本發(fā)明涉及自動駕駛技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

小型載人飛行器，例如旋翼飛機機或固定翼飛機，本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，通常需要駕駛員利用一只手來保持與周期變距操縱桿的持續(xù)相互作用，甚至是周期變距操縱桿的瞬間松開都會導(dǎo)致周期變距操縱桿或控制桿的“抖動”，伴隨的是對小型飛行器失去控制。當(dāng)駕駛員需要參與雙手活動時，諸如例如調(diào)節(jié)頭戴式送受話器或者參照地圖的硬拷貝時，這樣特別不方便。此外，對周期變距操縱桿進行持續(xù)控制的需要會使駕駛員變得疲勞。

傳統(tǒng)的自動駕駛儀能夠提供多方面的益處，包括允許駕駛員釋放周期變距操縱桿以參與雙手任務(wù)，以及減輕駕駛員的疲勞。然而，申請人認(rèn)識到，傳統(tǒng)的中大型飛行器的自動駕駛儀的成本非常高，而現(xiàn)有的小型飛行器通常是人工操作的。例如，傳統(tǒng)的或常規(guī)的自動駕駛儀的成本與小型飛行器本身的成本相比是如此之高以至于在輕型小型飛行器中很難見到自動駕駛儀，而且傳統(tǒng)小型載人飛行器在駕駛過程中獲得的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，安全性低，不能監(jiān)測并存儲飛行器工作狀態(tài)。

因此，本領(lǐng)域急需一種價格低廉且自動駕駛安全高效的小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)與方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有小型載人飛行器的缺陷，提供了一種小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)與方法，并具有以下優(yōu)點：模塊化的設(shè)計，便于元器件更換和軟硬件升級，按照集成化、小型化設(shè)計，自我保護功能完善，操作簡便，提高了安全性降低了對用戶操作技能的要求，穩(wěn)定性高，成本低。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)，所述小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)安裝在小型載人飛行器上，所述小型載人飛行器具有自動駕駛及手動駕駛兩種操控模式，所述系統(tǒng)包括嵌入式控制單元、與嵌入式控制單元輸出端通信相連的驅(qū)動單元以及與嵌入式控制單元輸入端分別通信連接的慣導(dǎo)模塊、通用GPS模塊和數(shù)據(jù)采集單元，其中，

所述慣導(dǎo)模塊用于測量飛行姿態(tài)和控制信息，其包括三向加速度計、陀螺儀和高度表；

所述數(shù)據(jù)采集單元包括單片機、以及與單片機的AD轉(zhuǎn)換器分別相連的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器，所述第一霍爾傳感器用于測量旋翼的轉(zhuǎn)速，所述第二霍爾傳感器用于測量螺旋槳的轉(zhuǎn)速，所述單片機用于采集傳感器數(shù)據(jù)并對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后傳輸給嵌入式控制單元進行分析計算；

所述驅(qū)動單元包括功率驅(qū)動模塊、以及與功率驅(qū)動模塊分別通信相連的橫滾電機、俯仰電機和航向電機；

所述嵌入式控制單元通過調(diào)取慣導(dǎo)模塊、通用GPS模塊和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)信息，并通過功率驅(qū)動模塊控制橫滾電機、俯仰電機和航向電機，從而改變小型載人飛行器的俯仰、橫滾或航向控制，實現(xiàn)自動駕駛。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集單元還包括與單片機的AD轉(zhuǎn)換器分別相連包括空速傳感器、缸溫傳感器、油量傳感器和水溫傳感器。

優(yōu)選地，所述嵌入式控制單元是利用嵌入式計算機系統(tǒng)作為機載控制中心，輔助以外部擴展電路，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊的功能，所述嵌入式計算機系統(tǒng)為ARM11處理器。

優(yōu)選地，所述嵌入式控制單元通過DC/DC轉(zhuǎn)換器與電源相連，所述電源為12V，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器還連接有預(yù)旋電機。

優(yōu)選地，所述嵌入式控制單元還連接有聲光報警模塊，所述聲光報警模塊在小型載人飛行器工作不穩(wěn)定狀態(tài)或根據(jù)所述通用GPS模塊預(yù)設(shè)的禁飛區(qū)域進行報警。

優(yōu)選地，所述嵌入式控制單元還連接有數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通訊模塊和視頻采集模塊，所述無線通訊模塊為數(shù)傳電臺，所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于保存飛行過程中飛行姿態(tài)、航線、視頻及各傳感器的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述嵌入式控制單元包括第一判斷模塊、第二判斷模塊和第三判斷模塊(17)，所述第一判斷模塊用于根據(jù)慣導(dǎo)模塊判斷所述小型載人飛行器橫滾是否越界，所述第二判斷模塊用于根據(jù)慣導(dǎo)模塊判斷所述小型載人飛行器俯仰是否越界，所述第一判斷模塊用于根據(jù)慣導(dǎo)模塊和通用GPS模塊判斷所述小型載人飛行器航向是否越界。

相應(yīng)的本發(fā)明還提供一種小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，所述方法包括如下步驟：

S201啟動單片機，通過第一霍爾傳感器、第二霍爾傳感器、空速傳感器、缸溫傳感器、油量傳感器和水溫傳感器采集數(shù)據(jù)，并對小型載人飛行器參數(shù)進行初始化設(shè)置；

S202嵌入式控制單元啟動慣導(dǎo)模塊和通用GPS模塊，并生成線程；

S203在選擇自動駕駛操控模式時，嵌入式控制單元讀取所述慣導(dǎo)模塊數(shù)據(jù)，計算并調(diào)整所述小型載人飛行器的飛行姿態(tài)；

S204顯示實時高度、航向、發(fā)動機和傳感器的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行儲存。

優(yōu)選地，計算并調(diào)整所述小型載人飛行器的飛行姿態(tài)線，具體為：

S2031在第一判斷模塊判斷出橫滾越界時，判斷差值是否大于零，若是，則控制橫滾電機正轉(zhuǎn)，否則，則控制橫滾電機反轉(zhuǎn)；

S2032在第二判斷模塊判斷出俯仰越界時，判斷差值是否大于零，若是，則控制俯仰電機正轉(zhuǎn)，否則，則控制俯仰電機反轉(zhuǎn)；

S2033在第三判斷模塊判斷出航向越界時，判斷差值是否大于零，若是，則控制航向電機正轉(zhuǎn)，否則，則控制航向電機反轉(zhuǎn)；

優(yōu)選地，在選取手動駕駛操控模式后，通過數(shù)據(jù)存儲模塊對數(shù)據(jù)進行儲存，所述數(shù)據(jù)存儲模塊為SD卡。

由此可見，本發(fā)明提供了一種價格低廉且自動駕駛安全高效的小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)與方法，通過應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，采用數(shù)字化技術(shù)，提高測量精度，可靠性和安全性，模塊化的設(shè)計，便于元器件更換和軟硬件升級，按照集成化、小型化設(shè)計，自我保護功能完善，操作簡便，提高了安全性降低了對用戶操作技能的要求，穩(wěn)定性高，成本低。

附圖說明

圖1為本申請?zhí)岢龅男⌒惋w行器自動駕駛系統(tǒng)示意圖；

圖2為本申請?zhí)岢龅男⌒惋w行器自動駕駛方法流程圖；

圖3為本申請?zhí)岢龅男⌒惋w行器自動駕駛方法流程圖。

具體實施方式

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的中大型飛行器的自動駕駛儀的成本非常高，而且現(xiàn)有的小型飛行器沒有自動駕駛功能，操作比較復(fù)雜，穩(wěn)定性低、不能自動獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的問題，本發(fā)明提供了一種小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)與方法。

為了進一步闡述本發(fā)明的技術(shù)思想，結(jié)合具體應(yīng)用場景對本發(fā)明具體實施方式作進一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，為本申請?zhí)岢龅囊环N小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)，所述小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)安裝在小型載人飛行器上，所述小型載人飛行器具有自動駕駛及手動駕駛兩種操控模式，所述系統(tǒng)包括嵌入式控制單元1、與嵌入式控制單元1輸出端通信相連的驅(qū)動單元5以及與嵌入式控制單元1輸入端分別通信連接的慣導(dǎo)模塊2、通用GPS模塊3和數(shù)據(jù)采集單元4，

其中，通用型GPS模塊為GPS傳感器，用于測量地理位置信息，結(jié)合嵌入式控制單元計算，輸出飛行路線信息，并記錄飛行線路，劃分禁飛區(qū)域及其他障礙提示等；

所述慣導(dǎo)模塊2用于測量飛行姿態(tài)和控制信息，其包括三向加速度計21、陀螺儀22和高度表23；

所述數(shù)據(jù)采集單元4包括單片機41、以及與單片機41的AD轉(zhuǎn)換器分別相連的第一霍爾傳感器42和第二霍爾傳感器43，所述第一霍爾傳感器42用于測量旋翼的轉(zhuǎn)速，所述第二霍爾傳感器43用于測量螺旋槳的轉(zhuǎn)速，所述單片機41用于采集傳感器數(shù)據(jù)并對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后傳輸給嵌入式控制單元1進行分析計算；

所述驅(qū)動單元5包括功率驅(qū)動模塊51、以及與功率驅(qū)動模塊51分別通信相連的橫滾電機52、俯仰電機53和航向電機54；

所述嵌入式控制單元1通過調(diào)取慣導(dǎo)模塊2、通用GPS模塊3和數(shù)據(jù)采集單元4的數(shù)據(jù)信息，并通過功率驅(qū)動模塊51控制橫滾電機52、俯仰電機53和航向電機54，從而改變小型載人飛行器的俯仰、橫滾或航向控制，實現(xiàn)自動駕駛。其中，電機采用三組直流減速電機，功率30瓦，通過大功率半導(dǎo)體驅(qū)動器，驅(qū)動執(zhí)行電機正反轉(zhuǎn)，控制飛行器操縱桿及尾舵，達到控制俯仰，橫滾，航向等，閉環(huán)響應(yīng)時間小于100毫秒。

需要說明的是，本申請的采用半導(dǎo)體慣性傳感器，包含加速度計，陀螺，高度表等傳感器與嵌入式處理器構(gòu)成捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，并與GPS定位系統(tǒng)進行系統(tǒng)修正，達到數(shù)據(jù)可靠目的；并利用空速管結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)進行飛行速度修正，采集如螺旋槳、旋翼轉(zhuǎn)速、發(fā)動機狀態(tài)信號監(jiān)測并存儲飛行器工作狀態(tài)；利用嵌入計算機輸出控制信號驅(qū)動電機等執(zhí)行部件，控制航向，橫滾，俯仰等，達到自動駕駛目的。

在具體的應(yīng)用場景中，所述數(shù)據(jù)采集單元4還包括與單片機41的AD轉(zhuǎn)換器分別相連包括空速傳感器44、缸溫傳感器45、油量傳感器46和水溫傳感器47。

需要說明的是，傳感器還有如下：油量傳感器，采用超聲測距方式，在1米范圍內(nèi)可精確到3毫米。根據(jù)油箱的截面積刻度后應(yīng)用顯示在液晶屏，測量精度10％；水溫傳感器，插入式熱敏電阻測量冷卻液溫度，測量精度1度；發(fā)動機溫度傳感器，采用熱電偶進行測量，精度1度；電壓傳感器，測量電源電壓，精度0.1V；空速傳感器，即空速管經(jīng)過氣壓傳感器及溫度傳感器修正后測量空速，并與慣性加速度計積分值相互補償修正后顯示在液晶屏。

在具體的應(yīng)用場景中，所述嵌入式控制單元1是利用嵌入式計算機系統(tǒng)作為機載控制中心，輔助以外部擴展電路，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊的功能，所述嵌入式計算機系統(tǒng)為ARM11處理器。

需要說明的，自動駕駛系統(tǒng)有兩個處理器，前端預(yù)處理單片機，負(fù)責(zé)采集來自個傳感器的數(shù)據(jù)，包括，旋翼轉(zhuǎn)速，螺旋槳轉(zhuǎn)速，由計數(shù)器完成，通過HIS輸入測量油箱液面，通過A/D轉(zhuǎn)換，采集發(fā)動機缸溫，散熱器水溫，空速傳感器等數(shù)據(jù)，打包后傳送給主處理器。嵌入計算機采用ARM11，作為主處理器，負(fù)責(zé)采集來自慣性導(dǎo)航模塊的傳感器數(shù)據(jù)，計算數(shù)學(xué)模型，采集來自得出計算結(jié)果，輸出控制信號到執(zhí)行電機及其他輸出設(shè)備。嵌入式控制單元采用arm11嵌入式處理器，10.4寸液晶顯示器，背光處理，顯示有關(guān)飛行參數(shù)及傳感器數(shù)據(jù)，同時具有黑匣子功能，保存飛行過程中飛行姿態(tài)，航線，及各傳感器的數(shù)據(jù)，可通過網(wǎng)絡(luò)接口或SD卡，導(dǎo)出數(shù)據(jù)到電腦進行回放。前沿處理器(單片機)采用帶A/D轉(zhuǎn)換和PCA功能的單片機做分布式處理采集相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)及預(yù)處理，通過串行接口傳送給主處理器(嵌入式控制單元)進行分析計算。

在具體的應(yīng)用場景中，述嵌入式控制單元1通過DC/DC轉(zhuǎn)換器與電源相連，所述電源為12V，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器還連接有預(yù)旋電機。

其中，采用DC_DC形式將12V直流電源轉(zhuǎn)換為強弱系統(tǒng)所需，并進行隔離，提高了系統(tǒng)可靠性。

在具體的應(yīng)用場景中，所述嵌入式控制單元1還連接有聲光報警模塊11，所述聲光報警模塊11在小型載人飛行器工作不穩(wěn)定狀態(tài)或根據(jù)所述通用GPS模塊3預(yù)設(shè)的禁飛區(qū)域進行報警。其中，小型載人飛行器工作不穩(wěn)定狀態(tài)是指傳感器檢測到的數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的服務(wù)表規(guī)定正常狀態(tài)的預(yù)設(shè)值。

在具體的應(yīng)用場景中，所述嵌入式控制單元1還連接有數(shù)據(jù)存儲模塊12、無線通訊模塊13和視頻采集模塊14，所述無線通訊模塊13為數(shù)傳電臺，所述數(shù)據(jù)存儲模塊12用于保存飛行過程中飛行姿態(tài)、航線、視頻及各傳感器的數(shù)據(jù)。

其中，采用數(shù)傳電臺，通訊頻率340M，輸出功率50w.可傳輸一定帶寬的聲音和圖象信號。

在具體的應(yīng)用場景中，所述嵌入式控制單元1包括第一判斷模塊15、第二判斷模塊16和第三判斷模塊17，所述第一判斷模塊15用于根據(jù)慣導(dǎo)模塊2判斷所述小型載人飛行器橫滾是否越界，所述第二判斷模塊16用于根據(jù)慣導(dǎo)模塊2判斷所述小型載人飛行器俯仰是否越界，所述第一判斷模塊15用于根據(jù)慣導(dǎo)模塊2和通用GPS模塊3判斷所述小型載人飛行器航向是否越界。

本發(fā)明提供一種小型飛行器自動駕駛系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，如圖2所示，所述方法包括如下步驟：

S201啟動單片機41，通過第一霍爾傳感器42、第二霍爾傳感器43、空速傳感器44、缸溫傳感器45、油量傳感器46和水溫傳感器47采集數(shù)據(jù)，并對小型載人飛行器參數(shù)進行初始化設(shè)置；

S202嵌入式控制單元1啟動慣導(dǎo)模塊2和通用GPS模塊3，并生成線程；

S203在選擇自動駕駛操控模式時，嵌入式控制單元1讀取所述慣導(dǎo)模塊2數(shù)據(jù)，計算并調(diào)整所述小型載人飛行器的飛行姿態(tài)；

其中，計算并調(diào)整所述小型載人飛行器的飛行姿態(tài)線，具體為：

S2031在第一判斷模塊15判斷出橫滾越界時，判斷差值是否大于零，若是，則控制橫滾電機52正轉(zhuǎn)，否則，則控制橫滾電機52反轉(zhuǎn)；

其中，差值是設(shè)定的臨界值或者阻尼系數(shù)。

S2032在第二判斷模塊16判斷出俯仰越界時，判斷差值是否大于零，若是，則控制俯仰電機53正轉(zhuǎn)，否則，則控制俯仰電機53反轉(zhuǎn)；

S2033在第三判斷模塊17判斷出航向越界時，判斷差值是否大于零，若是，則控制航向電機54正轉(zhuǎn)，否則，則控制航向電機54反轉(zhuǎn)；

S204顯示實時高度、航向、發(fā)動機和傳感器的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行儲存。

在具體的應(yīng)用場景中，在選取手動駕駛操控模式后，通過數(shù)據(jù)存儲模塊12對數(shù)據(jù)進行儲存，所述數(shù)據(jù)存儲模塊12為SD卡。

通過以上的實施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可以通過硬件實現(xiàn)，也可以借助軟件加必要的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)。(基于這樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該軟件產(chǎn)品可以存儲在一個非易失性存儲介質(zhì)可以是CD-ROM，U盤，移動硬盤等)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施場景所述的方法。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施場景的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發(fā)明所必須的。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解實施場景中的裝置中的模塊可以按照實施場景描述進行分布于實施場景的裝置中，也可以進行相應(yīng)變化位于不同于本實施場景的一個或多個裝置中。上述實施場景的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。

上述本發(fā)明序號僅僅為了描述，不代表實施場景的優(yōu)劣。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施場景，但是，本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍。