微小型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及微小型無(wú)人直升機(jī)的自主飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微小 型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微小型無(wú)人直升機(jī)，一般是載重在10kg以下直升機(jī)，其具有機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠 等特點(diǎn)。相比于其它無(wú)人機(jī)，小型無(wú)人直升機(jī)具有造價(jià)低，體積小，重量輕，飛行相對(duì)靈活， 具有垂直起降、空中懸停、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎、向前和向后飛行等多種飛行模態(tài)。而且它對(duì)起飛場(chǎng)地 和使用環(huán)境的要求低，更易于適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用 前景，如偵察監(jiān)視、搜索救援、目標(biāo)跟蹤、電力檢修、航拍成像等。
[0003] 然而，微小型無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的高階控制對(duì)象，它具有高度非線(xiàn)性和 復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，縱橫向軸間耦合強(qiáng)，開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定，這些都給微小型無(wú)人直升機(jī)的控制帶 來(lái)了不小的難度。直升機(jī)動(dòng)特性的不穩(wěn)定，導(dǎo)致其對(duì)控制系統(tǒng)的依賴(lài)程度比其它飛行器大 得多，因此，計(jì)算機(jī)飛行控制系統(tǒng)已經(jīng)成為微小型無(wú)人直升機(jī)自主飛行不可或缺的重要組 成部分
[0004] 目前，微小型無(wú)人直升機(jī)基本都是通過(guò)專(zhuān)業(yè)的操縱人員通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控以及機(jī)載電 子控制系統(tǒng)來(lái)控制，從而完成飛行任務(wù)。這對(duì)操縱人員的技術(shù)要求較高，而且只能在有限的 距離內(nèi)飛行，大大限制了微小型無(wú)人直升機(jī)的應(yīng)用范圍。
[0005] 因此，解決上述問(wèn)題就顯得很重要。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)【背景技術(shù)】中所涉及的問(wèn)題，提供一種微小 型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)。
[0007] 本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0008] 微小型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)，包含機(jī)載部分和地面站控制部 分；
[0009] 所述的地面站控制部分包含地面監(jiān)控站、地面無(wú)線(xiàn)數(shù)傳和遙控器，所述地面監(jiān)控 站和地面無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電氣相連；
[0010] 所述機(jī)載部分包含飛行控制模塊、傳感器模塊、機(jī)載無(wú)線(xiàn)數(shù)傳、遙控接收機(jī)和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)；
[0011] 所述傳感器模塊包括氣壓傳感器、超聲波測(cè)高傳感器、速度傳感器、航姿傳感器和 GPS；
[0012] 所述飛行控制模塊分別和氣壓傳感器、超聲波測(cè)高傳感器、速度傳感器、航姿傳感 器、GPS、機(jī)載無(wú)線(xiàn)數(shù)傳、遙控接收機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣相連，用于接收的遙控信號(hào)或地面控制 信號(hào)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算后輸出控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作；
[0013] 所述遙控接收機(jī)用于在無(wú)線(xiàn)遙控模式時(shí)接收遙控器的遙控信號(hào)并將其傳遞給飛 行控制模塊；
[0014] 所述機(jī)載無(wú)線(xiàn)數(shù)傳和地面無(wú)線(xiàn)數(shù)傳基于無(wú)線(xiàn)通信。
[0015] 作為本實(shí)用新型微小型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化方 案，所述飛行控制模塊采用DSP模塊。
[0016] 作為本實(shí)用新型微小型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化方 案，所述DSP模塊采用DSP芯片TMS320F28335。
[0017] 作為本實(shí)用新型微小型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化方 案，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含一個(gè)電機(jī)和四個(gè)舵機(jī)，所述電機(jī)用于控制旋翼轉(zhuǎn)速，所述四個(gè)舵機(jī)分 別用于控制總距、尾槳槳距、橫向周期變距、縱向周期變距。
[0018] 本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0019] 1.采用DSP28335芯片作為飛控計(jì)算機(jī)，所有的控制過(guò)程均通過(guò)這個(gè)控制芯片完 成，其運(yùn)行速度快且能運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)，提高了系統(tǒng)的工作效率和準(zhǔn)確性，而且該電路體積小、 重量輕，便于安裝，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)；
[0020] 2.能夠進(jìn)行多模態(tài)自主飛行模式，實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)、定高懸停、姿態(tài)保持等飛行模態(tài)，不 需要人為干預(yù)；
[0021] 3.可采用遙控控制、自動(dòng)控制結(jié)合的控制方式，使得在自動(dòng)控制出現(xiàn)故障時(shí)，采用 手動(dòng)控制，避免了直升機(jī)的不可控狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本實(shí)用新型的控制結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為本實(shí)用新型飛行控制的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0026] 如圖1所示，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種微小型無(wú)人直升機(jī)多模態(tài)自主飛行的控制系 統(tǒng)，包含機(jī)載部分和地面站控制部分；
[0027] 所述的地面站控制部分包含地面站、地面無(wú)線(xiàn)數(shù)傳和無(wú)線(xiàn)遙控器，所述地面站和 地面無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電氣相連；
[0028] 所述機(jī)載部分包含飛行控制模塊、傳感器模塊、機(jī)載無(wú)線(xiàn)數(shù)傳、遙控接收機(jī)和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)；
[0029] 所述傳感器模塊包括氣壓傳感器、超聲波測(cè)高傳感器、速度傳感器、航姿傳感器和 GPS；
[0030] 所述飛行控制模塊分別和氣壓傳感器、超聲波測(cè)高傳感器、速度傳感器、航姿傳感 器、GPS、機(jī)載無(wú)線(xiàn)數(shù)傳、遙控接收機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣相連，用于根據(jù)接收的遙控信號(hào)或地面 控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作；
[0031] 所述遙控接收機(jī)用于在無(wú)線(xiàn)遙控模式時(shí)接收遙控器的遙控信號(hào)并將其傳遞給飛 行控制模塊；
[0032] 所述機(jī)載無(wú)線(xiàn)數(shù)傳和地面無(wú)線(xiàn)數(shù)傳基于無(wú)線(xiàn)通信。
[0033] 所述無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)包括無(wú)線(xiàn)遙控飛行模式與多模態(tài)自主飛行模式：
[0034] 無(wú)線(xiàn)遙控飛行模式時(shí)，遙控接收機(jī)接收遙控器信號(hào)傳輸至DSP模塊，DSP模塊對(duì)接 收的信號(hào)處理后分別輸出控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作；
[0035] 多模態(tài)自制飛行模式時(shí)，所述傳感器模塊實(shí)時(shí)采集直升機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、 速度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP模塊；所述PC控制臺(tái)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳 輸至DSP模塊；所述DSP模塊實(shí)時(shí)接收傳感器數(shù)據(jù)及PC控制平臺(tái)數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的信號(hào)處 理后分別輸出控制信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。
[0036] 所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括4個(gè)舵機(jī)和一個(gè)電機(jī)，四個(gè)舵機(jī)分別用于控制總距、尾槳槳距、 橫向周期變距、縱向周期變距，電機(jī)用于控制旋翼轉(zhuǎn)速；所述舵機(jī)與旋翼電機(jī)均采用標(biāo)準(zhǔn) 50Hz的PWM控制。
[0037] 所述直升機(jī)包括四個(gè)通道：俯仰通道、橫滾通道、偏航通道、高度通道，對(duì)應(yīng)的舵面 分別是縱向周期變距、橫向周期變距、尾槳槳距、總距。直升機(jī)采用CCPM電子控制式螺距混 控系統(tǒng)，控制信號(hào)接往控制十字盤(pán)做六自由度運(yùn)動(dòng)的升降舵、副翼舵和螺距這三個(gè)舵機(jī)、控 制尾槳的航向舵機(jī)以及控制旋翼轉(zhuǎn)速的電動(dòng)馬達(dá)。
[0038] 以下將無(wú)人直升機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為無(wú)人機(jī)，將飛行控制簡(jiǎn)稱(chēng)為飛控，地面站控制部分簡(jiǎn)稱(chēng) 為地面站：
[0039] 在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，飛行控制系統(tǒng)是其核心部分，也可以稱(chēng)作"神經(jīng)中樞"，它以飛控 計(jì)算機(jī)為控制核心，輔助相應(yīng)傳感器單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、伺服操縱模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、測(cè)控終 端等，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航、飛行控制、任務(wù)管理等功能。
[0040] 無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)分為內(nèi)回路和外回路兩個(gè)部分，其中內(nèi)回路為飛控回路，也可以 稱(chēng)之為姿態(tài)環(huán)；外回路是導(dǎo)航制導(dǎo)回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)煒、高度的精確跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的 航點(diǎn)飛行。本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)主要就是提供完成無(wú)線(xiàn)遙控及自主飛行任務(wù)的軟、硬件 平臺(tái)。飛控板接收各類(lèi)傳感器采集的信息，與外環(huán)和內(nèi)環(huán)提供的"指令信號(hào)"相比較，分別 作為制導(dǎo)算法和控制律算法的輸入，完成制導(dǎo)和控制律的解算，制導(dǎo)算法的解算結(jié)果作為 控制單元的指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則按照控制單元解算得出的指令驅(qū)動(dòng)旋翼電機(jī)和舵機(jī)工作，實(shí) 現(xiàn)對(duì)微小型無(wú)人直升機(jī)的控制。
[0041] 該微小型無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)，主要針對(duì)單旋翼帶尾槳直升機(jī)，包括機(jī)載設(shè) 備和地面監(jiān)控站兩部分。下面詳細(xì)介紹其具體工作過(guò)程及原理。
[0042] 1.飛控系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和工作原理
[0043] 整個(gè)飛控系統(tǒng)分為機(jī)載部分和地面站控制部分。地面控制站和機(jī)載部分的通信有 兩種方式，2. 4GHz的FUTABA遙控器無(wú)線(xiàn)通信和900MHz無(wú)線(xiàn)傳輸模塊通信。FUTABA遙控器 是一款無(wú)線(xiàn)遙控器，與該品牌接收機(jī)配套使用。操縱人員可以通過(guò)撥動(dòng)遙控器上的撥桿，產(chǎn) 生具有不同脈寬的各通道遙控PWM信號(hào)。飛行控制板的核心為DSP，主要負(fù)責(zé)讀取氣壓傳感 器、超聲波高度計(jì)、航姿傳感器和GPS模塊的數(shù)據(jù)，讀取遙控器操縱指令，生成舵機(jī)操縱指 令，與地面站進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)解算，飛行控制律解算，輸出控制信號(hào)等工作。
[0044] 本實(shí)用新型的機(jī)載部分包括DSP模塊、旋翼電機(jī)、十字盤(pán)舵機(jī)、具有MEMS陀螺儀 和三軸加速度計(jì)的航姿傳感器及其接口電路、GPS及其接口電路、高度測(cè)量傳感器及其接 口電路、復(fù)位電路、小電壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器、JTAG接口、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊及其接口電路、電源，所 述DSP模塊包括單極性PWM輸出驅(qū)動(dòng)電路、PWM捕獲驅(qū)動(dòng)電路；其中旋翼電機(jī)和舵機(jī)與DSP 的單極性PWM輸出驅(qū)動(dòng)電路連接，航姿傳感器通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路與DSP的UART串口連接，GPS、高度傳感器也與DSP的UART串口連接，速度傳感器、氣壓傳感器與DSP的普通10 口連 接，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊通過(guò)TTL電平接口與DSP的串口相連接，地面控制站部分的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊 與機(jī)載部分的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊相互傳輸數(shù)據(jù)，遙控器的接收機(jī)與DSP的eCAP捕獲模塊相連。
[0045] ①飛控計(jì)算機(jī)功能描述
[0046] 本文提出了以DSP為飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的合理分配。
[0047] 主控芯片采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335 ;TMS320F28335控制效果好，運(yùn)算 能力強(qiáng)，是該系列DSP中性能優(yōu)越的代表，故僅用一塊足夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航和飛控的功能。以下對(duì) 飛控計(jì)算機(jī)詳細(xì)描述：
[0048] 飛行控制計(jì)算機(jī)中，DSP是主控芯片，所有的信號(hào)讀入，解算，飛行控制律的解算， 控制信號(hào)輸出均有其完成。DSP完成的內(nèi)容有：傳感器信號(hào)處理、遙控信息接收、導(dǎo)航計(jì)算、 控制律解算、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、地面站通信等。
[0049] DSP是控制核心，所有完成的工作構(gòu)成了帶反饋的閉環(huán)控制。它處理傳感器信息， 為飛控系統(tǒng)提供反饋輸入；接收遙控或自主控制指令，根據(jù)具體指令采用不同的控制方式； 輸出控制信號(hào)控制