專利名稱：無人機(jī)uav自動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于無人機(jī)UAV (Unmanned Aerial Vehicle)的技術(shù)領(lǐng)域,且特別是有關(guān)于無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，全球定位系統(tǒng)GPS ( Global Positioning System)以及高分辨率航拍傳感器在航空攝影中的應(yīng)用，使得航空攝影測(cè)量技術(shù)有了極大的發(fā)展，成為了一門集遙感、遙控、遙測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的新型實(shí)用技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，這一技術(shù)更是從軍事領(lǐng)域逐步應(yīng)用到民用與工業(yè)領(lǐng)域，近期提出的“數(shù)字化城市”和“數(shù)字化地球”的概念，正是這一技術(shù)轉(zhuǎn)入民用的具體體現(xiàn)。航空攝影測(cè)量技術(shù)就是對(duì)飛行過程中采集的航拍圖像進(jìn)行數(shù)字化、二維立體化處 理，得到各種地面目標(biāo)的空間信息或狀態(tài)信息，以滿足人們對(duì)各種具體應(yīng)用的信息需求?，F(xiàn)在，航空攝影測(cè)量技術(shù)已廣泛地應(yīng)用十軍事、災(zāi)害評(píng)估、生態(tài)研究、交通運(yùn)輸、測(cè)繪、城市規(guī)劃等許多方面；在電力系統(tǒng)中，航空攝影測(cè)量技術(shù)也開始得到應(yīng)用，其中輸電線路巡檢是一個(gè)重要的應(yīng)用方向。輸電線路擔(dān)負(fù)著電力傳輸?shù)闹匾氊?zé)，對(duì)輸電線路的定期巡檢是有效保證輸電線路及其設(shè)備安全運(yùn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超高壓、大容量、長距離輸電線路越建越多，現(xiàn)有的輸電線路通道資源變得日趨緊張，輸電線路越來越遠(yuǎn)離城市和主要交通干道，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜。傳統(tǒng)人工巡檢的作業(yè)方式，越來越受到自然條件的限制，無法滿足實(shí)際的需要。采用直升機(jī)輸電線路巡檢方式具有高效、快捷、可靠、成本低、不受地域影響等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國輸電線路巡檢的重要方式?！爸鄙龣C(jī)巡視為主，人工巡視為輔”是我國目前高壓、超高壓線路巡檢的主要方向。長時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全隱患，即:
(1)在日常的直升機(jī)巡檢工作中，直升機(jī)巡檢的工作方式主要有目測(cè)、儀器觀察和儀器自動(dòng)檢測(cè)相結(jié)合，主要的工作方式是目測(cè)，包括借助望遠(yuǎn)鏡觀察，或事后觀看攝影、攝像記錄的圖像以判斷線路故障及隱患，顯然，這種方式效率低、受主客觀因素影響大、測(cè)量精度難以保證，并且由于是人工巡視為輔，使得檢測(cè)的自動(dòng)化程度大大降低；
(2)為了保護(hù)航拍人員的人身安全，一般直升機(jī)和電線之間的距離一般有2(T30米遠(yuǎn)，這么遠(yuǎn)的距離無疑加大了相機(jī)和測(cè)量物體之間航拍的難度，有的時(shí)候會(huì)影響到圖像的清晰度；
(3)對(duì)于采用直升機(jī)航拍的圖像一般都是通過相機(jī)航拍后存儲(chǔ)在某個(gè)存儲(chǔ)器中，然后通過事后的錄像研究，對(duì)于有疑問的區(qū)域進(jìn)行分析，為了保證準(zhǔn)確度有的時(shí)候還需要二次甚至多次拍攝，無疑增加了試驗(yàn)費(fèi)用；
(4)在直升機(jī)巡檢過程中，可以攜帶可見光數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝相機(jī)和紅外熱成像儀等設(shè)備記錄巡檢線路的圖像信息，這些圖像信息包含了輸電線路的基本特征及運(yùn)行狀態(tài)，不具有實(shí)時(shí)分析的功能；(5)采用直升機(jī)巡檢采用目測(cè)方式本身的風(fēng)險(xiǎn)性很高，易發(fā)生人身或硬件等事故；增加了試驗(yàn)的危險(xiǎn)性；
(6)由于直升機(jī)巡檢的特殊性，航拍圖像在成像過程中出現(xiàn)的畸變、模糊、失真或混入噪聲，造成圖像質(zhì)量的下降，這使得后期的處理非常麻煩；
(7)由于一年中四季的更替，使得輸電走廊的自然環(huán)境和地貌不斷變化，采集的各種圖像隨著環(huán)境的變化，背景變得非常復(fù)雜，對(duì)比度降低，目標(biāo)干擾增多，同時(shí)，其他自然地貌，與人工建筑也使圖像背景的復(fù)雜程度進(jìn)一步加深，由于不具有實(shí)施性使得復(fù)雜自然背景下目標(biāo)的提取與識(shí)別非常困難，復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)提取是現(xiàn)在直升機(jī)系統(tǒng)測(cè)量的一個(gè)主要技術(shù)問題和瓶頸；
(8)輸電線路巡檢中需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備種類很多，故障的類型也是多種多樣，所以，在后期診斷過程中需根據(jù)錄像分析并計(jì)算不同設(shè)備和故障類型，并根據(jù)數(shù)據(jù)粗略估算故障的位置，然后采用人工目測(cè)二次確定。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中“直升機(jī)巡視為主，人工巡視為輔”高壓巡線的局限性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器單元、控制器、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、第四電機(jī)、信號(hào)處理器以及無人機(jī)，所述的處理器單元發(fā)出控制信號(hào)至所述控制器，通過所述的控制器把控制信號(hào)分為第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別控制所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)，其中，通過所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理器合成之后，控制無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括DSP處理器、FPGA處理器以及設(shè)于DSP處理器和FPGA處理器的上位機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和地面無線裝置模塊，所述的上位機(jī)系統(tǒng)包括人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊以及I/O控制模塊，所述的地面無線裝置模塊與多軸伺服控制模塊通訊，其中，DSP處理器用于控制人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、I/O控制模塊以及地面無線裝置模塊，F(xiàn)PGA處理器用于控制多軸伺服控制模塊，且DSP處理器及FPGA處理器之間實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)還包括電池，所述電池進(jìn)一步與第一電機(jī)和第四電機(jī)的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第一電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)以及第四電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電池進(jìn)一步與第二電機(jī)和第三電機(jī)的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第二電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)以及第三電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括轉(zhuǎn)換模塊，所述的轉(zhuǎn)換模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括編碼器模塊，所述的編碼器模塊用于檢測(cè)無人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號(hào)。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括電流模塊，所述的電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到無人機(jī)需要的范圍。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括速度模塊，所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測(cè)無人機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測(cè)的結(jié)果來調(diào)節(jié)無人機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括位移模塊，所述的位移模塊用于檢測(cè)無人機(jī)是否到達(dá)既定位移，如果離既定過遠(yuǎn)，發(fā)出加速指令至控制器；如
果離既定位移過近，則發(fā)出減速指令至控制器。在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的多軸伺服控制模塊還包括高度模塊，所述的高度模塊用于檢測(cè)無人機(jī)是否達(dá)到既定高度，如果離既定過低，發(fā)出升高指令至控制器；如果離既定過高，則發(fā)出降低指令至控制器。本發(fā)明的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，為了提高運(yùn)算速度，保證無人機(jī)UAV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在單片的DSP處理器中引入FPGA處理器，形成基于DSP+FPGA的雙核處理器，并舍棄了傳統(tǒng)無人機(jī)采用燃油機(jī)的結(jié)構(gòu)，并充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，實(shí)現(xiàn)單一控制器同步控制四個(gè)電機(jī)的功能，把無人機(jī)UAV控制系統(tǒng)中工作量最大的多軸伺服控制模塊交給FPGA處理器處理，充分發(fā)揮FPGA處理器數(shù)據(jù)處理速度較快的特點(diǎn)，而人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、I/O控制模塊以及地面無線裝置模塊等功能交給DSP處理器控制，這樣就實(shí)現(xiàn)了 DSP處理器與FPGA處理器的分工，把DSP處理器從繁重的工作量中解脫出來，打破了現(xiàn)有技術(shù)中“直升機(jī)巡視為主，人工巡視為輔”高壓巡線的局限性。


圖I為本發(fā)明較佳實(shí)施例的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框 圖2為圖I中處理器單元的方框 圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的無人機(jī)飛行受力圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)集成芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，DSP處理器由于其快速的計(jì)算能力，不僅廣泛應(yīng)用于通信與視頻信號(hào)處理，也逐漸應(yīng)用在各種高級(jí)的控制系統(tǒng)中。AD公司的ADSP-21XX系列提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力和解決方案，其中的ADSP-2188指令執(zhí)行速度高達(dá)75MIPS，加上獨(dú)立的算術(shù)邏輯單元，擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該芯片內(nèi)，可以極大地簡化外圍電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理能力。
基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的FPGA處理器及現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的EDA技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)方法是最近幾年出現(xiàn)了一種全新的設(shè)計(jì)思想。雖然FPGA處理器本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般的集成電路所具有的功能，但用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要，通過特定的布局布線工具對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行重新組合連接，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發(fā)周期。由于FPGA處理器采用軟件化的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)，這樣就使得基于FPGA處理器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的可復(fù)用和修改性，這種全新的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)逐漸應(yīng)用在高性能的交流驅(qū)動(dòng)控制上，并快速發(fā)展。如圖2所示，為本發(fā)明較佳實(shí)施例的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖。本實(shí)施例中，無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)包括電池、處理單元、控制器、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、第四電機(jī)、信號(hào)處理器以及無人機(jī)。其中，所述電池為鋰離子電池，是一種供電裝置，為整個(gè)系統(tǒng)的工作提供工作電壓。所述電池進(jìn)一步與第一電機(jī)和第四電機(jī)的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第一電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)以及第四電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)；所述的電池進(jìn)一步與第二電機(jī)和第三電機(jī)的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第二電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)以及第三電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)?！け景l(fā)明中所述的處理器單元內(nèi)置控制系統(tǒng)及控制電路，所述的處理器單元發(fā)出控制信號(hào)至所述的控制器，通過所述的控制器把控制信號(hào)分為第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別控制所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)，其中，通過所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理器合成之后，控制無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)中單片的DSP處理器不能滿足無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性的要求，舍棄了無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)所采用單片的DSP處理器的工作模式，提供了基于DSP+FPGA處理器的全新控制模式。處理器單元以FPGA處理器為處理核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，把DSP處理器從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)部分的信號(hào)處理算法和FPGA處理器的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。請(qǐng)參閱圖2，所述處理器單元為一雙核處理器，其包括DSP處理器及FPGA處理器，二者可相互通訊，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。所述的處理器單元還包括設(shè)于DSP處理器和FPGA處理器的上位機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和地面無線裝置模塊，所述的上位機(jī)系統(tǒng)包括人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊以及I/O控制模塊，所述的地面無線裝置模塊與多軸伺服控制模塊通訊，其中，DSP處理器用于控制人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、I/O控制模塊以及地面無線裝置模塊，F(xiàn)PGA處理器用于控制多軸伺服控制模塊。上位機(jī)系統(tǒng)包括人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊以及在線輸出模塊。人機(jī)界面模塊包括開始/重啟按鍵及功能選擇鍵；GPS定位模塊用于定位高壓巡線的位置以及參數(shù)設(shè)置；在線輸出模塊模塊用于提示無人機(jī)的工作狀態(tài)，比如是無人機(jī)工作過程中或到站狀態(tài)提示。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊以及I/O控制模塊。其中，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊模塊為一存儲(chǔ)器；1/0控制模塊包括RS-232串行接口、ICE端口等。多軸伺服控制模塊進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)換模塊、編碼器模塊、電流模塊、速度模塊、位移模塊以及高度模塊。其中，所述轉(zhuǎn)換模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC, Analog to Digital Converter)及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC, Digital to Analog Converter);所述編碼器模塊用于檢測(cè)無人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號(hào)。所述電流模塊與電池和控制器、轉(zhuǎn)換模塊連接。轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)電池和控制器的電流，判斷工作功率，并把功率狀況反饋至電池，電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到無人機(jī)需要的范圍。所述速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測(cè)無人機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測(cè)的結(jié)果來調(diào)節(jié)無人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。所述位移模塊檢測(cè)無人機(jī)是否到達(dá)既定位移，如果離既定過遠(yuǎn)，發(fā)出加速指令至控制器；如果離既定位移過近，則發(fā)出減速指令至控制器。 所述高度模塊用于檢測(cè)無人機(jī)是否達(dá)到既定高度，如果離既定過低，發(fā)出升高指令至控制器；如果離既定過高，則發(fā)出降低指令至控制器。對(duì)于處理器單元為一雙核處理器，在電源打開狀態(tài)下，先由人機(jī)界面模塊工作，再根據(jù)實(shí)際工作需要，在人機(jī)界面上選擇無人機(jī)的區(qū)域位置，無人機(jī)把實(shí)際運(yùn)行傳輸參數(shù)給給處理器單元中的DSP處理器，DSP處理器處理后與FPGA處理器通訊，然后由FPGA處理器處理四個(gè)電機(jī)的多軸伺服控制模塊，并把處理數(shù)據(jù)通訊給DSP處理器，由DSP處理器繼續(xù)處理后續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合以上描述，上位機(jī)系統(tǒng)包括人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊、在線輸出模塊等功能；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、1/0控制模塊等功能；所述的地面無線裝置模塊與多軸伺服控制模塊通訊。其中工作量最大的多軸伺服控制模塊交給FPGA處理器控制，其余的包括上位機(jī)系統(tǒng)和無線裝置模塊交給DSP處理器控制，這樣就實(shí)現(xiàn)了 DSP處理器與FPGA處理器的分工，同時(shí)二者之間也可以進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。請(qǐng)參閱圖3，本發(fā)明中無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)具體的功能實(shí)現(xiàn)如下
1)在無人機(jī)未接到任何指令之前，它一般會(huì)和普通直升機(jī)沒有區(qū)別，固定在某一個(gè)區(qū)域，開電后會(huì)直接進(jìn)入垂直升降運(yùn)動(dòng)自鎖狀態(tài)，一直等待地面無線塔臺(tái)的指令或者是機(jī)載升降命令；
2)當(dāng)無人機(jī)接到升高或降低指令后，將首先判斷電源情況，如果電源不正常，將向DSP處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP處理器會(huì)對(duì)中斷做第一時(shí)間響應(yīng)，如果DSP處理器的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，無人機(jī)上的四個(gè)電機(jī)將被自鎖，無人機(jī)處于停止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
3)當(dāng)無人機(jī)接到飛行指令后，如果電源正常，無人機(jī)將進(jìn)行正常的升高運(yùn)動(dòng)，控制器通過PWM輸出同時(shí)增加四個(gè)旋翼電機(jī)Ml、M2、M3、M4的輸出功率，并保證四個(gè)旋翼處于一個(gè)平面，旋翼轉(zhuǎn)速隨之增加，使總合拉力u=fl+f2+f3+f4增大并能克服無人機(jī)自身重力mg，當(dāng)u-mg>0時(shí)，則無人機(jī)向上垂直升高，判斷高度的壓力傳感器將工作，當(dāng)進(jìn)入預(yù)設(shè)高度附近時(shí)，通過PWM輸出同時(shí)慢慢減小四個(gè)旋翼電機(jī)Ml、M2、M3、M4的輸出功率，使總合拉力u=fl+f2+f3+f4減小，當(dāng)u - mg=0時(shí),則鎖定當(dāng)前各個(gè)電機(jī)的功率,飛機(jī)進(jìn)入直線飛行狀態(tài)，并開啟航拍裝置，準(zhǔn)備實(shí)時(shí)向地面?zhèn)骰嘏臄z圖像；
4)當(dāng)無人機(jī)在直線飛行狀態(tài)接到地面無線降低高度請(qǐng)求時(shí)，控制器通過PWM輸出會(huì)同時(shí)減小四個(gè)旋翼電機(jī)Ml、M2、M3、M4的輸出功率，并保證四個(gè)旋翼處于一個(gè)平面，此時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速隨之減少，使得總合拉力u=fl+f2+f3+f4也隨之減少，當(dāng)U- mg<0時(shí),則無人機(jī)向下作垂直降落飛行，此時(shí)判斷高度的壓力傳感器將工作，當(dāng)進(jìn)入預(yù)設(shè)高度時(shí)，通過PWM輸出同時(shí)慢慢增加四個(gè)旋翼電機(jī)Ml、M2、M3、M4的輸出功率，使總合拉力u=f l+f2+f3+f4增加，當(dāng)u - mg=0時(shí)，則鎖定當(dāng)前各個(gè)電機(jī)的功率，飛機(jī)進(jìn)入直線飛行狀態(tài)，并開啟航拍裝置，準(zhǔn)備實(shí)時(shí)向地面?zhèn)骰嘏臄z圖像；
5)當(dāng)控制M3電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，其拉力f3隨之增大，同時(shí)控制Ml電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，其拉力fl隨之減少，保持其它旋翼轉(zhuǎn)速不變，使得M3電機(jī)產(chǎn)生的拉力f3與之對(duì)稱的Ml電機(jī)產(chǎn)生的拉力fl之差大于零，即f3_fl>0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向前的水平分量，機(jī)身向前俯仰側(cè)傾滾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生俯仰角0，因此可控制飛行向前飛行；
6)當(dāng)控制Ml電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，其拉力fl隨之增大，同時(shí)控制M3電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，其拉力f3隨之減少，保持其它旋翼轉(zhuǎn)速不變，使得Ml電機(jī)產(chǎn)生的拉力fl與之對(duì)稱的M3電機(jī)產(chǎn)生的拉力f3之差大于零，即fl _f3>0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向后的水平分量，機(jī)身向后俯仰側(cè)傾滾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生俯仰角0，因此可控制飛行向后飛行；
7)當(dāng)M2電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，其拉力f2隨之而增大，同時(shí)控制M4電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，其拉力f4隨之減少，保持其它旋翼轉(zhuǎn)速不變，使得M2電機(jī)產(chǎn)生的拉力f2與之對(duì)稱的M4電機(jī)產(chǎn)生的拉力f4之差大于零，即f2-f4>0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向右水平分量，機(jī)身向右側(cè)傾滾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)向側(cè)傾滾轉(zhuǎn)角0，因此可控制飛行向右飛行動(dòng)作；
8)當(dāng)M4電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，其拉力f4隨之而增大，同時(shí)控制M2電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，其拉力f2隨之減少，保持其它旋翼轉(zhuǎn)速不變，使得M4電機(jī)產(chǎn)生的拉力f4與之對(duì)稱的M2電機(jī)產(chǎn)生的拉力f2之差大于零，即f4 - f2>0，可使旋翼拉力產(chǎn)生向左水平分量，機(jī)身向左側(cè)傾滾轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)向側(cè)傾滾轉(zhuǎn)角0，因此可控制飛行向左飛行動(dòng)作；
9)為了使無人機(jī)按照期望方向作水平順時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)，可控制使Ml電機(jī)與M3電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，使其產(chǎn)生的上升拉力fl與f3同時(shí)增加，與此同時(shí)，控制M2電機(jī)與M4電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小，使其產(chǎn)生的上升拉力f2與f4同時(shí)減少，保證無人機(jī)在空中的四旋翼總合拉力u與無人機(jī)自身重力mg相等，此時(shí)可控制無人機(jī)作水平順時(shí)針偏航飛行動(dòng)作，反之，則控制無人機(jī)作水平逆時(shí)針偏航飛行動(dòng)作；
10)為了使無人機(jī)按照期望方向作逆時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)，可控制使M2電機(jī)與M4電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，使其產(chǎn)生的上升拉力f2與f4同時(shí)增加，與此同時(shí)，控制Ml電機(jī)與M3電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小，使其產(chǎn)生的上升拉力fl與f3同時(shí)減少，保證無人機(jī)在空中的四旋翼總合拉力u與無人機(jī)自身重力mg相等，此時(shí)可控制無人機(jī)作水平逆時(shí)針飛行動(dòng)作；
11)通過控制器調(diào)節(jié)四旋翼電機(jī)Ml、M2、M3、M4所產(chǎn)生的上升拉力H、f2、f3、f4和合成力矩T使之共同作用于該無人機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各旋翼轉(zhuǎn)子角速度量的控制，從而可對(duì)無人機(jī)的各種姿態(tài)進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動(dòng)；
12)本無人機(jī)加入了濕度檢測(cè)系統(tǒng)，此濕度檢測(cè)系統(tǒng)由濕敏傳感器、測(cè)量電路和記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換和處理等功能，這樣當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入濕度較高環(huán)境中時(shí)，濕度檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)工作，如果發(fā)現(xiàn)不合適工作時(shí)，將自動(dòng)返航，有效地保護(hù)了無人機(jī)；13)本無人機(jī)裝備了多種報(bào)警系統(tǒng)，能通過無人機(jī)障礙探側(cè)系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動(dòng)懸停，并一直懸飛在當(dāng)前位置，并根據(jù)障礙物的性質(zhì)判斷是繞飛還是返航，這樣就保證了其在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對(duì)其的干擾。本發(fā)明無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)具有的有益效果是
1:采用無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)替代了普通直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)的體積更小、重量更輕、出力更大、啟動(dòng)和制動(dòng)性能更好；
2:在控制過程中，充分考慮了鋰離子電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于DSP+FPGA處理器時(shí)刻都在對(duì)鋰離子電池的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)能量不夠完成任務(wù)時(shí)會(huì)通知地面無線裝置并自動(dòng)返航，保證了無人機(jī)的安全；
3:由于采用的是無人機(jī)巡航，這使得無人機(jī)可以最大極限的接近高壓線，不會(huì)產(chǎn)生人體傷害等問題；
4:由于采用的是無人機(jī)巡航，這使得無人機(jī)可以最大極限的接近高壓線，使得輸電走 廊的自然環(huán)境和地貌變化對(duì)各種采集圖像的干擾大大降低；
5:本無人機(jī)是為了高壓巡線設(shè)計(jì)的，所以加入了高精度GPS定位系統(tǒng)，只要在執(zhí)行任務(wù)初期輸入各個(gè)塔臺(tái)的位置就可以自動(dòng)巡線；
6:為了提高UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)航拍的清晰度，加入了高清航拍裝置；
7:由FPGA處理器處理四個(gè)電機(jī)的全數(shù)字伺服控制，大大提高了運(yùn)算速度，解決了單片的DSP的處理器運(yùn)行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強(qiáng)；
8:完全實(shí)現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且還完全實(shí)現(xiàn)了多軸電機(jī)控制號(hào)的同步，有利于提聞無人機(jī)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能；
9:由于采用FPGA處理器處理大量的數(shù)據(jù)與算法，并充分考慮了高壓源對(duì)系統(tǒng)的干擾，并把DSP處理器從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了系統(tǒng)的“跑飛”，抗干擾能力大大增強(qiáng)；
10:本無人機(jī)的導(dǎo)航主要依賴GPS信號(hào)，然而GPS信號(hào)容易受到干擾，且在室內(nèi)等環(huán)境中很難接收到信號(hào)，由此開發(fā)了基于視覺導(dǎo)航的小型無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)GPS信號(hào)受到干擾后，將有地面無線裝置模塊根據(jù)適時(shí)傳輸畫面發(fā)送導(dǎo)航指令控制其導(dǎo)航；
11:本無人機(jī)加入了自動(dòng)懸停功能，當(dāng)無人機(jī)遇到緊急情況接到地面無線更改任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出原地停車指令，并迅速調(diào)整當(dāng)前四個(gè)電機(jī)的狀態(tài)，使無人機(jī)懸停在當(dāng)前狀態(tài)；
12:由于采用的是無人機(jī)巡航并適時(shí)傳回控制畫面，如果地面塔臺(tái)發(fā)現(xiàn)有可疑情況時(shí)可以讓無人機(jī)懸停然后及時(shí)處理和判斷故障；
13 :本無人機(jī)還可以加入濕度檢測(cè)系統(tǒng)，此濕度檢測(cè)系統(tǒng)由濕敏傳感器、測(cè)量電路和記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換和處理等功能，這樣當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入濕度較高環(huán)境中時(shí)，濕度檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)工作，如果發(fā)現(xiàn)不合適工作時(shí)，將自動(dòng)返航，有效地保護(hù)了無人機(jī)；
14:本無人機(jī)還可以裝備多種報(bào)警系統(tǒng)，能通過無人機(jī)障礙探測(cè)系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動(dòng)懸停，并一直懸飛在當(dāng)前位置，并根據(jù)障礙物的性質(zhì)判斷是繞飛還是返航，這樣就保證了在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對(duì)其的干擾。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器單元、控制器、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、第四電機(jī)、信號(hào)處理器以及無人機(jī)，所述的處理器單元發(fā)出控制信號(hào)至所述控制器，通過所述的控制器把控制信號(hào)分為第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別控制所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)，其中，通過所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理器合成之后，控制無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括DSP處理器、FPGA處理器以及設(shè)于DSP處理器和FPGA處理器的上位機(jī)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和地面無線裝置模塊，所述的上位機(jī)系統(tǒng)包括人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括多軸伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊以及I/O控制模塊，所述的地面無線裝置模塊與多軸伺服控制模塊通訊，其中，DSP處理器用于控制人機(jī)界面模塊、GPS定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、I/O控制模塊以及地面無線裝置模塊，F(xiàn)PGA處理器用于控制多軸伺服控制模塊，且DSP處理器及FPGA處理 器之間實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)還包括電池，所述電池進(jìn)一步與第一電機(jī)和第四電機(jī)的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第一電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)以及第四電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電池進(jìn)一步與第二電機(jī)和第三電機(jī)的輸出端連接，且處理器單元進(jìn)一步分別連接至第二電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)以及第三電機(jī)輸出端和電池之間的連接點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括轉(zhuǎn)換模塊，所述的轉(zhuǎn)換模塊用于把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括編碼器模塊，所述的編碼器模塊用于檢測(cè)無人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括電流模塊，所述的電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到無人機(jī)需要的范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括速度模塊，所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測(cè)無人機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測(cè)的結(jié)果來調(diào)節(jié)無人機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括位移模塊，所述的位移模塊用于檢測(cè)無人機(jī)是否到達(dá)既定位移，如果離既定過遠(yuǎn)，發(fā)出加速指令至控制器；如果離既定位移過近，則發(fā)出減速指令至控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的多軸伺服控制模塊還包括高度模塊，所述的高度模塊用于檢測(cè)無人機(jī)是否達(dá)到既定高度，如果離既定過低，發(fā)出升高指令至控制器；如果離既定過高，則發(fā)出降低指令至控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無人機(jī)UAV自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括處理器單元、控制器、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、第四電機(jī)、信號(hào)處理器以及無人機(jī)，所述的處理器單元發(fā)出控制信號(hào)至所述控制器，通過所述的控制器把控制信號(hào)分為第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別控制所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)，其中，通過所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)和第四電機(jī)的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理器合成之后，控制無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明打破了現(xiàn)有技術(shù)中“直升機(jī)巡視為主，人工巡視為輔”高壓巡線的局限性。
文檔編號(hào)G05D1/08GK102854881SQ20121034663
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者張好明, 王應(yīng)海, 史小波 申請(qǐng)人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院