整量控制无刷电机实现高度的调整,y轴调整量控制矢量动力机构外环实现水平面纵向调整,x轴调整量控制矢量动力机构内环实现水平面横向调整,z轴角度调整量控制共轴螺旋桨差速转动实现偏航角的调整。

    4.根据权利要求1所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:所述的步骤1包括:

    主控模块得到姿态调整量:z轴调整量、y轴调整量、x轴调整量、z轴角度调整量,作为飞行阵列姿态的调整动作发出者,按照单模块调整方法,

    将这四个调整量进行处理得到输出数据变量φ(α,β,γ,δ),参数α为矢量动力机构绕x轴旋转角度;参数β为矢量动力机构绕y轴旋转角;参数γ为电机转速;参数δ为电机差速;

    主控模块向拓扑结构中与其直接电气连接的一级被动模块输出变量φ(α,β,γ,δ),与其间接连接的次级被动模块经由中间模块实现变量的传递;

    被动模块接收到φ变量并按照参数调整矢量动力机构做出相应动作。

    5.根据权利要求4所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:所述的与主动模块直接相连的模块称为一级被动模块,与一级被动模块直接相连的称为二级被动模块,三级、四级以此类推;除一级被动模块外,其余被动模块与主动模块为间接电气连接,需要上一级被动模块作为数据中转,进行数据的交互。

    6.根据权利要求1所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:拓扑结构中的单模块无人机包括:

    控制中心(01),为控制数据的收发、地面站命令的接收、无人机姿态的调整;

    矢量动力单元(02),接收控制中心输出的pwm数据,调整姿态;

    载荷单元(03),为模块无人机的任务系统,具体包括但不限于:雷达,图像等;

    can控制器(04),将数据打包成can标准/解包成数字信号,与控制中心01进行数据的直接传输;

    姿态传感器(05),获取单模块无人机的姿态信息与位置信,传递给控制中心01;

    无线通信系统(06),接收地面站的命令信息,控制中心(01)解析该命令并完成命令,并不参与其他数据的发送,具体的指挥中心发送标准视情况而定;

    能源(07),为系统提供能源;

    zigbee芯片(08),组成阵列的局域网系统,用于阵列内数据的传输通信;

    电气接口(09),实现模块之间任务数据的交互。

    7.根据权利要求1所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:单模块无人机由控制中心(01)输出pwm数据控制矢量动力单元进行姿态稳定;载荷单元(03)产生的任务数据经过控制中心(01)处理,形成数字信号;然后经过can控制器(04)将数据打包成can标准数据;发送至zigbee芯片(08)中,并经由电气接口(09)发送至局域网络中;网络中需要该数据的模块无人机获取该数据,不需要该数据的模块无人机忽略该数据;数据的接收端动作:模块响应zigbee局域网数据,通过电气接口(09)首先由zigbee芯片(08)接收;执行数据校验工作,然后传递给can控制器(04);处理完成后的数据由can标准转化为标准数字信号传入控制中心(01)。

    8.根据权利要求1所述的一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:拓扑结构物理表现形式可以分为有两种:链式结构与组网式结构。

    技术总结
    本发明属于控制技术领域,具体涉及一种具备自主性的模块化飞行阵列控制方法,其特征是:至少包括:拓扑结构中的单模块无人机,单模块无人机包括有独立的姿态控制过程:依据单模块无人机的独立的姿态控制过程进行如下模块化飞行阵列控制。它提出一种具有灵活的姿态调整动作、CAN总线具有良好的数据抗干扰能力、数据延迟小、可靠性高、能够准确及时地更新阵列、具有良好的功能拓展性的具备自主性的模块化飞行阵列控制方法。

    技术研发人员:张树新;姜伟涛;王耀华;段宝岩;张硕;代季鹏
    受保护的技术使用者:西安电子科技大学
    技术研发日:2020.12.11
    技术公布日:2021.03.12

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