[发明专利]一种头戴式无人直升机控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种头戴式无人直升机控制系统，包括机载单元和地面站系统；其特征在于：

所述机载单元包括飞行处理器、传感器模块、内置算法模块、无线传输模块、遥控接收机和用于实时跟踪对准目标物的执行机构，内置算法模块包括姿态解算算法、数据融合算法和飞行控制算法，所述飞行处理器与内置算法模块之间采用有线连接或\和无线连接；

所述地面控制单元包括具有无线传输功能的测控终端，所述测控终端包括PC控制台、头控器、手控器及路由器，所述地面控制单元通过无线通讯模块与所述机载单元的飞行处理器通讯连接；

所述机载单元通过遥控信号接收机、无线传输模块与所述地面站系统通讯，获取头控器和手控器的控制信号、PC控制台的控制命令以及将实时的飞行位置姿态等数据发送到地面站系统，以供实时监测无人直升机的飞行状态；

所述传感器模块实时采集直升机的姿态数据、高度数据、速度数据，并将采集到的数据分别发送至飞行处理器和内置算法模块，并通过无线传输模块或有线连接将数据传输至所述PC控制台，将数据处理后定时发送至遥控接收机，遥控接收机接收遥控器信号传输至飞行处理器和内置算法模块，所述飞行处理器对接收的信号处理后分别输出至执行机构，控制执行机构工作。

2.根据权利要求1所述的一种头戴式无人直升机控制系统，其特征在于，所述头控器由穿戴于头部的头盔设备和惯导设备组成，所述惯导设备包括IMU惯性测量传感器和compass磁罗盘，所述IMU惯性测量传感器由三个加速度计和三个陀螺仪组成的组合单元，三个加速度计和三个陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上，进行六自由度姿态感知、并将感知到的数据存放入所述机载单元的内置算法模块中，解算出无人机云台控制的横摇、俯仰、偏航角度姿态，以及进行加密后通过无线传输或\和有线传输给所述地面控制单元的PC控制台。

3.根据权利要求1所述的一种头戴式无人直升机控制系统，其特征在于，所述手控器包括采用双手控制的手柄、安装于手柄上的电子罗盘和安装于手柄上的GPS定位器。

4.根据权利要求1所述的一种头戴式无人直升机控制系统，其特征在于，所述机载单元上的执行机构包括无人机挂载机枪和无人机挂载吊舱。

5.基于权利要求1至4所述的一种头戴式无人直升机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，根据三维电子罗盘和加速度的输出求取姿态角，如公式(1)所示：

其中，姿态角度为横滚roll和俯仰pitch，横向加速度为ax、纵向加速度为ay、垂向加速度为az；

将机体坐标系相对地理坐标系的方位为机体的姿态，设θ、φ、ψ分别为机体的横滚角、俯仰角和航向角，三轴磁分量数据为m_x、m_y、m_z，则机体坐标系于地理坐标系间的转换矩阵如下：

步骤S2，根据姿态角信息与电子罗盘的三轴磁力数据、求取计算偏航角所需的参数，如公式(3)所示：

公式(3)中：X_h、Y_h、Z_h分别为机体水平姿态角为零时的磁场在机体坐标系X_b、Y_b、Z_b方向的分量，则航向角可以用如下公式(4)计算得到：

根据X_h、Y_h数值一般的变化范围可以得到公式(5)和公式(6)：

步骤S3，航向角就可以通过求得，所以姿态角如公式(7)所示：

步骤S4，根据姿态角α、β、γ，可以求得对应的无人直升机的四元数如公式(8)所示：

步骤S5，根据四元数求取转换矩阵，如公式(9)和公式(10)所示：

步骤S6，对罗盘输出的数据进行归一化处理，如公式(11)所示：

步骤S7，由电子罗盘的输出计算地球磁场的参考方向，如公式(12)和公式(13)所示：

步骤S8，估计磁场方向，如公式(14)所示：

步骤S9，估计方位和量测方位向量叉乘之后累积，如公式(15)所示：

步骤S10，归一化加速度计输出，如公式(16)所示：

步骤S11，计算重力和磁场的方位，如公式(17)所示：

步骤S12，估计方位和量测方位向量叉乘后累积，如公式(18)所示：

步骤S13，对陀螺仪输出的角速度进行修正，如公式(19)所示：

步骤S14，通过修正后的角速度与四元数计算四元数的导数，如公式(20)所示：

步骤S15，积分四元数的导数得到新的四元数，如公式(21)所示：

步骤S16，姿态转换阵如公式(22)所示：

步骤S17，姿态角如公式(23)所示：

以上述控制律进行小型无人直升机的姿态控制。