基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合方法.pdf

本发明提供一种基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合方法，所述方法需提供FPGA模块、该FPGA模块中包括舵量控制信息融合处理电路；该舵量控制信息融合处理电路将无人机的飞控单元产生的自控舵量增量值和遥控接收机采集的手控舵量增量值进行相关联；方法具体为：定义一个与手控舵量的变化量△r及与自控舵量的变化量△c相关的增量权值σ，利用舵量控制信息融合处理电路和增量权值σ决定手控舵量与自控舵量在总输出舵量的百分比值；达到手控舵量和自控舵量任一舵量发生变化时，均能使增量较大的控制舵量能实时地反映在输出舵量。本发明能实时地更新各自的控制舵量，且时间周期提高到了微秒级，极大地提高响应速度，从而提高无人飞机的机动飞行性能。

权利要求书
1.  一种基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合方法，其特征在于： 所述方法需提供FPGA模块、该FPGA模块中包括舵量控制信息融合处理 电路；该舵量控制信息融合处理电路将无人机的飞控单元产生的自控舵量增 量值和遥控接收机采集的手控舵量增量值进行相关联；所述方法具体为：定 义一个与手控舵量的变化量Δr及与自控舵量的变化量Δc相关的增量权值 σ，利用舵量控制信息融合处理电路和增量权值σ决定手控舵量与自控舵量 在总输出舵量的百分比值，达到手控舵量和自控舵量任一舵量发生变化时， 均能使增量较大的控制舵量能实时地反映在输出舵量上，达到实时控制舵机 的目的。

2.  根据权利要求1所述的基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合 方法，其特征在于：所述融合方法是基于高频的时钟脉冲周期，把采集并经 过滤波处理的多路遥控手控舵量信息，与飞控单元得出的自控舵量信息，进 行权值累加和融合处理。

3.  根据权利要求1所述的基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合 方法，其特征在于：当有手控舵量时，手控信号就有增量值产生，从而增量 权值σ作用明显，舵机就优先响应手控舵量信号；而当手控舵量很小或者没 有时，其增量权值很小，舵机就优先响应自控舵量信号，确保无人机自控飞 行，从而确保手控舵量信号与自控舵量信号均能得到实时的响应控制。

4.  根据权利要求1所述的基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合方 法，其特征在于：舵量控制信息融合处理电路具体为：定义一增量权值σ，计 算公式为：
σ＝Δc/(Δc+Δr).........(1)
式(1)中，
Δc＝abs(Control_now-Control_last).........(2)
即，舵机的当前自控舵量Control_now与上一次得到的自控舵量Control_last之 差的绝对值，
Δr＝abs(Remote_now-Remote_last).........(3)
即，舵机的当前手控舵量Remote_now与上一次得到的手控舵量Remote_last之 差的绝对值，并且规定当Δc＝0且Δr＝0时，σ＝1；
融合输出的舵机总控制舵量为：
Output＝σ*Control_now+(1-σ)*Remote_now.........(4)
式(4)中，输出的舵机总控制舵量Output融合了当前的自控舵量值和手 控舵量值，并根据各自的变化量程度，确定出各自的影响权重，使得增量较 大的控制舵量能及时地反映到输出的总控制舵量中去，实现较为权重的控制。

说明书基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合方法
技术领域
本发明涉及无人机舵机控制技术领域，尤其涉及一种基于增量权值的无 人机舵量控制信息的融合方法。
背景技术
现有的无人飞机的舵机的舵量控制一般采用逻辑电路或微处理器，把采 集的多路PWM波形的手控舵量信息与飞控单元产生的自控舵量信息进行 叠加处理(有的采用开关电位器进行百分比取值)，然后输出多路舵量控制 信息，控制无人机的横滚、俯仰及航向等运动。信息更新周期在十毫秒级， 飞行控制响应速度较慢；且手动的舵量信息与自控的舵量信息相互独立，飞 行器的飞行控制的灵活性不足。
目前无人机的舵机控制信息的采集，一般是采用逻辑电路或微处理器单 元，采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)的如2008年发明专利《小型无人 飞行器舵机控制装置》，专利号CN200810032398.1。其结构框图如图1所 示。
该专利的电路机构是单片机1与复杂可编程逻辑器件CPLD8相连，单 片机1采用串行外围设备接口SPI或通用异步收发器UART连接上位机， CPLD与接收机相连，从接收机5得到的舵机遥控信号13和从单片机运算 得出的舵机6自动控制信号10，经过CPLD内部的电子开关选择后，输出 舵机控制信号，经过低通滤波器后接入舵机中。这样实现的舵机控制，要么 由单片机自动控制，要么由遥控接收机进行手动控制，不能实现手动与自动 的联动操作，特别在飞行测试中极不方便。
另外有些飞控系统，把遥控手控舵量信号与自控舵量信号进行百分比叠 加，然后经过低通滤波器后，接入舵机中，两者控制量的百分比取值通过遥 控器上的电位器的位置来确定，由于飞控单元得出的自控舵量更新速度快， 当其控制量较大时，往往造成手动舵量遥控迟钝，只能靠不时的变动电位器 的位置来变动控制量的百分比来实现手控操作，这样飞行调试控制起来，极 不方便。
此外，采用单片机控制系统，信息控制采用程序循环实现，其信息更新 周期在十毫秒级，信号响应速度较慢。
其中，FPGA，现场可编程门阵列Field Progammable Gate Array，可以 采用硬件描述语言设计专用的功能电路模块，通过逻辑单元搭建成硬件模 块，响应频率高。
舵机：无人飞机上控制横滚、俯仰及航向的控制电动机。
舵量：对无人飞机上舵机的控制量，可由遥控器发出手动控制量，也可 由飞控单元发出的自动控制量。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于增量权值的无人机舵量控 制信息的融合方法，能实时地更新各自的控制舵量，且时间周期提高到了微 秒级，极大地提高响应速度，从而提高无人飞机的机动飞行性能。
本发明是这样实现的：一种基于增量权值的无人机舵量控制信息的融合 方法，所述方法需提供FPGA模块、该FPGA模块中包括舵量控制信息融 合处理电路；该舵量控制信息融合处理电路将无人机的飞控单元产生的自控 舵量增量值和遥控接收机采集的手控舵量增量值进行相关联；所述方法具体 为：定义一个与手控舵量的变化量Δr及与自控舵量的变化量Δc相关的增量 权值σ，利用舵量控制信息融合处理电路和增量权值σ决定手控舵量与自控 舵量在总输出舵量的百分比值，达到手控舵量和自控舵量任一舵量发生变化 时，均能使增量较大的控制舵量能实时地反映在输出舵量上，达到实时控制 舵机的目的。
进一步的，所述融合方法是基于高频的时钟脉冲周期，把采集并经过滤 波处理的多路遥控手控舵量信息，与飞控单元得出的自控舵量信息，进行权 值累加和融合处理。
进一步的，当有手控舵量时，手控信号就有增量值产生，从而增量权值 σ作用明显，舵机就优先响应手控舵量信号；而当手控舵量很小或者没有时， 其增量权值很小，舵机就优先响应自控舵量信号，确保无人机自控飞行，从 而确保手控舵量信号与自控舵量信号均能得到实时的响应控制。
进一步的，舵量控制信息融合处理电路具体为：定义一增量权值σ，计算 公式为：
σ＝Δc/(Δc+Δr).........(1)
式(1)中，
Δc＝abs(Control_now-Control_last).........(2)
即，舵机的当前自控舵量Control_now与上一次得到的自控舵量Control_last之 差的绝对值，
Δr＝abs(Remote_now-Remote_last).........(3)
即，舵机的当前手控舵量Remote_now与上一次得到的手控舵量Remote_last之 差的绝对值，并且规定当Δc＝0且Δr＝0时，σ＝1；
融合输出的舵机总控制舵量为：
Output＝σ*Control_now+(1-σ)*Remote_now.........(4)
式(4)中，输出的舵机总控制舵量Output融合了当前的自控舵量值和 手控舵量值，并根据各自的变化量程度，确定出各自的影响权重，使得增量 较大的控制舵量能及时地反映到输出的总控制舵量中去，实现较为权重的控 制。
本发明具有如下优点：本发明基于把对舵机舵量的控制值，与手控舵量 及自控舵量的变化量关联起来，使得当任一控制舵量发生变化时，其增量权 值自主地根据增量较大的得到优先响应。这样当有手控舵量时，手控信号就 有增量值产生，从而其增量权值作用明显，舵机就优先响应手控舵量信号； 而当手控舵量很小或者没有(不手控打舵)时，其增量权值很小，这是舵机 优先响应自控舵量，确保无人机自控飞行，这样确保了手动信息与自动信息 均能得到实时的响应控制。
现有的技术采用硬件逻辑电路及微处理器的方法处理舵机的遥控信号， 处理响应周期在十毫秒级，一般是10～20毫秒更新一次，信号响应时间长。 本发明采用FPGA中的时钟信号进行循环操作，响应频率达到100兆赫以上， 能达到微秒级的响应周期，因此大大提高舵机的反应速度。
附图说明
图1为现有技术的小型无人飞行器舵机控制装置框图。
图2为基于FPGA的无人机舵机信息的融合控制的原理框图。
图3为基于FPGA的无人机舵机信息的舵量控制信息融合处理电路的结 构框图。
图4为基于FPGA的无人机舵机信息的无人机手控与自控舵量值的融合 处理流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示，一种基于增量权值的无人机舵量控制信息的融 合方法，所述方法需提供FPGA模块、该FPGA模块中包括舵量控制信息 融合处理电路；该舵量控制信息融合处理电路将无人机的飞控单元产生的自 控舵量增量值和遥控接收机采集的手控舵量增量值进行相关联；所述方法具 体为：定义一个与手控舵量的变化量Δr及与自控舵量的变化量Δc相关的增 量权值σ，利用舵量控制信息融合处理电路和增量权值σ决定手控舵量与自 控舵量在总输出舵量的百分比值，达到手控舵量和自控舵量任一舵量发生变 化时，均能使增量较大的控制舵量能实时地反映在输出舵量上，达到实时控 制舵机的目的。本发明基于100兆赫的时钟周期，实时地融合手控与自控舵 量值，就可以在微秒周期循环中实现对舵机的手控与自动的同时控制。
其中，所述融合方法是基于高频的时钟脉冲周期，把采集并经过滤波处 理的多路遥控手控舵量信息，与飞控单元得出的自控舵量信息，进行权值累 加和融合处理。
当有手控舵量时，手控信号就有增量值产生从而增量权值σ作用明显， 舵机就优先响应手控舵量信号；而当手控舵量很小或者没有时，其增量权值 很小，舵机就优先响应自控舵量信号，确保无人机自控飞行，从而确保手控 舵量信号与自控舵量信号均能得到实时的响应控制。
舵量控制信息融合处理电路具体为：定义一增量权值σ，计算公式为：
σ＝Δc/(Δc+Δr).........(1)
式(1)中，
Δc＝abs(Control_now-Control_last).........(2)
即，舵机的当前自控舵量Control_now与上一次得到的自控舵量Control_last之 差的绝对值，
Δr＝abs(Remote_now-Remote_last).........(3)
即，舵机的当前手控舵量Remote_now与上一次得到的手控舵量Remote_last之 差的绝对值，并且规定当Δc＝0且Δr＝0时，σ＝1；
融合输出的舵机总控制舵量为：
Output＝σ*Control_now+(1-σ)*Remote_now.........(4)
式(4)中，输出的舵机总控制舵量Output融合了当前的自控舵量值和手 控舵量值，并根据各自的变化量程度，确定出各自的影响权重，使得增量较 大的控制舵量能及时地反映到输出的总控制舵量中去，实现较为权重的控制。
这里需要说明的是：基于100兆赫，不断采集来自遥控接收机的手控舵 量和来自飞控单元运算得出的自控舵量，更新与这两个舵量的变化值直接相 关的增量权值σ，获得增量较大者优先输出其控制舵量的控制效果。
当然，如果采用更为先进的FPGA器件，其时钟频率可以比100兆赫更高， 也就是输出舵量的更新更快，响应就更迅速。
采用如图4所示的融合算法是本发明所涉及的滤波处理方法中的一种， 效果良好。本发明也可以采用能用硬件描述语言实现的其他融合算法，如结 合PID控制算法、或结合遥控电位器开关进行辅助控制等方法，实现性能更 为优越的智能融合处理效果。
总之，本发明采用FPGA技术及硬件描述语言，基于高频的时钟脉冲周 期，把采集并经过滤波处理的多路遥控手控舵量信息，与飞控单元计算得出 的自控舵量信息，进行智能累加和融合处理，能够实现遥控的手控舵量与自 控舵量信息进行有机的融合，智能地实现两者信息的动态响应，能实时地更 新各自的控制舵量，且时间周期提高到了微秒级，极大地提高响应速度，从 而提高无人飞机的机动飞行性能。
本发明省去了遥控接收机的信号调理及A/D转换模块，取而代之的是利 用FPGA电路、采用硬件描述语言方便且灵活地设计信息采集与滤波处理电 路，可采用包括卡尔曼滤波算法在内的多种信息滤波处理方法，能有效滤除 干扰信号，确保无人机飞越强磁场等区域时其舵量不受干扰，确保飞行稳定 性。
因此本发明精简了信号调理电路，灵活采用滤波处理算法，提高了信息 响应能力，能提高遥控接收机舵量信号的抗干扰性能。
在FPGA中采用硬件描述语言实现遥控接收机输出舵量信号的采集与处 理模块，基于100兆赫的时钟周期，记录来自遥控接收机端口的PWM脉宽调 制信号的上升沿与下降沿的时钟周期数，得出接收机信号的PWM脉宽值。 设定接收机输出的PWM信号的高电平期间记录100兆赫的时钟周期数为 2000至4000个数，这样就可以在微秒周期循环中实现了对遥控信号的采集。
由于无人机飞行环境条件多变，可能经历强磁场或强干扰空域，干扰信 号难免串扰在接收机的输出信号中，如果不加以滤除，将会引起飞行波动， 从而降低飞行平稳性。鉴于遥控信号是连续的PWM波形变化特征，可以在 FPGA中采用硬件描述语言，设计滤波算法，如可以采用卡尔曼滤波算法， 滤除干扰噪波，即可实现稳定可靠的舵机遥控信号控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。