專利名稱：固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及航?？刂葡到y(tǒng)，尤其是固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的不斷提高，航?；顒又饾u在我國一些城市普及開來，航模飛行安全性與操縱趣味性等問題越來越受關(guān)注，催生了各式各樣的飛行輔助系統(tǒng)。目前航模 飛行輔助系統(tǒng)最主要的功能需求是智能平衡、自動返航與視頻疊加。在廣大航模遙控初學(xué)者中，由于操作不熟練、氣流變化等原因不可避免的會發(fā)生 摔機(jī)現(xiàn)象，輕則損壞航模，重則傷及周圍人員，由此產(chǎn)生了在操控失控時使航?；謴?fù)平穩(wěn)飛 行的使用需求。此外，由于遙控器失靈等原因，也會造成航模的丟機(jī)現(xiàn)象，同樣需要適當(dāng)?shù)?預(yù)防措施，使航模能隨時自動返航。經(jīng)過多年發(fā)展，航模有了多種玩法，目前最流行的一種就是FPV(First Person View，即第一人稱視角)飛行操縱。FPV基于無線視頻監(jiān)控技術(shù)，在航模上裝載模擬攝像頭 及無線圖傳發(fā)射機(jī)，把飛行數(shù)據(jù)疊加在航拍圖像上傳回地面，這樣，操縱者就能像真正的飛 行員一樣，看著地面監(jiān)視器上的圖像來操縱航模，即使在視線無法看到的地方也能應(yīng)付自 如，給他們帶來非常真實的虛擬駕駛感受。目前已有的固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)功能相對單一，一般需要分別采買多個系統(tǒng) 回去重新搭配安裝，才能滿足較高的固定翼航模飛行輔助需求，但這樣做的話，一來增加成 本，二來也增加了設(shè)備安裝的復(fù)雜性。此外，現(xiàn)有固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)還存在姿態(tài)測量易受環(huán)境影響、舵機(jī)控制參 數(shù)設(shè)置步驟復(fù)雜等缺點。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用簡 便、安全性高、趣味性強(qiáng)、功能豐富的固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)。實現(xiàn)本實用新型目的所采用的技術(shù)方案是一種固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是設(shè)有中央微處理器和與其 連接的參數(shù)設(shè)置模塊、姿態(tài)測量模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、GPS定位模塊以及視頻疊加模塊，所述 的中央微處理器還與控制通信設(shè)備和控制執(zhí)行設(shè)備連接。所述的姿態(tài)測量模塊為與所述的中央微處理器連接的三軸陀螺儀和三軸加速度 計的組合或三軸正交陀螺儀組與三軸正交加速度計組的組合或慣性測量單元。所述的參數(shù)設(shè)置模塊為分別與所述的中央微處理器連接的三個電位器。所述的狀態(tài)監(jiān)測模塊為分別與所述的中央微處理器連接的溫度傳感器、電壓傳感 器、高度傳感器和空速傳感器。所述的GPS定位模塊為與所述的中央微處理器連接的GPS接收機(jī)以及與所述GPS 接收機(jī)連接的GPS天線。[0014]所述的視頻疊加模塊為與所述的中央微處理器連接的視頻疊加芯片，該視頻疊加芯片還分別與模擬攝像頭和無線圖傳發(fā)射機(jī)連接。所述的視頻疊加芯片型號為6453系列。所述的控制通信設(shè)備為分別與所述的中央微處理器連接的機(jī)載遙控接收機(jī)和機(jī) 載數(shù)傳電臺。所述的控制執(zhí)行設(shè)備為分別與所述的中央微處理器連接的方向舵舵機(jī)、副翼舵舵 機(jī)、升降舵舵機(jī)和發(fā)動機(jī)舵機(jī)。所述的中央微處理器型號為ARM Cortex-M30本實用新型提出了一種多功能的固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)，可實現(xiàn)固定翼航模操 縱失控時的智能平衡、信號丟失時的自動返航以及用于FPV飛行航拍時的視頻疊加，能簡 易設(shè)置舵機(jī)控制參數(shù)，能快速規(guī)劃航模航線并使之按航線飛行。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；簡化了航模操縱的復(fù)雜性，通過調(diào)整參數(shù)設(shè)置模 塊的三個電位器能簡易設(shè)定方向舵、副翼舵和升降舵的控制靈敏度，操作簡單，使用簡便； 本實用新型保障了固定翼航模飛行的安全性，其中由慣性角速率傳感器和線加速度傳感器 組成的慣性姿態(tài)測量模塊，能不受環(huán)境限制，通過中央微處理器實時解算并檢測航模的飛 行姿態(tài)，一旦出現(xiàn)操縱失控現(xiàn)象，只要簡單更改地面控制命令，就能讓航模智能地恢復(fù)水平 飛行狀態(tài)，安全性高。本實用新型還利用視頻疊加技術(shù)，把完整的飛行數(shù)據(jù)疊加到下傳的模擬視頻數(shù)據(jù) 上，可以為FPV飛行操縱提供實時參考，增加航模操縱的趣味性。本實用新型利用GPS定位技術(shù)實現(xiàn)豐富的導(dǎo)航功能，包括自動返航、預(yù)設(shè)航線和 航線飛行。開機(jī)即記錄一個回家點，通過中央微處理器對地面控制信號進(jìn)行實時監(jiān)控，能 在信號丟失的瞬間讓航模自動返航，或在飛行過程中隨時更改地面控制命令使航模自動返 航。在地面控制點的電腦軟件上設(shè)定一條航線，把航線數(shù)據(jù)經(jīng)由地面上的數(shù)傳電臺上傳至 機(jī)載數(shù)傳電臺，送到中央微處理器中儲存起來，在必要時驅(qū)使航模按該預(yù)設(shè)航線飛行。因此，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用簡便、安全性高、趣味性強(qiáng)、功能 豐富的優(yōu)點。

圖1為本實用新型系統(tǒng)組成圖；圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，10.參數(shù)設(shè)置模塊20.姿態(tài)測量模塊30.狀態(tài)監(jiān)測模塊40. GPS定位模塊 50.中央微處理器60.視頻疊加模塊70.控制通信設(shè)備80.控制執(zhí)行設(shè)備11.方向舵靈 敏度調(diào)整電位器12.副翼舵靈敏度調(diào)整電位器13.升降舵靈敏度調(diào)整電位器21.三軸陀 螺儀22.三軸加速度計31.溫度傳感器32.電壓傳感器33.高度傳感器34.空速傳感 器41. GPS天線42. GPS接收機(jī)61.視頻疊加芯片62.模擬攝像頭63.無線圖傳發(fā)射機(jī) 71.機(jī)載遙控接收機(jī)72.機(jī)載數(shù)傳電臺81.方向舵舵機(jī)82.副翼舵舵機(jī)83.升降舵舵機(jī) 84.發(fā)動機(jī)舵機(jī)91.電池組92.空速管具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型內(nèi)容作進(jìn)一步的非限定性闡述。實施例如圖1圖2所示，本實用新型固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)設(shè)有中央微處理器50和與其連接的參數(shù)設(shè)置模塊10、姿態(tài)測量模塊20、狀態(tài)監(jiān)測模塊30、GPS定位模塊40以及視頻 疊加模塊60，中央微處理器50還與控制通信設(shè)備70和控制執(zhí)行設(shè)備80連接。中央微處理 器50的型號為ARM Cortex-M3。其中參數(shù)設(shè)置模塊10負(fù)責(zé)提供固定翼航模舵機(jī)靈敏度數(shù)據(jù)，姿態(tài)測量模塊20負(fù) 責(zé)實時提供固定翼航模三軸角速率與線加速度數(shù)據(jù)，狀態(tài)監(jiān)測模塊30負(fù)責(zé)提供固定翼航 模狀態(tài)數(shù)據(jù)，GPS定位模塊40負(fù)責(zé)實時提供固定翼航模三維位置及時間數(shù)據(jù)，視頻疊加模 塊60負(fù)責(zé)把飛行數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)疊加起來。中央微處理器50接收固定翼航模的舵機(jī)靈敏 度、三軸角速率與線加速度、狀態(tài)、位置和時間數(shù)據(jù)，并輸出整理過的飛行數(shù)據(jù)。中央微處理 器50從控制通信設(shè)備70接收地面控制數(shù)據(jù)，據(jù)此對相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)計算分析后，向控制執(zhí) 行設(shè)備80發(fā)送相關(guān)控制命令，實現(xiàn)固定翼航模的姿態(tài)控制與速度控制。參數(shù)設(shè)置模塊10為與中央微處理器50連接的三個電位器，即方向舵靈敏度調(diào)整 電位器11、副翼舵靈敏度調(diào)整電位器12和升降舵靈敏度調(diào)整電位器13，將三個方向上的舵 機(jī)靈敏度數(shù)據(jù)發(fā)送給中央微處理器50。姿態(tài)測量模塊20為與中央微處理器50連接的三軸陀螺儀21和三軸加速度計22 的組合，或者采用其他三軸正交陀螺儀組(例如一個雙軸陀螺儀和一個與之正交安裝的單 軸陀螺儀)和三軸加速度計組(例如一個雙軸加速度計和一個與之正交安裝的單軸加速度 計)的組合，或者采用現(xiàn)有的慣性測量單元(IMU)，測量三個正交軸向上的三個角速率和三 個線加速度一共六個慣性物理量，將固定翼航模三軸角速率和線加速度數(shù)據(jù)發(fā)送給中央微 處理器50。狀態(tài)監(jiān)測模塊30為分別與中央微處理器50連接的溫度傳感器31、電壓傳感器 32、高度傳感器33和空速傳感器34，將固定翼航模的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給中央微處理器50。高度傳感器33和空速傳感器34分別與空速管92連接，分別通過空速管92的靜 壓、動壓數(shù)據(jù)測量固定翼航模的高度和速度數(shù)據(jù)；電壓傳感器32與固定翼航模動力電池組 91連接，測量固定翼航模的電池組電壓數(shù)據(jù)，電池組由3個4. 2V電池串聯(lián)而成，總電壓為 12. 6V。GPS定位模塊40為與中央微處理器50連接的GPS接收機(jī)42以及與該GPS接收機(jī) 連接的GPS天線41，將固定翼航模三維位置及時間數(shù)據(jù)發(fā)送給中央微處理器50。視頻疊加 模塊60為視頻疊加芯片61，一個輸入端與中央微處理器50連接，接收整理過的飛行數(shù)據(jù)， 另一個輸入端與模擬攝像頭62連接，接收采集到的模擬視頻數(shù)據(jù)，把飛行數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù) 疊加在一起，再從輸出端傳到與其連接的無線圖傳發(fā)射機(jī)63。視頻疊加芯片60的型號為 6453 系列，采用 NEC6453。中央微處理器50與控制通信設(shè)備70連接，該控制通信設(shè)備為分別與中央微處理 器50連接的機(jī)載遙控接收機(jī)71和機(jī)載數(shù)傳電臺72，接收來自地面控制點的控制數(shù)據(jù)。機(jī) 載遙控接收機(jī)71通過方向通道、副翼通道、升降通道、發(fā)動機(jī)通道和開關(guān)切換通道這5個信 號通道(數(shù)據(jù)連接線)向中央微處理器50發(fā)送數(shù)據(jù)。[0037]中央微處理器50還與控制執(zhí)行設(shè)備80連接，該控制執(zhí)行設(shè)備為方向舵舵機(jī)81、副 翼舵舵機(jī)82、升降舵舵機(jī)83和發(fā)動機(jī)舵機(jī)84，接收來自中央微處理器50的控制命令數(shù)據(jù)， 驅(qū)動相應(yīng)舵面的角度擺動。具體地，中央微處理器50通過自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與方向舵靈敏度調(diào)整電位 器11、副翼舵靈敏度調(diào)整電位器12、升降舵靈敏度調(diào)整電位器13、三軸陀螺儀21、三軸加速 度計22、溫度傳感器31、電壓傳感器32、高度傳感器33和空速傳感器34連接，接收數(shù)字化 后的各種模擬測量數(shù)據(jù)；中央微處理器50也與GPS接收機(jī)42、機(jī)載遙控接收機(jī)71和機(jī)載 數(shù)傳電臺72連接，接收相應(yīng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；此外，中央微處理器50還與視頻疊加芯片61，方向 舵舵機(jī)81、副翼舵舵機(jī)82、升降舵舵機(jī)83和發(fā)動機(jī)舵機(jī)84連接，輸出相應(yīng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)本實用新型中的姿態(tài)測量模塊中的三軸陀螺儀21的安裝位置標(biāo)記χ、y和ζ 軸，固定翼航模以其重心位置0為坐標(biāo)原點建立三維坐標(biāo)系，機(jī)頭方向為X軸，右機(jī)翼方向 為Y軸，Z軸則垂直于XOY平面，指向下方，與本實用新型配裝。本實用新型按以下步驟工作1、系統(tǒng)安裝把本實用新型固裝在固定翼航模中央相對平坦的地方，連通連線后上電調(diào)試；2、預(yù)設(shè)舵機(jī)控制參數(shù)通過方向舵靈敏度調(diào)整電位器11、副翼舵靈敏度調(diào)整電位 器12和升降舵靈敏度調(diào)整電位器13，分別設(shè)置方向舵舵機(jī)81、副翼舵舵機(jī)82和升降舵舵 機(jī)83的舵量方向和控制量的大?。?、系統(tǒng)初始化1)設(shè)置舵機(jī)參數(shù)中央微處理器50讀取方向舵靈敏度調(diào)整電位器11、副翼舵靈敏 度調(diào)整電位器12和升降舵靈敏度調(diào)整電位器13的數(shù)據(jù)，記錄方向舵舵機(jī)81、副翼舵舵機(jī) 82和升降舵舵機(jī)83的舵量方向和控制量的大??；2)設(shè)定三軸陀螺儀21的基準(zhǔn)把飛行輔助系統(tǒng)靜置5秒鐘，中央微處理器50讀取 χ、y和ζ三個軸向上的陀螺角速率數(shù)據(jù)，取其平均值作為相應(yīng)軸向上的陀螺角速率基準(zhǔn)；3)計算初始姿態(tài)在飛行輔助系統(tǒng)靜置的5秒鐘內(nèi)，中央微處理器50讀取三軸加 速度計22的數(shù)據(jù)，取其三個軸向上的讀數(shù)均值來計算固定翼航模的初始姿態(tài)；4)記錄返航點系統(tǒng)上電后，中央微處理器50馬上監(jiān)控GPS接收機(jī)42傳來的定 位信號，當(dāng)首次接收到5顆或5顆以上衛(wèi)星的信號時，就把當(dāng)前位置記錄為返航點；5)啟動視頻疊加系統(tǒng)一上電，視頻疊加芯片61就開始接收來自中央微處理器50 的完整飛行數(shù)據(jù)和來自模擬攝像頭62的模擬視頻數(shù)據(jù)，把兩種數(shù)據(jù)疊加起來，傳到無線圖 傳發(fā)射機(jī)63，經(jīng)由無線圖傳數(shù)據(jù)鏈路傳回地面控制點，視頻疊加獨(dú)立于其他系統(tǒng)功能，只要 系統(tǒng)一直在正常工作，就不會間斷疊加的過程；4、中央微處理器50分析從機(jī)載遙控接收機(jī)71和機(jī)載數(shù)傳電臺72傳來的地面控 制數(shù)據(jù)，按相應(yīng)工作模式驅(qū)動系統(tǒng)工作。期間一旦監(jiān)控到地面控制信號丟失，立即自動進(jìn)入 返航模式。其中，工作模式一至三的切換命令可由機(jī)載遙控接收機(jī)71或機(jī)載數(shù)傳電臺72 傳送，而工作模式四和五的切換命令則只能由機(jī)載數(shù)傳電臺72傳送；5、工作模式一，本實用新型只提供視頻疊加功能，允許地面操縱者通過手動操縱 來遙控航模飛行；6、工作模式二，實現(xiàn)航模的自動返航中央微處理器50經(jīng)過計算分析后，向控制執(zhí)行設(shè)備80，即方向舵舵機(jī)81、副翼舵舵機(jī)82、升降舵舵機(jī)83和發(fā)動機(jī)舵機(jī)84發(fā)送相應(yīng) 控制命令，以模式切換時的飛行高度為返航的定高高度，以系統(tǒng)初始化時記錄的返航點為 目標(biāo)點，驅(qū)使固定翼航模自主飛行返回。返航后航模將在以返航點經(jīng)緯度坐標(biāo)點為圓心，50 米為半徑的圓形軌跡上自動盤旋飛行。返航成功之后，操縱者可以把控制方式切換到工作 模式一，手動降落航模；7、工作模式三，實現(xiàn)航模的智能平衡中央微處理器50通過分析三軸陀螺儀21和三軸加速度計22的讀數(shù)，解算出航模當(dāng)前的飛行姿態(tài)，發(fā)送相應(yīng)控制命令到控制執(zhí)行設(shè)備 80，即方向舵舵機(jī)81、副翼舵舵機(jī)82、升降舵舵機(jī)83和發(fā)動機(jī)舵機(jī)84，以穩(wěn)定平飛為目的， 控制航模的飛行狀態(tài)；8、工作模式四，實現(xiàn)航模的預(yù)設(shè)航線在地面控制點的電腦軟件上設(shè)定一條航線， 把航線數(shù)據(jù)經(jīng)由地面上的數(shù)傳電臺發(fā)射至機(jī)載數(shù)傳電臺72，然后送到中央微處理器50中 儲存起來；9、工作模式五，實現(xiàn)航模的航線飛行把中央微處理器50上預(yù)存的航線調(diào)出來， 經(jīng)過實時計算分析，驅(qū)使控制執(zhí)行設(shè)備80工作，進(jìn)入相應(yīng)的飛行過程。
權(quán)利要求固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)，其特征是設(shè)有中央微處理器和與其連接的參數(shù)設(shè)置模塊、姿態(tài)測量模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、GPS定位模塊以及視頻疊加模塊，所述的中央微處理器還與控制通信設(shè)備和控制執(zhí)行設(shè)備連接，所述的姿態(tài)測量模塊為與所述的中央微處理器連接的三軸陀螺儀和三軸加速度計的組合或三軸正交陀螺儀組與三軸正交加速度計組的組合或慣性測量單元，所述的參數(shù)設(shè)置模塊為分別與所述的中央微處理器連接的三個電位器，所述的狀態(tài)監(jiān)測模塊為分別與所述的中央微處理器連接的溫度傳感器、電壓傳感器、高度傳感器和空速傳感器，所述的GPS定位模塊為與所述的中央微處理器連接的GPS接收機(jī)以及與所述GPS接收機(jī)連接的GPS天線，所述的視頻疊加模塊為與所述的中央微處理器連接的視頻疊加芯片，該視頻疊加芯片還分別與模擬攝像頭和無線圖傳發(fā)射機(jī)連接，所述的控制通信設(shè)備為分別與所述的中央微處理器連接的機(jī)載遙控接收機(jī)和機(jī)載數(shù)傳電臺，所述的控制執(zhí)行設(shè)備為分別與所述的中央微處理器連接的方向舵舵機(jī)、副翼舵舵機(jī)、升降舵舵機(jī)和發(fā)動機(jī)舵機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)，其特征是所述的視頻疊加芯片 型號為6453系列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)，其特征是 所述的中央微處理器 型號為 ARM Cortex-M3。
專利摘要本實用新型公開了一種固定翼航模飛行輔助系統(tǒng)，其特征是設(shè)有中央微處理器和與其連接的參數(shù)設(shè)置模塊、姿態(tài)測量模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、GPS定位模塊以及視頻疊加模塊，所述的中央微處理器還與控制通信設(shè)備和控制執(zhí)行設(shè)備連接。通過調(diào)整參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)定方向舵、副翼舵和升降舵的控制靈敏度；通過姿態(tài)測量模塊監(jiān)控航模的飛行姿態(tài)，實現(xiàn)操縱失控時的智能平衡；通過GPS定位模塊，規(guī)劃航模航線并使之按航線飛行，在信號丟失時使其自動返航；通過視頻疊加模塊把飛行數(shù)據(jù)疊加到下傳的模擬視頻數(shù)據(jù)上，為FPV飛行操縱提供實時參考。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用簡便、安全性高、趣味性強(qiáng)、功能豐富的優(yōu)點。
文檔編號A63H27/00GK201551845SQ20092014128
公開日2010年8月18日 申請日期2009年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月5日
發(fā)明者尹雄師, 李全, 殷嚴(yán)剛, 魏承赟 申請人:魏承赟;尹雄師