專利名稱：基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無人駕駛飛行器的控制系統(tǒng)，特別涉及一種基于蜂窩移動(dòng)通信無人駕駛飛行器的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無人駕駛飛行器除了軍事用途以外，還廣泛用于民用，例如收集大氣樣本、地圖測繪、資源普查、災(zāi)害調(diào)查和緝毒偵察等。無人駕駛飛行器包括無人駕駛飛機(jī)、直升機(jī)和飛艇等，一般由動(dòng)力裝置及電源系統(tǒng)、自動(dòng)控制裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、無線通信與導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)等部分組成，多數(shù)還需要地面控制系統(tǒng)。無人駕駛飛行器除了采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的大型無人駕駛飛機(jī)外，飛機(jī)的飛行速度一般在400km/h以下，直升機(jī)的飛行速度不超過200km/h，飛艇的飛行速度一般在50km/h以下。
無人駕駛飛行器按飛行控制原理可以分為完全依靠地面操縱人員控制的遙控飛行器(RPV，Remotely Piloted Vehicle)和完全根據(jù)程序自動(dòng)控制的自主飛行器，也稱空中機(jī)器人(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)兩大類，但大多數(shù)實(shí)用的無人駕駛飛行器兼用兩種控制方式，既可以遙控飛行也可以自主飛行。
在自主飛行過程中，可以采用無線電導(dǎo)航或慣性導(dǎo)航，但普遍采用低成本的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，例如美國的GPS(全球定位系統(tǒng))、俄羅斯的GLONASS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))、中國的北斗的導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲未來的GNSS(伽利略計(jì)劃)。
在超視距飛行時(shí)，為了遙控飛行和完成任務(wù)必須裝備長距離、大功率通信系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)要求或持續(xù)不斷地提供雙向通信。其中上行鏈路(地面至飛行器)提供飛行路線控制和下達(dá)任務(wù)指令，數(shù)據(jù)速率要求不大于10Kbps，一般不要求連續(xù)工作。下行鏈路分為兩路，一路是遙測數(shù)據(jù)，要求與上行鏈路相當(dāng)；另一路是任務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，可達(dá)300Kbps～10Mbps。目前無人駕駛飛行器的通信系統(tǒng)使用衛(wèi)星通信和集群移動(dòng)通信(也稱大區(qū)制移動(dòng)通信)，這兩種通信方式均存在重量大、功耗大、天線復(fù)雜的缺點(diǎn)。衛(wèi)星通信雖然作用距離遠(yuǎn)，但使用成本較高。根據(jù)國家無線電管理委員會(huì)頻率規(guī)劃，將223.025～235.000MHz作為遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段，其中229.0～235.0MHz頻段在北京地區(qū)用于射電天文業(yè)務(wù)，其他業(yè)務(wù)不得對其產(chǎn)生有害干擾。用于近距離(1km以內(nèi))操作時(shí)應(yīng)≤0.5W，設(shè)置在城區(qū)、近郊區(qū)時(shí)應(yīng)≤5W，設(shè)置在遠(yuǎn)郊區(qū)、野外時(shí)應(yīng)≤25W。由于上述發(fā)射功率的限制，因此集群移動(dòng)通信的作用距離短(一般不超過100km)，而且，超長距離的發(fā)送需要大功率發(fā)射，因此需要提供大功率電源。集群移動(dòng)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸單獨(dú)占用1個(gè)頻率資源，在同一頻點(diǎn)上，同時(shí)只能有1個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。以上通信方式制約了無人駕駛飛行器的廣泛使用，特別是民用方面的使用。
蜂窩移動(dòng)通信(也稱小區(qū)制移動(dòng)通信)是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣和成本最低的長距離移動(dòng)通信系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)展到了第二代和第三代并存的階段。第二代系統(tǒng)的數(shù)字傳輸速率只有9.6Kbps，在移動(dòng)條件下傳輸速度會(huì)大幅度下降。而第三代的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2Mbps(移動(dòng)速度小于3km/h)，當(dāng)傳輸速率為144kb/s時(shí)，頻分雙工模式(FDD)的最大移動(dòng)速度可達(dá)500km/h，而時(shí)分雙工模式(TDD)也可達(dá)250km/h。2005年已經(jīng)在磁懸浮列車上成功測試了從0到431km/h的各種速度下第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定通信。利用蜂窩移動(dòng)通信GSM和衛(wèi)星定位GPS相結(jié)合已經(jīng)廣泛用于車輛定位、調(diào)度和防盜。目前，已嘗試?yán)梅涓C移動(dòng)通信系統(tǒng)來對無人駕駛飛行器進(jìn)行遙控，如申請?zhí)枮镃N200410048970.5發(fā)明專利公開了一種“基于GSM模塊的模型飛機(jī)控制器”，提出采用蜂窩移動(dòng)通信替代傳統(tǒng)通信方式直接控制模型飛機(jī)的設(shè)想。但因?yàn)椴捎梅涓C移動(dòng)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)有可變的時(shí)間延遲、可變的帶寬、不可預(yù)測的連接性等特性，因此不能完全滿足對飛行器實(shí)時(shí)控制要求。例如GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))在典型帶寬40kb/s時(shí)數(shù)據(jù)傳輸有200ms的延遲，如果飛行器運(yùn)動(dòng)速度為100km/h，控制指令到達(dá)時(shí)飛行器已經(jīng)飛過5.6m，在起飛或降落過程中這樣的延遲將導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故，同時(shí)由于沒有反饋信息，飛行器實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)超視距飛行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在衛(wèi)星導(dǎo)航自主飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提供一種利用公共蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制多架無人駕駛飛行器超視距飛行的低成本自動(dòng)控制系統(tǒng)。
本發(fā)明所涉及的無人駕駛飛行器是指飛行速度低于蜂窩移動(dòng)通信最大允許移動(dòng)速度的無人駕駛飛機(jī)、直升機(jī)或飛艇等。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，包括下述裝置按預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制無人飛行器自主飛行的自動(dòng)駕駛儀、給無人飛行器預(yù)設(shè)飛行任務(wù)并顯示飛行器實(shí)際飛行狀態(tài)的地面控制臺和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)；所述無人飛行器不多于6架，每一架無人飛行器內(nèi)設(shè)置有一套自動(dòng)駕駛儀，每一套自動(dòng)駕駛儀和地面控制臺分別擁有一個(gè)存儲移動(dòng)通信號碼的SIM卡；自動(dòng)駕駛儀與地面控制臺之間通過各自所在地基站、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)形成的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信鏈路連接。
自動(dòng)駕駛儀包括一個(gè)在內(nèi)存中存儲有預(yù)設(shè)飛行任務(wù)和飛行控制軟件的嵌入式計(jì)算機(jī)，其輸出端口通過SPDT模擬開關(guān)連接無人飛行器的舵機(jī)組，該嵌入式計(jì)算機(jī)的AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換)輸入端連接有飛行狀態(tài)傳感器，在該嵌入式計(jì)算機(jī)的通信接口上連接有用于傳輸通信數(shù)據(jù)并設(shè)置有SIM卡的移動(dòng)通信模塊、用于導(dǎo)航的衛(wèi)星接收GPS模塊；所述移動(dòng)通信模塊、GPS模塊的輸入端分別與通信天線、導(dǎo)航天線連接。所述地面控制臺包括由操作員控制的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過串行通信接口連接設(shè)有SIM卡的地面移動(dòng)通信模塊，其輸出端連接地面通信天線。
上述方案中，嵌入式計(jì)算機(jī)外還可連接有一個(gè)用于存儲預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)的SD卡。所述的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)可為GSM制式的公共移動(dòng)通信系統(tǒng)。
基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，包括下述步驟的控制方法a)將無人飛行器的自動(dòng)駕駛儀與地面控制臺通過各自所在地基站、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)形成的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)建立雙向數(shù)據(jù)通信鏈路，即上行指揮鏈路和下行遙測鏈路；b)地面控制臺的操作員利用計(jì)算機(jī)的軟件程序設(shè)定無人飛行器的飛行任務(wù)指令后，計(jì)算機(jī)將指令數(shù)據(jù)傳遞到地面移動(dòng)通信模塊，經(jīng)地面通信天線通過步驟a)的上行指揮鏈路發(fā)送給自動(dòng)駕駛儀；自動(dòng)駕駛儀的遙測數(shù)據(jù)通過下行遙測鏈路經(jīng)地面移動(dòng)通信模塊傳遞到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)遙測數(shù)據(jù)顯示無人飛行器的實(shí)際飛行狀態(tài)，并在電子地圖上顯示飛行軌跡和任務(wù)的完成情況；c)自動(dòng)駕駛儀利用其嵌入式計(jì)算機(jī)的飛行控制程序根據(jù)存儲于內(nèi)存或SD卡中的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)、駕駛儀的GPS導(dǎo)航接收模塊的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)傳感器輸入的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)形成PWM(脈寬調(diào)制)指令控制舵機(jī)組對飛行器實(shí)施無人駕駛；同時(shí)駕駛儀的移動(dòng)通信模塊經(jīng)通信天線通過步驟a)的上行指揮鏈路接收地面控制臺對存儲于內(nèi)存或SD卡中的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行修訂，并通過下行遙測鏈路自動(dòng)發(fā)送實(shí)際飛行狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)到地面控制臺。
上述方法中，所述的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是利用GSM制式的公共移動(dòng)通信系統(tǒng)；特別情況下，在沒有或無法接收到蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)上行指揮鏈路的指令時(shí)，所述自動(dòng)駕駛儀的嵌入式計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制無人飛行器自主飛行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)由于采用了迅速發(fā)展的現(xiàn)代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，如第二代的GSM、CDMA或第三代的CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等，因此具有如下優(yōu)點(diǎn)1)不需要特殊申請通信頻率，使用成本低，一般在10～100元/小時(shí)；2)可大幅度地降低控制系統(tǒng)中通信裝置的采購成本，即每套僅需要1000～2000元，通信裝置的重量不超過200克(含電池)，功率消耗不超過2W，上述數(shù)據(jù)僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的1/10甚至更低；3)控制系統(tǒng)的作用距離遠(yuǎn)大于被控飛行器最大飛行距離，實(shí)現(xiàn)了超視距飛行；4)通信天線簡單、抗干擾能力強(qiáng)；5)本發(fā)明的一套地面控制臺可同時(shí)控制多架飛行器實(shí)現(xiàn)無人駕駛飛行而互不干擾。目前至未來數(shù)年內(nèi)，蜂窩移動(dòng)通信的性能可以滿足除了采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的大型無人駕駛飛機(jī)或飛行速度大于500km/h的高速飛行器以外的大多數(shù)無人駕駛飛行器的通信要求。


圖1是本發(fā)明無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)的硬件裝置結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是圖1中的自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)框圖。圖中自動(dòng)駕駛儀方框上方的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制飛行器各種舵面、油門、任務(wù)等舵機(jī)的舵機(jī)組。
圖3是圖1中的地面控制臺硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是地面控制臺計(jì)算機(jī)軟件程序流程圖。
圖5是自動(dòng)駕駛儀嵌入式計(jì)算機(jī)飛行控制軟件程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，一種基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，包括下述裝置設(shè)置于無人飛行器Fn內(nèi)的按預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制無人飛行器Fn自主飛行的自動(dòng)駕駛儀Xn，給無人飛行器Fn預(yù)設(shè)飛行任務(wù)并顯示無人飛行器Fn實(shí)際飛行狀態(tài)的地面控制臺1；所述無人飛行器Fn可以有F1、F2、……FnN架，N的數(shù)目不多于6架，相應(yīng)自動(dòng)駕駛儀Xn也有X1、X2、……、XnN套；所述每一套自動(dòng)駕駛儀X1、X2、……、Xn和地面控制臺1分別擁有一個(gè)存儲蜂窩移動(dòng)通信號碼的SIM卡26和SIM卡8；自動(dòng)駕駛儀Xn與地面控制臺1之間通過各自所在地基站Gn、基站2和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)3形成的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信鏈路連接；如圖2所示，自動(dòng)駕駛儀Xn包括一個(gè)在內(nèi)存中存儲有預(yù)設(shè)飛行任務(wù)和飛行控制軟件的嵌入式計(jì)算機(jī)24，在該嵌入式計(jì)算機(jī)24的輸出端口與SPDT(單刀多擲)模擬開關(guān)23的一組輸入端連接，通過SPDT模擬開關(guān)23的輸出來控制無人飛行器Fn的舵機(jī)組21；嵌入式計(jì)算機(jī)24的通信接口連接有用于傳輸通信數(shù)據(jù)并設(shè)置有SIM卡26的移動(dòng)通信模塊27、用于導(dǎo)航的衛(wèi)星接收GPS模塊29，移動(dòng)通信模塊27、GPS模塊29的輸入端分別與通信天線31、導(dǎo)航天線30連接；嵌入式計(jì)算機(jī)24的輸入端連接有用于感受飛行器姿態(tài)的飛行狀態(tài)傳感器28，飛行狀態(tài)傳感器28包括高度、氣壓、空速、雙軸傾斜、陀螺等傳感器；嵌入式計(jì)算機(jī)24外部連接有一個(gè)用于存儲預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)和實(shí)際飛行數(shù)據(jù)的SD卡25，使用SD存儲卡可以簡化飛行的準(zhǔn)備工作；自動(dòng)駕駛儀Xn外圍連接有一個(gè)電源22用以提供電路工作電能。自動(dòng)駕駛儀Xn根據(jù)視距內(nèi)飛行的需要，還可在其SPDT模擬開關(guān)23的另一組輸入端連接一個(gè)RC接收機(jī)20，用于直接遙控?zé)o人飛行器Fn的起飛、降落和飛行。
如圖3所示，地面控制臺1位于地面，包括由操作員12控制的計(jì)算機(jī)7，計(jì)算機(jī)7的輸出端通過串行通信6連接設(shè)有SIM卡8的地面移動(dòng)通信模塊5，該移動(dòng)通信模塊5的輸出端連接通信天線4；在計(jì)算機(jī)7內(nèi)裝有導(dǎo)航地圖、顯示與設(shè)定無人飛行器Fn的實(shí)際飛行狀態(tài)和任務(wù)狀況的軟件。地面控制臺1根據(jù)視距內(nèi)飛行的需要，還可單另設(shè)置一個(gè)RC發(fā)射機(jī)10和遙控天線9，用于遙控?zé)o人飛行器Fn的起飛、降落和飛行。由于每套自動(dòng)駕駛儀Xn被賦予不同的蜂窩移動(dòng)通信號碼，因此一個(gè)地面控制臺1可以同時(shí)控制多架無人飛行器Fn，根本上解決了同頻干擾問題。
本發(fā)明的上述方案中，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)可利用第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM或CDMA制式的移動(dòng)通信系統(tǒng)，也可為第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(我國還未建立)；自動(dòng)駕駛儀的移動(dòng)通信模塊27、地面控制臺的移動(dòng)通信模塊5可為相應(yīng)的GSM或CDMA制式的通信模塊。
一種基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)的控制方法，包括下述步驟a)將無人飛行器Fn的自動(dòng)駕駛儀Xn通過其所在地基站Gn形成的GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)3和GSM地面基站2構(gòu)成的公共蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面控制臺1建立雙向數(shù)據(jù)通信鏈路，即上行指揮鏈路和下行遙測鏈路。隨著無人飛行器Fn的飛行，與自動(dòng)駕駛儀X1、X2、……、Xn通信的基站G1、G2、……、Gn也將不斷變換，但數(shù)據(jù)通信始終暢通。
b)無人飛行器Fn在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋地區(qū)飛行時(shí)，地面控制臺1的操作員12利用計(jì)算機(jī)7的軟件程序設(shè)定無人飛行器Fn的飛行任務(wù)指令后，計(jì)算機(jī)7將AT格式的數(shù)據(jù)傳遞到GSM移動(dòng)通信模塊5，經(jīng)通信天線4以短信形式通過步驟a)的上行指揮鏈路發(fā)送給自動(dòng)駕駛儀Xn；自動(dòng)駕駛儀Xn的遙測數(shù)據(jù)也是以短信形式通過下行遙測鏈路經(jīng)GSM移動(dòng)通信模塊5傳遞到計(jì)算機(jī)7，計(jì)算機(jī)7根據(jù)遙測數(shù)據(jù)顯示無人飛行器Fn的實(shí)際飛行狀態(tài)，并在電子地圖上顯示飛行軌跡和任務(wù)的完成情況。
c)自動(dòng)駕駛儀Xn利用存儲在嵌入式計(jì)算機(jī)24內(nèi)存中的飛行控制軟件根據(jù)存儲在SD卡25內(nèi)的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)(包括航跡點(diǎn)、高度、速度和執(zhí)行任務(wù))、GPS模塊29從導(dǎo)航天線30接收的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)傳感器28(飛行速度、高度、仰角等)輸入的數(shù)據(jù)計(jì)算出姿態(tài)、高度、速度和航向控制參數(shù)，形成PWM指令控制舵機(jī)組21對無人飛行器Fn實(shí)施無人駕駛；同時(shí)GSM移動(dòng)通信模塊27經(jīng)通信天線31通過步驟a)的上行指揮鏈路接收地面控制臺1對SD卡25內(nèi)的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行修訂，并且在設(shè)定的時(shí)間間隔通過下行遙測鏈路以短信形式自動(dòng)發(fā)送實(shí)際飛行狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)到地面控制臺1。
上述方法中，由于上行指揮鏈路和下行遙測鏈路都不要求連續(xù)工作，對時(shí)間延遲不敏感，可以采用低成本的短消息服務(wù)(SMSShort MessageService)功能，采用短消息AT命令對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編程。如果移動(dòng)寬帶可以滿足要求，也可以采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這樣不但可以保證指揮鏈路和遙測鏈路的工作，還可以增加任務(wù)鏈路。在沒有或無法接收到蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)上行指揮鏈路的指令時(shí)(例如在蜂窩移動(dòng)通信沒有覆蓋的地區(qū))，自動(dòng)駕駛儀Xn的嵌入式計(jì)算機(jī)24根據(jù)預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制無人飛行器Fn自主起飛、降落和飛行。
當(dāng)飛機(jī)在起飛、降落或視距內(nèi)飛行時(shí)，也可利用RC遙控裝置切換到遙控飛行。此時(shí)，地面控制臺1中的操作員11可以使用RC發(fā)射機(jī)10和自動(dòng)駕駛儀Xn的RC接收機(jī)20通過SPDT模擬開關(guān)23的切換直接遙控?zé)o人飛行器Fn的飛行；當(dāng)自動(dòng)駕駛儀Xn接收不到RC發(fā)射機(jī)10信號時(shí)，自動(dòng)駕駛儀Xn的SPDT模擬開關(guān)23自動(dòng)切換到對無人飛行器Fn的自主飛行控制。
圖4所示的控制臺的軟件程序具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)兩個(gè)獨(dú)立的線程。當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，線程I通過GSM移動(dòng)通信模塊5接收自動(dòng)駕駛儀Xn的下行遙測數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)7的導(dǎo)航地圖上顯示飛行器的航跡及飛行狀態(tài)；線程II通過GSM移動(dòng)通信模塊5向自動(dòng)駕駛儀Xn發(fā)送上行指揮數(shù)據(jù)，如地面操作人員設(shè)定或修改的航線、任務(wù)指令等。
圖5所示的存儲在嵌入式計(jì)算機(jī)24內(nèi)存中的飛行控制軟件在接通電源22后，程序自動(dòng)運(yùn)行。主要包括以下步驟通電后開始初始化，然后開始控制循環(huán)，初始化的任務(wù)是對無人飛行器Fn進(jìn)行地面檢測，主要檢測嵌入式計(jì)算機(jī)24的模數(shù)轉(zhuǎn)換是否正常、各傳感器工作是否正常、串口通訊是否正常、脈寬輸出是否正常、GSM數(shù)據(jù)傳輸是否正常、最后記錄下GPS位置，以便返航使用。在控制循環(huán)中，首先對飛行狀態(tài)傳感器數(shù)據(jù)、RC接收機(jī)PWM數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對GPS導(dǎo)航模塊、GSM移動(dòng)通信模塊的數(shù)據(jù)接受；然后根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與存儲在SD卡25內(nèi)的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)PID控制算法計(jì)算出姿態(tài)、高度、速度和航向控制參數(shù)；控制SPDT模擬開關(guān)23；分別向舵機(jī)組21發(fā)送控制信號，同時(shí)向SD卡存儲數(shù)據(jù)(包括接收到對飛行任務(wù)的修訂)，并經(jīng)GSM移動(dòng)通信模塊27向地面控制臺1發(fā)送下行遙測數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例如下，由于各種無人駕駛飛行器的控制規(guī)律相差甚遠(yuǎn)，本發(fā)明采用無人駕駛飛機(jī)作為無人駕駛飛行器的典型代表。盡管蜂窩移動(dòng)通信的體制繁多，并處于高速發(fā)展中，但其在本發(fā)明中的作用是相同的，因此在實(shí)例中采用了目前所占市場份額最大的GSM體制。
本發(fā)明位于飛行器Fn上的自動(dòng)駕駛儀Xn凈重不大于500g(包括電池)，采用鋰電池供電，經(jīng)過電源模塊分別提供3.3V和5V電源，功耗約為3.5W。其嵌入式計(jì)算機(jī)24為PHILIPS(飛利浦)公司生產(chǎn)LPC2100系列32位ARM7微控制器，該系列計(jì)算機(jī)具有2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART通信接口(分別用于GSM和GPS通信)，4路以上AD用于傳感器的數(shù)據(jù)采集，可以直接生成PWM舵機(jī)控制信號。系統(tǒng)使用C語言進(jìn)行開發(fā)，最后移植到μC/OS-II操作系統(tǒng)上。μC/OS-II操作系統(tǒng)是一種是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，該內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，其最小內(nèi)核可編譯至2k。
移動(dòng)通信模塊27和導(dǎo)航模塊29可采用SIEMENS(西門子)公司生產(chǎn)的XT55組合模塊，XT55是該公司生產(chǎn)的第一個(gè)將三頻段GSM/GPRS和GPS技術(shù)集成到一塊尺寸小于火柴盒的印刷電路板(PCB)模塊，XT55具有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口和完整的SIM卡閱讀器。幾何尺寸僅為35×53×5.1mm，重量大約11g，使用與嵌入式計(jì)算機(jī)24相同的3.3V供電，在休眠狀態(tài)耗電僅為3.0mA，工作狀態(tài)平均為260mA。使用XT55模塊可以避免GSM模塊與GPS模塊之間的干擾問題。
本發(fā)明位于地面的控制臺1的計(jì)算機(jī)7為一臺筆記本計(jì)算機(jī)，利用RS232通信口連接的通信模塊5為一個(gè)SIEMENS(西門子)公司生產(chǎn)的TC35T模塊，TC35T是該公司推出的GSM專用調(diào)制解調(diào)器，具有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口和完整的SIM卡閱讀器，可完成語音、數(shù)據(jù)、短消息以及傳真的傳送。
XT55與TC35T之間的雙向通信采用AT指令集的SMS短信形式實(shí)現(xiàn)。AT指令集是由諾基亞、愛立信、摩托羅拉和惠普等廠家共同為GSM系統(tǒng)研制的，其中包含了短信息的控制。對SMS的控制共有三種實(shí)現(xiàn)途徑Block模式、Text模式和PDU模式。Text模式比較簡單，但缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信。發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短信息必須采用PDU模式，短信息正文經(jīng)過十六進(jìn)制編碼后進(jìn)行傳送。本發(fā)明不涉及中文短消息的傳送和接收，因此采用Text模式來發(fā)送接收短信息。
本發(fā)明控制系統(tǒng)理論上可同時(shí)控制10架以上飛行器，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)最好在六架以下。為驗(yàn)證本發(fā)明控制系統(tǒng)的實(shí)用性能和可靠性，在2架PiperJ-3 Club型模型飛機(jī)上裝備兩套同樣的自動(dòng)駕駛儀，并分別為地面控制臺1、自動(dòng)駕駛儀申請了中國移動(dòng)通信公司的電話號碼。Piper J-3 Club飛機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)是翼展1800mm、長度1195mm、發(fā)動(dòng)機(jī)選用了40cc汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，整個(gè)飛行器重約5000g。實(shí)際測試證明，上述飛機(jī)最大飛行速度為130公里/小時(shí)，飛行高度約1000米，連續(xù)飛行時(shí)間分別達(dá)到150和180分鐘，飛行距離大于200公里，飛行始終處于地面控制和監(jiān)視之下。另在實(shí)驗(yàn)室條件下，驗(yàn)證了可同時(shí)控制6架飛機(jī)的情況。
權(quán)利要求
1.基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，包括下述裝置按預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制無人飛行器自主飛行的自動(dòng)駕駛儀、給無人飛行器預(yù)設(shè)飛行任務(wù)并顯示無人飛行器實(shí)際飛行狀態(tài)的地面控制臺(1)和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，所述無人飛行器不多于6架，每一架無人飛行器內(nèi)設(shè)置有一套自動(dòng)駕駛儀；所述每一套自動(dòng)駕駛儀和地面控制臺(1)分別擁有一個(gè)存儲移動(dòng)通信號碼的SIM卡；所述自動(dòng)駕駛儀與地面控制臺(1)之間通過各自所在地基站、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(3)形成的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信鏈路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述自動(dòng)駕駛儀包括一個(gè)內(nèi)存中存儲有預(yù)設(shè)飛行任務(wù)和飛行控制軟件的嵌入式計(jì)算機(jī)(24)，其輸出端口通過SPDT模擬開關(guān)(23)連接無人飛行器的舵機(jī)組(21)，該嵌入式計(jì)算機(jī)(24)的AD輸入端連接有飛行狀態(tài)傳感器(28)，嵌入式計(jì)算機(jī)(24)的通信接口連接有用于傳輸數(shù)據(jù)并設(shè)置有SIM卡(26)的移動(dòng)通信模塊(27)、用于導(dǎo)航的衛(wèi)星接收GPS模塊(29)，所述移動(dòng)通信模塊(27)、GPS模塊(29)的輸入端分別與通信天線(31)、導(dǎo)航天線(30)連接；所述地面控制臺(1)包括由操作員(12)控制的計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)通過串行通信(6)連接設(shè)有SIM卡(8)的移動(dòng)通信模塊(5)，其輸出端連接通信天線(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述嵌入式計(jì)算機(jī)(24)連接有一個(gè)用于存儲飛行任務(wù)數(shù)據(jù)的SD卡(25)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為GSM制式的公共移動(dòng)通信系統(tǒng)。
5.基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，包括下述步驟的控制方法a)將無人飛行器的自動(dòng)駕駛儀與地面控制臺(1)通過各自所在地基站、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(3)形成的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)建立雙向數(shù)據(jù)通信鏈路，即上行指揮鏈路和下行遙測鏈路；b)地面控制臺(1)的操作員(12)利用計(jì)算機(jī)(7)的軟件程序設(shè)定無人飛行器的飛行任務(wù)指令后，計(jì)算機(jī)(7)將指令數(shù)據(jù)傳遞到移動(dòng)通信模塊(5)，經(jīng)過通信天線(4)通過步驟a)的上行指揮鏈路發(fā)送給自動(dòng)駕駛儀；自動(dòng)駕駛儀的遙測數(shù)據(jù)通過下行遙測鏈路經(jīng)移動(dòng)通信模塊(5)傳遞到計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)(7)根據(jù)遙測數(shù)據(jù)顯示無人飛行器的實(shí)際飛行狀態(tài)，并在電子地圖上顯示飛行軌跡和任務(wù)的完成情況；c)自動(dòng)駕駛儀利用其嵌入式計(jì)算機(jī)(24)的飛行控制程序根據(jù)存儲在內(nèi)存或SD卡(25)內(nèi)的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)、GPS模塊(29)從導(dǎo)航天線(30)接收的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)傳感器(28)輸入的數(shù)據(jù)形成PWM指令控制舵機(jī)組(21)對無人飛行器(Fn)實(shí)施無人駕駛；同時(shí)移動(dòng)通信模塊(27)經(jīng)通信天線(31)通過步驟a)的上行指揮鏈路接收地面控制臺(1)對存儲于內(nèi)存或SD卡(25)的預(yù)設(shè)飛行任務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行修訂，并通過下行遙測鏈路自動(dòng)發(fā)送實(shí)際飛行狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)到地面控制臺(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是利用GSM制式的公共移動(dòng)通信系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，在沒有或無法接收到蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)上行指揮鏈路的指令時(shí)，所述自動(dòng)駕駛儀的嵌入式計(jì)算機(jī)(24)根據(jù)預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制無人飛行器的自主飛行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于蜂窩移動(dòng)通信的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)，包括下述裝置按預(yù)設(shè)飛行任務(wù)控制飛行器自主飛行的自動(dòng)駕駛儀、給無人飛行器預(yù)設(shè)飛行任務(wù)并顯示飛行器實(shí)際飛行狀態(tài)的地面控制臺和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)；所述無人飛行器可有多架，每一架無人飛行器內(nèi)設(shè)置有一套自動(dòng)駕駛儀，每一套自動(dòng)駕駛儀和地面控制臺分別擁有一個(gè)存儲移動(dòng)通信號碼的SIM卡；自動(dòng)駕駛儀與地面控制臺之間通過所在地基站、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)形成的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信鏈路連接。本發(fā)明的無人駕駛飛行器控制系統(tǒng)可同時(shí)控制不多于6架飛行器實(shí)現(xiàn)無人駕駛飛行。
文檔編號H04Q7/22GK1929335SQ20061004287
公開日2007年3月14日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者陳衛(wèi), 程禮, 李康, 楊帆 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學(xué)