專利名稱：無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛行器的控制系統(tǒng)及其控制方法，特別是一種無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
飛艇是一種輕于空氣(Lighter Than Air，LTA)的飛行器，其主要組成部分有充滿輕質(zhì)氣體的氣囊、一臺或數(shù)臺產(chǎn)生推力的發(fā)動機(jī)、吊艙、尾翼和操縱系統(tǒng)等。與重于空氣的飛行器的主要不同在于飛艇依靠密封于氣囊內(nèi)的輕于空氣的氣體(如氫氣、氦氣或熱空氣等)提供全部或絕大部分升力，將飛艇及其載荷支持在空中，該升力與飛行速度無關(guān)。飛艇與其他輕于空氣飛行器的主要不同在于飛艇是有動力、可操控的，發(fā)動機(jī)為其提供動力，通過操縱尾翼上的升降舵和方向舵控制飛艇的俯仰和方向運動。無人飛艇的特征尺寸約為20m以下，可以攜帶一定的任務(wù)負(fù)載，續(xù)航時間一般在2h以內(nèi)。
與無人固定翼飛行器和無人旋翼飛行器相比，無人飛艇具有制造維護(hù)成本低、商載-自重比大、續(xù)航時間長、操縱性強(qiáng)、控制簡單安全、可實現(xiàn)低空低速飛行等優(yōu)點。自20世紀(jì)80年代，許多國家開展了無人飛艇的研究，主要目的是以其為平臺，開展交通監(jiān)視、城市規(guī)劃、電線與管道架設(shè)與檢測、礦場或考古地點勘測與保護(hù)、法律實施、通訊中繼、以及環(huán)境、生物多樣性、氣候監(jiān)測和研究等。近年來，超小型無人飛艇得到了越來越多的應(yīng)用，正成為國際上的一個研究熱點。
無人飛艇的絕大多數(shù)采用遙控方式，遙控距離一般為視距范圍以內(nèi)。顯然，遙控方式存在不足，如遙控距離有限，當(dāng)目標(biāo)地點處于遙控者難以到達(dá)的地方(如大森林、沼澤)時，無人飛艇無法飛行；遙控者勞動強(qiáng)度大，遙控者一直仰頭邊看飛艇邊操作，尤其在一些長時間飛行情況下容易疲勞等。
半自主/自主無人飛艇飛行控制系統(tǒng)的目的在于部分地取代人工操縱，使飛艇具有一定的自主性。在這方面，巴西的AURORA計劃項目、法國國家科學(xué)研究中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析實驗室等研究機(jī)構(gòu)做了大量的工作，但其研究是基于高成本傳感器組的，不利于實現(xiàn)商業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)及其控制方法，提高無人飛艇飛行的自主性能，減輕遙控操作者的勞動強(qiáng)度，拓寬無人飛艇的應(yīng)用范圍。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)包括機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分，其中機(jī)載系統(tǒng)由傳感器組(包括位置傳感器和姿態(tài)傳感器)、單片機(jī)、遙控信號接收機(jī)、模擬多路開關(guān)、致動器、機(jī)載數(shù)傳模塊組成。單片機(jī)信號和遙控信號接收機(jī)信號經(jīng)模擬多路開關(guān)與致動器信號線相連，單片機(jī)引腳與模擬多路開關(guān)的控制端相連；單片機(jī)通過串行通信接口和(或)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口獲取傳感器組信號；單片機(jī)的通用I/O引腳與遙控信號接收機(jī)相關(guān)控制通道的信號線相連；單片機(jī)通過串口與數(shù)傳模塊相連。地面系統(tǒng)包括遙控信號發(fā)射機(jī)、PC機(jī)、地面數(shù)傳模塊；遙控信號發(fā)射機(jī)由遙控者操作；地面數(shù)傳模塊通過串口與PC機(jī)相連。
為了使該控制系統(tǒng)能滿足多種用戶需求，按如下幾點設(shè)計了該系統(tǒng)的控制方法。
1.單片機(jī)通過對接收機(jī)模式通道信號進(jìn)行識別，通過控制模擬多路開關(guān)的控制端，使控制系統(tǒng)在人工遙控、局部人工遙控及自主飛行這三種模式進(jìn)行切換，從而既能實現(xiàn)無人飛艇的自主飛行，又可在特殊情況下及時切換到遙控模式下，提高了無人飛艇的安全性。
2.單片機(jī)通過中斷程序采集無人飛艇的姿態(tài)、位置、速度、方向等傳感信號，經(jīng)處理后依控制算法計算出當(dāng)前飛行控制模式下所要求控制的各通道的控制量，由I/O口發(fā)出、經(jīng)模擬多路開關(guān)至致動器控制無人飛艇的相關(guān)舵面，從而控制飛艇的飛行。
3.通過預(yù)先設(shè)置或在飛行過程中實時設(shè)定航路點，使自主地按設(shè)定的路徑飛行。
4，為了避免因數(shù)據(jù)模塊數(shù)據(jù)出錯而帶來的不利影響，對數(shù)傳模塊所傳送的數(shù)據(jù)設(shè)定嚴(yán)格的格式并設(shè)置校驗，使機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)能方便地辨別傳送數(shù)據(jù)是否正確。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，包括機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，其特征在于機(jī)載系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為傳感器組的輸出由串行通訊接口和/或模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接單片機(jī)的輸入口，單片機(jī)的輸出由I/O引腳與模擬多路開關(guān)輸入端連接，模擬多路開關(guān)的輸出端連接致動器組的輸入端，單片機(jī)通過串口與機(jī)載數(shù)傳模塊相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機(jī)，遙控信號接收機(jī)的輸出口連接模擬開關(guān)；地面系統(tǒng)有PC機(jī)通過串口連接一個地面數(shù)傳模塊，并有一個遙控信號發(fā)射機(jī)；機(jī)載系統(tǒng)的機(jī)載數(shù)傳模塊和遙控信號接收機(jī)分別通過射頻信號與地面系統(tǒng)的地面數(shù)傳模塊和遙控信號機(jī)聯(lián)系。
上述的傳感器組、單片機(jī)和模擬多路開關(guān)制作于一塊印刷電路板上，由印刷電路板上的數(shù)傳電臺接線頭、遙控信號接收機(jī)接線頭和致動器組接線頭分別通過電纜連接機(jī)載數(shù)傳模塊，遙控信號接收機(jī)和致動器組。
上述的單片機(jī)電路由一塊C8051F020型單片機(jī)、一塊雙排5×2標(biāo)準(zhǔn)插口、一個24M型晶振、十一個電容和一個電阻構(gòu)成。
上述的傳感器組由一塊MAX3232型串口通信接口芯片、四個電容、一個HMR3000型數(shù)字羅盤和一塊RGM3000型GPS接收機(jī)模塊構(gòu)成。
上述的模擬多路開關(guān)為一塊MAX333型芯片。
上述的數(shù)傳電臺接線頭采用單排四針標(biāo)準(zhǔn)插口、遙控信號接收機(jī)接線頭采用單排三針標(biāo)準(zhǔn)插口，致動器組接線頭采用單排三針標(biāo)準(zhǔn)插口。
上述的傳感器組包含有位置傳感器和姿態(tài)傳感器，致動器組為舵機(jī)。
一種用于權(quán)利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于控制步驟為a.在機(jī)載系統(tǒng)中將傳感器組感知無人飛艇的姿態(tài)與位置的信號傳送至單片機(jī)處理；b.在地面系統(tǒng)中，有遙控者操縱遙控信號發(fā)射機(jī)發(fā)送遙控信號，包括飛行模式切換信號；c.地面數(shù)傳模塊接收機(jī)載系統(tǒng)中單片機(jī)傳給機(jī)載數(shù)傳模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的射頻信號，送至地面PC機(jī)處理；d.地面數(shù)傳模塊接收PC機(jī)的飛行控制指令，并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號送出；e.機(jī)載數(shù)傳模塊接收飛行控制指令傳送至單片機(jī)處理，包括切換飛行模式；f.機(jī)載系統(tǒng)中的單片機(jī)通過控制與模擬多路開關(guān)的控制端連接的I/O引腳電平，在遙控信號接收機(jī)接收地面遙控信號發(fā)射機(jī)的遙控信號和單片機(jī)發(fā)送的飛行控制信號兩者之間選一，對致動器組舵機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)姿態(tài)控制與導(dǎo)航。
在上述的控制方法中，通過機(jī)載單片機(jī)對遙控信號接收機(jī)模式通道的狀態(tài)識別，改變模擬多路開關(guān)相關(guān)通道的控制端電平，使對應(yīng)致動器組信號在遙控信號接收機(jī)信號或單片機(jī)信號中選一，從而使飛行控制系統(tǒng)在人工遙控飛行、局部人工遙控飛行與自動遙控飛行三種模式之間切換。
在上述的自主飛行模式中，通過在單片機(jī)中預(yù)先設(shè)置飛行航路點，或在飛行過程中實時設(shè)定飛行航路點，使無人飛艇按航路點飛行。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出特點和顯著特優(yōu)點在本發(fā)明設(shè)計的控制系統(tǒng)中，單片機(jī)對遙控接收機(jī)模式通道信號進(jìn)行識別，使遙控系統(tǒng)能在人工遙控、局部人工遙控及自主飛行三種模式進(jìn)行切換；能通過預(yù)先設(shè)置或在飛行過程中實時設(shè)定航路點，使自主地按設(shè)定路線飛行，執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)；地面可通過遙控信號發(fā)射機(jī)發(fā)送指令無人飛艇，操空方便；可通過地面數(shù)傳模塊獲得無人飛艇的各種飛行數(shù)據(jù)，便于實時遙控。本發(fā)明提高了飛艇的自主性能，減輕了遙控者的勞動強(qiáng)度，同時可拓寬無人飛艇的應(yīng)用范圍。


圖1是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框2是圖1示例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意3是圖2中印刷電路板的電路原理4是單刀雙擲模擬開關(guān)的原理示意5是圖1示例中單片機(jī)的程序流程6是圖1示例中飛行模式切換程序流程7是圖1示例中的控制框8是圖1示例中數(shù)傳模塊傳送數(shù)據(jù)的格式圖具體實施方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例如下詳述參見圖1和圖2，本無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，包括機(jī)載系統(tǒng)2和地面系統(tǒng)1，機(jī)載系統(tǒng)2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為傳感器組3的輸出由串行通訊接口和/或模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接單片機(jī)4的輸入口，單片機(jī)4的輸出由I/O引腳與模擬多路開關(guān)5輸入端連接，模擬多路開關(guān)5的輸出端連接致動器組6的輸入端，單片機(jī)4通過串口與機(jī)載數(shù)傳模塊7相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機(jī)8，遙控信號接收機(jī)8的輸出口連接模擬開關(guān)5；地面系統(tǒng)1有PC機(jī)11通過串口連接一個地面數(shù)傳模塊9，并有一個遙控信號發(fā)射機(jī)10；機(jī)載系統(tǒng)2的機(jī)載數(shù)傳模塊7和遙控信號接收機(jī)8分別通過射頻信號與地面系統(tǒng)1的地面數(shù)傳模塊9和遙控信號機(jī)10聯(lián)系。上述的傳感器組3、單片機(jī)4和模擬多路開關(guān)5制作于一塊印刷電路板12上，由印刷電路板12上的數(shù)傳電臺接線頭14、遙控信號接收機(jī)接線頭15和致動器組接線頭13分別通過電纜連接機(jī)載數(shù)傳模塊7，遙控信號接收機(jī)8和致動器組6。傳感器組3包含有位置傳感器和姿態(tài)傳感器，位置傳感器采用RoyalTek公司的RGM3000型GPS接收機(jī)，姿態(tài)傳感器為HoneyWell公司的HMR3000數(shù)字羅盤，這兩個傳感器均通過串口與單片機(jī)4通信，另外，由于數(shù)傳電臺和數(shù)字羅盤的串口為RS232電平，故需利用串口接口芯片將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)4可接受的TTL電平，本例中采用了MAX3232作為傳感器的接口芯下以實現(xiàn)此功能；單片機(jī)4為Cygnal公司出品的C8051F020型單片機(jī)；模擬多路開關(guān)5為MAXIUM公司制造的Max333型元件；遙控信號接收機(jī)8為Futaba公司出品的R149DP型9通道接收機(jī)；致動器6為Futaba公司出品的Futaba S9204型舵機(jī)。地面系統(tǒng)1中遙控信號發(fā)射機(jī)10為Futaba公司出品的T9CAP型發(fā)射機(jī)，地面PC機(jī)11可為通用的便攜式膝上機(jī)。地面系統(tǒng)1和機(jī)載系統(tǒng)2中的數(shù)傳模塊7、9為泰達(dá)鑫公司出品的TDX-230型雙工數(shù)傳電臺，均通過串口與單片機(jī)4或PC機(jī)11相連。為了提高系統(tǒng)的集成度，在該實例中將傳感器組及其接口3電路、單片機(jī)模塊4、模擬多路開關(guān)5等集成在一印刷電路板12中，并在該電路板上留出了與機(jī)載數(shù)傳電臺的串口的接線頭14，留出了與遙控信號接收機(jī)8的第二、三、四、六、八通道信號接口的接線頭15，留出了與四個舵機(jī)6的接口13。
參見圖4，上述印刷電路板12電路的各部分分別為單片機(jī)模塊4含有U2-Cygnal公司出品的C8051F020型單片機(jī)；Y1-24M晶振；C14與C15-27pF電容；C1~C9-0.1uF電容；HDR1-雙排5×2標(biāo)準(zhǔn)插口，單片機(jī)程序燒寫JTAG插口。
遙控信號接收機(jī)接頭8含有CON1~CON5-單排三針標(biāo)準(zhǔn)插口，分別連至接收機(jī)的通道2、通道3、通道4、通道6、通道8，CON5與單片機(jī)P3.4引腳連接。模擬多路開關(guān)5含有U1-模擬多路開關(guān)MAX333，其各路的連接關(guān)系如表1所示。
舵機(jī)接線頭13含有CON7~CON10-單排三針標(biāo)準(zhǔn)插口，分別連至無人飛艇升降舵舵機(jī)、左發(fā)動機(jī)風(fēng)門舵機(jī)、方向舵舵機(jī)、右發(fā)動機(jī)風(fēng)門舵機(jī)。
傳感器組及其接口電路3含有U3-串行通信接口芯片MAX3232；U4-GPS接收機(jī)模塊RGM3000；U5-數(shù)字羅盤HMR3000；C10~C13-1.0uF鉭電容。
數(shù)傳電臺接線頭14含有CON6-單排四針標(biāo)準(zhǔn)插口。
圖2是單刀雙擲型模擬開關(guān)的示意圖。當(dāng)控制端為低電平時，公共端與常合端導(dǎo)通；否則當(dāng)控制端為高電平時，公共端與常合端導(dǎo)通。在本實施例中采用的MAXIUM公司制造的Max333型元件有四路這樣的獨立的模擬開關(guān)，把遙控信號接收機(jī)的第二、三、四、六通道(分別對應(yīng)飛艇的升降舵、左發(fā)動機(jī)風(fēng)門舵、方向舵、右發(fā)動機(jī)風(fēng)門舵)分別與Max333的常合端連接，其常開端、控制端分別與相應(yīng)的單片機(jī)的引腳連通，公共端與致動器信號線連通。故通過改變控制端的電平，單片機(jī)可以控制致動器信號的來源。
表1模擬開關(guān)各路連接情況

本無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)的控制方法如下所述本控制方法的控制步驟為a.在機(jī)載系統(tǒng)2中將傳感器組3感知無人飛艇的姿態(tài)與位置的信號傳送至單片機(jī)處理；b.在地面系統(tǒng)中，有遙控者操縱遙控信號發(fā)射機(jī)10發(fā)送遙控信號，包括飛行模式切換信號；c.地面數(shù)傳模塊9接受機(jī)載系統(tǒng)中單片機(jī)4傳給機(jī)載數(shù)傳模塊7的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的射頻信號，送至地面PC機(jī)11處理；d.地面數(shù)傳模塊9接受PC機(jī)11的飛行控制指令，并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號送出；e.機(jī)載數(shù)傳模塊7接受飛行控制指令傳送至單片機(jī)4處理，包括切換飛行模式；f.機(jī)載系統(tǒng)2中的模擬多路開關(guān)5在遙控信號接收機(jī)8接受地面遙控信號發(fā)射機(jī)10的遙控信號和單片機(jī)4發(fā)送飛行控制信號，對致動器組舵機(jī)6進(jìn)行控制，實現(xiàn)姿態(tài)控制與導(dǎo)航。
上述的控制方法中，通過機(jī)載單片機(jī)4對遙控信號接收機(jī)8模式通道的狀態(tài)識別，改良模擬多路開關(guān)5相關(guān)通道的控制端電平，使對應(yīng)致動器組6信號在遙控信號接收機(jī)8信號或單片機(jī)4信號中選一，從而使飛行控制系統(tǒng)在人工遙控飛行、局部人工遙控飛行與自動遙控飛行三種模式之間切換。
上述的自主飛行模式中，通過在單片機(jī)中預(yù)先設(shè)置飛行航路點，或在飛行過程中實時設(shè)定飛行航路點，使無人飛艇按航路點飛行。
圖5給出本無人飛艇飛控系統(tǒng)機(jī)載單片機(jī)的程序流程圖。程序初始化后，通過與人工交互設(shè)置無人飛艇的飛行航路點，然后進(jìn)行循環(huán)控制中。在循環(huán)控制中，利用單片機(jī)4的中斷程序處理經(jīng)串口傳入的GPS和數(shù)字羅盤3的信號語句以及地面PC機(jī)11上傳的控制指令，如果一個語句接收并處理完畢，則寫對應(yīng)的標(biāo)識。在一個循環(huán)中，首先判斷無人飛艇的飛行模式；然后查詢中斷處理是否完成的標(biāo)識，如果某傳感器信號處理完畢標(biāo)識為1，則將該傳感器數(shù)據(jù)按一定的格式傳送至地面，然后將對應(yīng)的標(biāo)識清0；地面PC機(jī)11控制指令接收及處理后，與傳感器數(shù)據(jù)一起被用于控制算法中，控制算法通過當(dāng)前飛行狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，計算出各舵機(jī)6所需的控制量，發(fā)送給多路開關(guān)5。
圖6的虛線框中是飛行模式切換程序流程圖。在本實施例中P3.4引腳與遙控信號接收機(jī)8的通道8連通，由于所有通道的信號均是脈寬調(diào)制(PWM)信號，因此單片機(jī)4通過定時器/計數(shù)器計算一個周期內(nèi)PWM波的高電平時間t，即可獲知遙控者設(shè)定的飛行模式。在實施例中，設(shè)定當(dāng)700＜t≤1200時，表明操作者希望無人飛艇處于遙控飛行模式，此時，單片機(jī)4控制P2.0、P2.1、P2.2、P2.3即模擬開關(guān)5的四個通道的控制端的電平均為低，使各路常合端與公共端導(dǎo)通，即所有致動器6的輸入信號為接收機(jī)8的信號，從而遙控者可遙控輕于空氣飛行器的所有通道。當(dāng)1200＜t≤1800時，表明操作者希望無人飛艇處于局部人工遙控飛行模式，此時，單片機(jī)控制P2.0、P2.1、P2.3被置為高電平，P2.2被置為低電平，從而遙控者可以遙控?zé)o人飛艇的方向舵，而其它通道則由單片機(jī)4控制。當(dāng)1800＜t或t≤700時，表明操作者希望無人飛艇處于自主飛行模式，此時，單片機(jī)4控制P2.0、P2.1、P2.2、P2.3即模擬開關(guān)5的四個通道的控制端的電平均為高，使各路常開端與公共端導(dǎo)通，即所有舵機(jī)6均由單片機(jī)4控制。這樣，遙控者通過操作通道8以實現(xiàn)飛行模式之間的切換，一般情況下，設(shè)置通道8為三檔開關(guān)。
圖7是各個通道的控制框圖。各個通道的控制基本過程為設(shè)置控制量的目標(biāo)值，該目標(biāo)值與傳感器3所測得的值進(jìn)行比較得到誤差e，由算法算得控制量至舵機(jī)6，從而控制無人飛艇的運動，如此循環(huán)。在無人飛艇中所需控制的量有速度、高度、航向三種，分別通過對發(fā)動機(jī)風(fēng)門舵機(jī)、升降舵舵機(jī)、方向舵舵機(jī)進(jìn)行控制。由于飛艇的特性，質(zhì)量較大的吊艙一般設(shè)在囊體底部，故不必對橫滾通道進(jìn)行控制；飛艇其升力主要是空氣浮力，與速度無關(guān)，故飛艇不存在失速的問題，因此在控制中不必考慮各通道之間的耦合關(guān)系，故速度、高度、航向三種量可以單獨控制，從而簡化控制算法；采用實現(xiàn)方便、控制可靠的PID控制算法。具體而言，速度通過調(diào)整發(fā)動機(jī)風(fēng)門舵機(jī)進(jìn)行控制，由GPS提供的地速表示飛艇的速度，若地速與設(shè)定飛行速度有差距，則通過控制算法，計算出風(fēng)門舵機(jī)的調(diào)整量，不斷修正風(fēng)門從而實現(xiàn)速度控制。高度通過調(diào)整升降舵機(jī)進(jìn)行控制，由GPS提供的高度與設(shè)定的飛行高度進(jìn)行比較，通過控制算法計算出升降舵舵機(jī)的調(diào)整量，不斷調(diào)整從而實現(xiàn)高度控制。航向通過調(diào)整方向舵舵機(jī)進(jìn)行控制，由羅盤提供的艇首方向角與方向目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過控制算法計算出方向舵舵機(jī)的調(diào)整量，不斷調(diào)整從而實現(xiàn)方向控制；其中方向目標(biāo)值通過當(dāng)前GPS位置與下一航路點GPS位置計算得出。
圖8為數(shù)傳模塊傳送數(shù)據(jù)的格式。其中傳送的數(shù)值及其名稱是可變的部分，校檢碼HH是這兩部分各個字符與0的異或結(jié)果。通過這種方式，可保證機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)能方便地識別正確或錯誤的數(shù)據(jù)，以避免數(shù)傳模塊受到干擾而造成的不利影響。
本控制系統(tǒng)及控制方法用于上海箭微機(jī)電技術(shù)有限公司研制的長12米充氦飛艇的半自主控制，效果良好。
權(quán)利要求
1.一種無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，包括機(jī)載系統(tǒng)(2)和地面系統(tǒng)(1)，其特征在于機(jī)載系統(tǒng)(2)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為傳感器組(3)的輸出由串行通訊接口和/或模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接單片機(jī)(4)的輸入口，單片機(jī)(4)的輸出由I/O引腳與模擬多路開關(guān)(5)輸入端連接，模擬多路開關(guān)(5)的輸出端連接致動器組(6)的輸入端，單片機(jī)(4)通過串口與機(jī)載數(shù)傳模塊(7)相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機(jī)(8)，遙控信號接收機(jī)(8)的輸出口連接模擬開關(guān)(5)；地面系統(tǒng)(1)有PC機(jī)(11)通過串口連接一個地面數(shù)傳模塊(9)，并有一個遙控信號發(fā)射機(jī)(10)；機(jī)載系統(tǒng)(2)的機(jī)載數(shù)傳模塊(7)和遙控信號接收機(jī)(8)分別通過射頻信號與地面系統(tǒng)(1)的地面數(shù)傳模塊(9)和遙控信號機(jī)(10)聯(lián)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，其特征在于傳感器組(3)、單片機(jī)(4)和模擬多路開關(guān)(5)制作于一塊印刷電路板(12)上，由印刷電路板(12)上的數(shù)傳電臺接線頭(14)、遙控信號接收機(jī)接線頭(15)和致動器組接線頭(13)分別通過電纜連接機(jī)載數(shù)傳模塊(7)，遙控信號接收機(jī)(8)和致動器組(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，其特征在于單片機(jī)(4)電路由一塊C8051F020型單片機(jī)(U2)、一塊雙排5×2標(biāo)準(zhǔn)插口(HDR1)、一個24M型晶振(Y1)、十一個電容(C14、C15、C1-C9)和一個電阻(R1)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，其特征在于傳感器組(3)由一塊MAX3232型串口通信接口芯片(U3)、四個電容(C10-C13)、一個HMR3000型數(shù)字羅盤(U5)和一塊RGM3000型GPS接收機(jī)模塊(U4)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，其特征在于模擬多路開關(guān)(5)為一塊MAX333型芯片(U1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，其特征在于數(shù)傳電臺接線頭(14)采用單排四針標(biāo)準(zhǔn)插口(CON6)、遙控信號接收機(jī)接線頭(15)采用單排三針標(biāo)準(zhǔn)插口(CON1-CON5)，致動器組接線頭(13)采用單排三針標(biāo)準(zhǔn)插口(CON7-CON10)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)，其特征在于傳感器組(3)包含有位置傳感器和姿態(tài)傳感器，致動器組(6)為舵機(jī)。
8.一種用于權(quán)利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于控制步驟為a.在機(jī)載系統(tǒng)(2)中將傳感器組(3)感知無人飛艇的姿態(tài)與位置的信號傳送至單片機(jī)處理；b.在地面系統(tǒng)中，由遙控者操縱遙控信號發(fā)射機(jī)(10)發(fā)送遙控信號，包括飛行模式切換信號；c.地面數(shù)傳模塊(9)接收機(jī)載系統(tǒng)中單片機(jī)(4)傳給機(jī)載數(shù)傳模塊(7)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的射頻信號，送至地面PC機(jī)(11)處理；d.地面數(shù)傳模塊(9)接收PC機(jī)(11)的飛行控制指令，并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號送出；e.機(jī)載數(shù)傳模塊(7)接收飛行控制指令傳送至單片機(jī)(4)處理，包括切換飛行模式；f.機(jī)載系統(tǒng)(2)中的單片機(jī)(4)通過控制與模擬多路開關(guān)(5)的控制端連接的I/O引腳電平，在遙控信號接收機(jī)(8)接收地面遙控信號發(fā)射機(jī)(10)的遙控信號和單片機(jī)(4)發(fā)送的飛行控制信號兩者之間選一，對致動器組舵機(jī)(6)進(jìn)行控制，實現(xiàn)姿態(tài)控制與導(dǎo)航。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于通過機(jī)載單片機(jī)(4)對遙控信號接收機(jī)(8)模式通道的狀態(tài)識別，改變模擬多路開關(guān)(5)相關(guān)通道的控制端電平，使對應(yīng)致動器組(6)信號在遙控信號接收機(jī)(8)信號或單片機(jī)(4)信號中選一，從而使飛行控制系統(tǒng)在人工遙控飛行、局部人工遙控飛行與自動遙控飛行三種模式之間切換。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于自主飛行模式中，通過在單片機(jī)中預(yù)先設(shè)置飛行航路點，或在飛行過程中實時設(shè)定飛行航路點，使無人飛艇按航路點飛行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無人飛艇的半自主飛行控制系統(tǒng)及其控制方法。控制系統(tǒng)包含有機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，機(jī)載系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為傳感器組的輸出由串行通訊接口和/或模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接單片機(jī)的輸入口，單片機(jī)的輸出由I/O引腳與模擬多路開關(guān)輸入端連接，模擬多路開關(guān)的輸出端連接致動器組的輸入端，單片機(jī)通過串口與機(jī)載數(shù)傳模塊相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機(jī)，遙控信號接收機(jī)的輸出口連接模擬多路開關(guān)；地面系統(tǒng)有PC機(jī)通過串口連接一個地面數(shù)傳模塊，并有一個遙控信號發(fā)射機(jī)；機(jī)載系統(tǒng)的機(jī)載數(shù)傳模塊和遙控信號接收機(jī)分別通過射頻信號與地面系統(tǒng)的地面數(shù)傳模塊和遙控信號機(jī)聯(lián)系。在本系統(tǒng)中可由單片機(jī)對遙控接收機(jī)模式通道信號進(jìn)行識別，實現(xiàn)系統(tǒng)在人工遙控、局部人工遙控及自主飛行三種模式進(jìn)行切換。本發(fā)明提高了飛艇的自主性能，減輕了遙控者的勞動強(qiáng)度，同時可拓寬無人飛艇的應(yīng)用范圍。
文檔編號B64B1/00GK1557676SQ20041001579
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月13日
發(fā)明者饒進(jìn)軍, 謝少榮, 羅均, 蔣蓁, 龔振邦 申請人:上海大學(xué)