一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法、装置及系统与流程

1.本发明涉及无人机设备领域，具体为一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法、装置及系统。


背景技术：

2.无人机螺旋桨变距是指无人机飞行过程中为了让发动机/电机发挥最大有效功率，螺旋桨根据飞行速度自动(或人工)改变桨叶角的控制过程，其中螺旋桨桨叶角与飞行速度的对应关系一般可以通过发动机/电机厂家提供或者通过发动机/电机试车台试验数据拟合而成。这个控制过程，一般通过飞控控制舵机，舵机驱动变距操纵结构实现。目前实际飞行过程中，飞控根据飞行速度，计算出发动机/电机发挥出最大有效功率时螺旋桨的期望桨叶角，然后根据这个期望桨叶角，给出相应的舵机控制量(桨叶角与舵机控制量一般为线性关系，通过地面打舵静态标定获取)，舵机根据控制量驱动变距操纵结构输出点移动一定的行程量实现螺旋桨变距。整个控制过程是一个基于静态工况下先验数据的开环控制，没有反馈校准。
3.现有无人机螺旋桨变距控制是一个开环控制，实际飞行过程中，由于执行机构安装虚位、动态负载工况下变距操纵结构存在形变等机械误差，会导致螺旋桨实际桨叶角与飞控期望桨叶角存在偏差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法，包括：接收来自拉线位移传感器采集的变距操纵结构输出点的移动位移量；根据期望桨叶角和拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算舵机控制量；将舵机输出量传输至舵机。
5.进一步地，期望桨叶角是根据厂家提供或事先测试拟合的螺旋桨桨叶角与飞行速度的线性转换关系，结合当前无人机飞行速度，计算出发挥发动机/电机最大有效功率时对应的桨叶角大小。
6.进一步地，计算舵机控制量具体包括如下子步骤：根据拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算实际螺旋桨桨叶角，根据期望桨叶角计算舵机控制量前馈；计算实际桨叶角与期望桨叶角的偏差值；根据实际桨叶角与期望桨叶角的偏差计算舵机控制量补偿；将舵机控制量前馈与舵机控制量补偿相加，得到飞控舵机控制量输出。
7.本发明还公开一种无人机飞控，包括接收单元、舵机控制量计算单元和发送单元；接收单元接收来自拉线位移传感器采集的变距操纵结构输出点的移动位移量；舵机控制量计算单元根据期望桨叶角和拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算舵机控制量；发送单元将舵机输出量传输至舵机。
8.进一步地，舵机控制量计算单元具体包括实际螺旋桨桨叶角计算模块、舵机控制量前馈计算模块、桨叶角偏差值计算模块、舵机控制量补偿计算模块和飞控舵机控制量计
算模块；
9.实际螺旋桨桨叶角计算模块根据拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算实际螺旋桨桨叶角；舵机控制量前馈计算模块根据期望桨叶角计算舵机控制量前馈；桨叶角偏差值计算模块用于计算实际桨叶角与期望桨叶角的偏差值；舵机控制量补偿计算模块根据实际桨叶角与期望桨叶角的偏差计算舵机控制量补偿；飞控舵机控制量计算模块将舵机控制量前馈与舵机控制量补偿相加，得到飞控舵机控制量。
10.进一步地，所述无人机飞控，还包括adc模块，用于将来自拉线位移传感器采集的变距操纵结构输出点的移动位移量模拟信号转换为数字信号。
11.进一步地，所述无人机飞控，还包括pwm模块，用于将计算得到的飞控舵机控制量转换为pwm控制信号，将pwm控制信号传输至舵机。
12.本发明还公开一种无人机变距螺旋桨闭环控制系统，包括：上述任一项所述的无人机飞控、舵机、变距操纵结构和拉线位移传感器；
13.拉线位移传感器一端通过传感器拉线连接变距操纵结构的输出点，另一端电连接飞控；飞控电连接舵机；舵机通过舵机臂/推杆连接变距操纵结构的输入点；变距操纵结构还连接无人机螺旋桨，变距操纵结构的输入点与输出点的位移变化带动无人机螺旋桨桨叶角变化。
14.本发明还公开一种无人机变距螺旋桨闭环控制系统的控制方法，应用于所述的无人机变距螺旋桨闭环控制系统中，包括：
15.拉线位移传感器采集变距操纵结构输出点的移动位移量，将变距操纵结构输出点的移动位移量反馈至飞控；
16.飞控根据期望桨叶角和拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算舵机控制量，将舵机输出量传输至舵机；
17.舵机根据舵机控制量驱动变距操纵结构输入点移动相应位移；
18.变距操纵结构将输入点的受力和移动位移经过内部结构传递给输出点，改变输出点的移动位移，从而改变螺旋桨桨叶角的大小。
19.本发明还公开一种计算机存储介质，其特征在于，包括：至少一个存储器和至少一个处理器；
20.存储器用于存储一个或多个程序指令；
21.处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行上述任一项所述的一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法。
22.本发明的有益效果为：
23.(1)该发明由飞控、舵机、变距操纵结构和拉线位移传感器组成闭环控制系统，由拉线位移传感器测量变距操纵结构输出点位移变化，将其传输给飞控，由飞控传输给舵机，舵机通过舵机臂或推杆来带动变距操纵结构的输入点转动，输入点运动传动给输出点，由此控制系统中的信号既有信号输入又有信号反馈，实现无人机系统的闭环控制。
24.(2)本发明的无人机变距螺旋桨闭环控制系统不仅能有效补偿开环控制系统的控制偏差，准确输出发挥发动机/电机最大有效功率的桨叶角，提高能效，并且还能起到系统故障监测作用。
附图说明
25.图1为本发明实施例一提供的无人机变距螺旋桨闭环控制系统示意图；
26.图2和图3为本发明的变距操纵结构示意图；
27.图4为本发明实施例二提供的一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法流程图；
28.图5为计算舵机控制量具体操作流程图；
29.图6为本发明实施例三提供的一种无人机变距螺旋桨闭环控制装置示意图；
30.图7为本发明实施例四提供的一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法流程图。
31.图中：1、飞控；2、舵机；3、变距操纵结构；4、拉线位移传感器；5、无人机螺旋桨；6、电源连接器；31、力矩输入点结构；32、力矩传递结构；33、力矩输出点结构；311、操纵杆；312、输入端块；61、接收单元；62、舵机控制量计算单元；63、发送单元；621、实际螺旋桨桨叶角计算模块；622、舵机控制量前馈计算模块；623、桨叶角偏差值计算模块；624、舵机控制量补偿计算模块；625、飞控舵机控制量计算模块。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例一
34.参看图1
‑
3：本发明实施例一提供一种无人机变距螺旋桨闭环控制系统，包括飞控1、舵机2、变距操纵结构3和拉线位移传感器4；飞控1连接舵机2、舵机2连接变距操纵结构3、变距操纵结构3连接拉线位移传感器4、拉线位移传感器4再连接飞控1，由此组成闭环控制系统。
35.其中，拉线位移传感器4一端通过传感器拉线连接变距操纵结构3的输出点，另一端电连接飞控1；飞控1电连接舵机2；舵机2通过舵机臂/推杆连接变距操纵结构3的输入点；变距操纵结构3还连接无人机螺旋桨5，变距操纵结构3的输入点与输出点的位移变化带动无人机螺旋桨5桨叶角变化。
36.具体地，拉线位移传感器4一端连接变距操纵结构3的输出点，测量变距操纵结构3的输出点位移，另一端通过第一信号线s和第一信号地线g与飞控1电连接，在拉线位移传感器4与飞控1之间设置adc模块，将拉线位移传感器4输出点位移模拟信号转换为飞控数字信号传输至飞控1。
37.飞控1通过第二信号线s和第二信号地线g与舵机2电连接，在飞控1与舵机2之间设置pwm模块，将飞控1信号转为舵机pwm控制信号传输至舵机2；
38.舵机2通过舵机臂/推杆连接变距操纵结构3的输入点，通过舵机臂/推杆驱动变距操纵结构3的输入点移动位移，变距操纵结构3将输入点位移传送至输出点，改变输出点位移；变距操纵结构3还连接无人机螺旋桨5，变距操纵结构的输入点和输出点的位移变化实现无人机螺旋桨5的桨叶角度变化。
39.舵机2与拉线位移传感器4分别连接电源连接器6，通过电源连接器6为闭环控制系统供电，可选地，电源连接器6可以用xt60型号。
40.进一步地，变距操纵结构3包括力矩输入点结构31、力矩传递结构32和力矩输出点结构33。力矩输入点结构31包括一体成型的操纵杆311和输入端块312，输入端块312固定在操纵杆311的一端，输入端块312连接舵机2的舵机臂/推杆，通过舵机臂/推杆的运动带动操纵杆311转动；操纵杆311的另一端连接力矩传递结构32，力矩传递结构32顶端连接多个力矩输出点结构33，操纵杆311转动带动力矩传递结构32运动，力矩传递结构32将运动传递给力矩输出点结构33，带动力矩输出点结构33运动；每个力矩输出点结构上端与无人机螺旋桨5对应的桨叶桨毂变距铰直连，力矩输出点结构33运动带动桨叶桨毂变距铰运动，由此实现桨叶角的变化。本发明的变距操纵结构是一种力矩传递结构，用于放大操纵输入位移大小、放大操纵输入力大小、或者将弧线运动操纵输入转换为严格的直线运动输出。
41.综上所述，本发明在使用时，拉线位移传感器4测量变距操纵结构3输出点位移，将输出点位移信号通过第一信号线s和第一信号地线g传输至飞控1，飞控1通过第二信号线s和第二信号地线g向舵机2发送pwm控制信号，舵机2通过舵机臂/推杆连接变距操纵结构3的输入点，通过舵机臂/推杆驱动变距操纵结构3的输入点移动位移，变距操纵结构3将输入点位移传送至输出点，改变输出点位移；变距操纵结构3还连接无人机螺旋桨5，变距操纵结构3的输入点和输出点的位移变化实现无人机螺旋桨5的桨叶角度变化。由此飞控1、舵机2、变距操纵结构3和拉线位移传感器4之间的信号既有输出又有输入，实现闭环控制系统。
42.实施例二
43.如图4所示，本发明实施例二提供一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法，应用于飞控中，包括如下步骤：
44.步骤410、接收来自拉线位移传感器采集的变距操纵结构输出点的移动位移量；
45.步骤420、根据期望桨叶角和拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算舵机控制量；
46.其中，飞控根据厂家提供或事先测试拟合的螺旋桨桨叶角与飞行速度的线性转换关系，结合当前无人机飞行速度，计算出发挥发动机/电机最大有效功率时对应的桨叶角大小，这个桨叶角即期望桨叶角。
47.本发明实施例中，如图5所示，计算舵机控制量具体包括如下子步骤：
48.步骤510、根据拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算实际螺旋桨桨叶角，根据期望桨叶角计算舵机控制量前馈；
49.在无人机静态条件下，通过测试标定得到变距操纵结构输出点的移动位移量与实际螺旋桨桨叶角的线性转换关系，即w
t
＝α
·
λ
t
，w
t
为测量的t时刻移动位移量，λ
t
为实际桨叶角，α为线性关系系数，由无人机结构和尺寸标定，根据两者之间的线性关系，然后在正常工作时，在变距操纵结构输出点的移动位移量确定时即可确定实际桨叶角；
50.并且在无人机静态条件下，通过测试标定得到舵机控制量前馈与螺旋桨桨叶角的线性转换关系，然后在正常工作时，飞控根据这个转换关系，结合当前期望桨叶角，计算出舵机控制量前馈。
51.步骤520、计算实际桨叶角与期望桨叶角的偏差值；
52.实际桨叶角与期望桨叶角的偏差值e(t)＝λ0‑
λ
t
，λ
t
为根据测量值计算得到的t时刻的实际桨叶角，λ0为期望桨叶角。
53.步骤530、根据实际桨叶角与期望桨叶角的偏差计算舵机控制量补偿；
54.计算舵机控制量补偿的具体公式为：
[0055][0056]
其中，μ(t)为舵机控制量补偿随时间的变化输出曲线；e(t)为实际桨叶角与期望桨叶角的偏差；k
p
为输出的舵机控制量与输入的偏差值的比例系数，t
i
为积分时间；t
d
为微分时间；k
p
、t
i
和t
d
通过实际调试获取或通过控制建模仿真获取。
[0057]
步骤540、将舵机控制量前馈与舵机控制量补偿相加，得到飞控舵机控制量输出。
[0058]
返回参见图4，步骤430、将舵机输出量传输至舵机。
[0059]
实施例三
[0060]
如图6所示，本发明实施例三提供一种无人机变距螺旋桨闭环控制装置60，即飞控，包括接收单元61、舵机控制量计算单元62和发送单元63；
[0061]
其中，接收单元61接收来自拉线位移传感器采集的变距操纵结构输出点的移动位移量；舵机控制量计算单元62根据期望桨叶角和拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算舵机控制量；发送单元63将舵机输出量传输至舵机。
[0062]
具体地，舵机控制量计算单元62具体包括实际螺旋桨桨叶角计算模块621、舵机控制量前馈计算模块622、桨叶角偏差值计算模块623、舵机控制量补偿计算模块624和飞控舵机控制量计算模块625；
[0063]
实际螺旋桨桨叶角计算模块621根据拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算实际螺旋桨桨叶角；舵机控制量前馈计算模块622根据期望桨叶角计算舵机控制量前馈；桨叶角偏差值计算模块623用于计算实际桨叶角与期望桨叶角的偏差值；舵机控制量补偿计算模块624根据实际桨叶角与期望桨叶角的偏差计算舵机控制量补偿；飞控舵机控制量计算模块625将舵机控制量前馈与舵机控制量补偿相加，得到飞控舵机控制量。
[0064]
进一步地，所述装置还包括adc模块，用于将来自拉线位移传感器采集的变距操纵结构输出点的移动位移量模拟信号转换为数字信号；并且所述装置还包括pwm模块，用于将计算得到的飞控舵机控制量转换为pwm控制信号，将pwm控制信号传输至舵机。
[0065]
实施例四
[0066]
如图7所示，本发明实施例四提供一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法，应用于闭环控制系统中，包括如下步骤：
[0067]
步骤710、拉线位移传感器采集变距操纵结构输出点的移动位移量，将变距操纵结构输出点的移动位移量反馈至飞控；
[0068]
具体地，拉线位移传感器通过传感器拉线连接变距操纵结构的输出点，测量变距操纵结构输出点的移动位移量，拉线位移传感器与飞控之间电连接，拉线位移传感器输出一般为模拟量，包括电流、电压、电阻信号等，飞控需要通过adc将拉线位移传感器测量的移动位移量的模拟信号转换为飞控数字信号。
[0069]
步骤720、飞控根据期望桨叶角和拉线位移传感器反馈的变距操纵结构输出点的移动位移量计算舵机控制量，将舵机输出量传输至舵机；
[0070]
步骤730、舵机根据舵机控制量驱动变距操纵结构输入点移动相应位移；
[0071]
步骤740、变距操纵结构将输入点的受力和移动位移经过内部结构传递给输出点，
改变输出点的移动位移，从而改变螺旋桨桨叶角的大小。
[0072]
与上述实施例对应的，本发明实施例提供一种计算机存储介质，包括：至少一个存储器和至少一个处理器；
[0073]
存储器用于存储一个或多个程序指令；
[0074]
处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法。
[0075]
与上述实施例对应的，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机存储介质中包含一个或多个程序指令，一个或多个程序指令用于被处理器执行一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法。
[0076]
本发明所公开的实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述的一种无人机变距螺旋桨闭环控制方法。
[0077]
在本发明实施例中，处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0078]
可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。处理器读取存储介质中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0079]
存储介质可以是存储器，例如可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。
[0080]
其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read
‑
only memory，简称rom)、可编程只读存储器(programmable rom，简称prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，简称eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，简称eeprom)或闪存。
[0081]
易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，简称ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，简称sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，简称dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，简称sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data ratesdram，简称ddrsdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhancedsdram，简称esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，简称sldram)和直接内存总线随机存取存储器(directrambus ram，简称drram)。
[0082]
本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
[0083]
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件与软件组合来实现。当应用软件时，可以将相应功能存储在计算机可读介质
中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
[0084]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。