CN100390020C - 超视距自主飞行无人驾驶直升机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，该系统由直升机主体和飞行控制系统组成，飞行控制系统包括机载测控系统和地面测控系统。通过机载测控系统和地面测控系统来预设、理解、判断各类指令和周围环境的变化，作出正确的反馈信号，带动执行机构，使操纵机构运动，完成直升机升降、前后飞、转弯、悬停等复杂的飞行动作和按指定的航程飞行，具有超视距自主飞行的使用功能。可在民用上用于喷洒极毒农药、人工降雨、林场巡逻，在军事上用作执行侦察、监控、巡逻、攻击等任务的工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行工具，尤其涉及一种具有超视距自主飞行功能的无人驾驶直升机系统。
背景技术
直升机自诞生之日起，就显示出巨大的优越性。它可以垂直起降、空中悬停、随处着陆，具有灵活、机动、方便、迅速的特点，可以用于抢险、防火、运动、航拍、物探、商务、巡逻、监控、侦察等，在军事上可用于空对空的攻击和空对地、空对海的攻击，受到各国政府的重视。长期以来，直升机都是有人驾驶的直升机，而且有人直升机经过近半个世纪的实践和改进，技术已非常成熟。但是随着直升机应用领域的越来越宽，许多危险领域的工作如使用有人直升机去作，往往会付出生命的代价，而生命是宝贵的，于是人们开始研制超视距自主飞行无人驾驶直升机。我国对超视距自主飞行无人驾驶直升机的研制工作还刚刚起步，开发具有独立知识产权的超视距自主飞行无人驾驶直升机是摆在我国科技人员面前的神圣使命。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种不用机上人工驾驶、具有超视距自主飞行功能的无人驾驶直升机系统。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，由直升机主体和飞行控制系统组成，所述的飞行控制系统包括机载测控系统和地面测控系统。
所述的直升机主体主要包括机身和滑橇、旋翼、尾桨、发动机和传动装置、自动倾斜器、变距舵机、油门舵机、航向舵机和发电机，在机身前部设有仪表舱，发动机安装在机身的后部，用于提供动力，自动倾斜器安装在机身内主轴的下方，变距舵机和油门舵机安装在发动机的前方，航向舵机设置在机身的底部，发电机设置在发动机的后方，用于向直升机内各用电设备提供电力；
所述的机载测控系统设置在直升机主体上，包括飞控计算机、大气数据计算机、磁航向计、垂直陀螺、惯性测量组件、机载数据电台、GPS接收机、DGPS机载电台、DGPS天线、数据电台天线、差分电台天线和空速管，飞控计算机和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱的上部，大气数据计算机、数据电台、GPS接收机和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱的中部，磁航向计和垂直陀螺设置在直升机主体的下部，DGPS机载电台和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱的下部，DGPS天线设置在直升机主体的尾梁上，数据电台天线和差分电台天线分别设置在直升机机体的下方，空速管设置在直升机机体的前端下方；
所述的地面测控系统包括地面操纵控制台和设置在地面操纵控制台上的地面测控计算机、地面数据电台、GPS地面站和辅助计算机等。
本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统由于利用飞控计算机代替人脑的判断和人体的感觉，通过机载测控系统和地面测控系统来预设、理解、判断各类指令和周围环境的变化，作出正确的反馈信号，带动执行机构，使操纵机构运动，完成直升机升降、前后飞、转弯、悬停等复杂的飞行动作和按指定的航程飞行，具有超视距自主飞行的使用功能。因而可利用其作为平台，在一些特殊的场合，如高危环境下或作长距离、长时间航行，不适合飞行员操纵的情况下，替代有人直升机去完成各种任务。只要在直升机上配置上具体的任务设备，则在民用上具有喷洒极毒农药、人工降雨、林场巡逻等工作的能力，在军事上利用其隐蔽性、机动性，可完成侦察、监控、巡逻、攻击等任务。
附图说明
图1是本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的直升机的结构示意图；
图2是本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的飞行控制系统的作用原理图；
图3是本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的飞控计算机和有关测控设备的接口示意图。
具体实施方式
本发明的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，由直升机主体和飞行控制系统组成，飞行控制系统包括机载测控系统和地面测控系统。
请参见图1，本发明的直升机主体主要包括机身1、滑橇2、主轴3、旋翼4、尾桨5、发动机6、自动倾斜器7、变距舵机8、油门舵机9、航向舵机10和发电机11，在机身前部设有仪表舱101，发动机6安装在机身1的后部，用于提供动力，自动倾斜器7安装在机身1内主轴3的下方，变距舵机8和油门舵机9安装在发动机6的前方，航向舵机10设置在机身1的底部，发电机11设置在发动机1的后方，用于向直升机内各用电设备提供电力。
请继续参见图1，本发明的机载测控系统设置在直升机主体内，该系统包括飞控计算机12、大气数据计算机13、磁航向计14、垂直陀螺15、机载数据电台16、GPS接收机17、DGPS机载电台18、DGPS天线19、数据电台天线20、差分电台天线21和空速管22，飞控计算机12和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱11的上部，大气数据计算机13、机载数据电台16、GPS接收机17和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱11的中部，磁航向计14和垂直陀螺15设置在直升机主体的下部，DGPS机载电台18和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱101的下部；DGPS天线19设置在直升机主体的尾梁上，数据电台天线20和差分电台天线21分别设置在直升机主体的下方，空速管22设置在直升机机体的前端下方。
本发明的地面测控系统包括地面操纵控制台和设置在地面操纵控制台上的地面测控计算机、地面数据电台、GPS地面站和辅助计算机等，未图示。
本发明的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统可采用三种模式飞行：
1、目测操纵控制模式：由地面操纵人员目测直升机的姿态变化，用地面操纵控制台上的操纵杆实现对超视距自主飞行无人驾驶直升机的控制。该任务模式主要用于超视距自主飞行无人驾驶直升机的人工起飞、降落或在目测飞行控制范围内的控制。
2、仪表操纵控制模式：由地面操纵人员通过地面数据电台的遥测和遥控，将无人直升机上的各种飞行数据实时传输到地面操纵控制台上的仪表板，由操作人员通过地面操纵控制台上的操纵杆实现的对超视距自主飞行无人驾驶直升机的控制。
3、自主导航控制模式：由技术人员预先将超视距自主飞行无人驾驶直升机的飞行轨迹和飞行任务输入到飞控计算机内，由飞控计算机内的航迹规律算法给出最佳轨迹数据发送给姿态控制模块，在自主导航的编程轨迹程序和航迹规划程序的控制下实现对超视距自主飞行无人驾驶直升机的控制，或通过地面测控台上的地面测控计算机，实行修正预定的飞行航线，对飞行中的直升机航迹进行超控。这种自主导航控制模式在自主导航的编程轨迹程序和航迹规划程序的控制下，在未知的超视距区域内，能按照飞控计算机设定的高度、速度、航线飞行和回归，当沿途发生的风向、风速等外界因素使飞行姿态和飞行方向发生变化时，可予以自动调整，并可将上述数据反馈回地面测控台上的仪表板上，供地面人员监控，由地面人员在必要时予以调整。如果地面和飞机发生通讯中断，机载控制系统也会控制飞机按原设定的飞行路线返回。该控制模式还可随时中断自主飞行转入仪表控制模式或目测操纵控制模式，可靠地保证飞行的安全，或在确认飞行安全的情况下恢复为自主导航控制模式。
本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的飞行控制系统的作用原理如图2所示。本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的飞控计算机和有关测控设备的接口关系如图3所示。
飞行控制系统的作用原理可参照图2、图3进一步说明如下：
1、飞控计算机接受来自地面数据电台的地面指令信号，并向地面测控系统返回直升机的实际状态信号。
2、飞控计算机通过其A/D转换器接受有关传感器发出的直升机的飞行姿态信号，由姿态控制模块中的数字控制规律综合成舵机的位置指令，实现对纵向通道、横向通道和航向通道的增稳控制。
3、飞控计算机采用数字控制算法，实现三轴角位置的闭环控制，保证超视距自主飞行无人驾驶直升机在各种飞行条件下的实际飞行姿态与指令一致。
4、飞控计算机内设有编程轨迹程序和航迹规划程序以实现自主导航和航迹控制。飞控计算机从预先输入的导航数据或由任务航迹规划程序解算的导航数据中获得的指令信号和从DGPS获得当时位置信号，由人工智能控制算法完成导航控制的解算，产生无人直升机的航向和姿态指令。
5、发动机上设有转速传感器和模拟电子式转速控制器，通过转速传感器反馈发动机的实际转速，由模拟电子式转速控制器完成发动机转速的闭环控制。
本发明中的飞控计算机采用PC104微机，该计算机是一种高度模块化设计的嵌入式微机，具有超小尺寸、直流供电、宽工作温度等特点，与PC/AT标准完全兼容，在IPM-PC上运行的众多软件全部能在该系统中运行。该微机选取80486DX(工作频率为100MHZ)处理器的CPU板。飞行控制系统除机载计算机外，还配有各种传感器、信号处理器和信号接口装置，可通过串行方式和并行方式与其它的测控设备实时交换数据和发送指令，完成各种飞行任务，如接入大气数据机、GPS等。同时控制发动机、油门舵机、航向舵机、变距舵机等执行机构。
地面测控系统的工作原理在于：由地面测控计算机产生的离散或连续指令以及DGPS数据，由地面数据电台发射上去，其信号由直升机上的机载数据电台接受，传输到飞控计算机或执行机构，DGPS数据由机上DGPS接受。机上传感器数据、机上设备工作情况、回报指令和DGPS数据经机载数据电台发射传到地面，地面数据电台接受信号后，输出到地面测控计算机。
本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的地面控制系统的具有以下功能：
1、在外场的环境下可对机载电子、电气设备进行自测，如发现故障，便于现场排除。
2、在整个飞行过程中，完成地面控制操纵和指令的上行发送和机载数据的下行传递。
3、实时显示飞行参数，完成过程曲线的实时绘制。
4、构成人机交互界面，实现超视距自主飞行无人驾驶直升机的操纵与控制。
5、完成飞行数据的保存，并可实现数据的回收和编辑。
本发明超视距自主飞行无人驾驶直升机系统中的超视距自主飞行无人驾驶直升机不采用有人驾驶直升机中常见的驾驶杆、油门总距杆和脚蹬，而是利用舵机操纵旋翼、总距、尾桨和油门，舵机从飞控计算机得到电信号，通过马达的转动，带动内部的齿轮转动，齿轮的转动带动高精度的丝杠上下位移，实现对旋翼、尾桨和发动机的控制。
Claims (10)
1.一种超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：由直升机主体和飞行控制系统组成，所述的飞行控制系统包括机载测控系统和地面测控系统；
所述的直升机主体主要包括机身和滑橇、旋翼、尾桨、发动机和传动装置、自动倾斜器、变距舵机、油门舵机、航向舵机和发电机，在机身前部设有仪表舱，发动机安装在机身的后部，用于提供动力，自动倾斜器安装在机身内主轴的下方，变距舵机和油门舵机安装在发动机的前方，航向舵机设置在机身的底部，发电机设置在发动机的后方，用于向直升机内各用电设备提供电力；
所述的机载测控系统设置在直升机主体上，包括飞控计算机、大气数据计算机、磁航向计、垂直陀螺、惯性测量组件、机载数据电台、GPS接收机、DGPS机载电台、DGPS天线、数据电台天线、差分电台天线和空速管，飞控计算机和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱的上部，大气数据计算机、数据电台、GPS接收机和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱的中部，磁航向计和垂直陀螺设置在直升机主体的下部，DGPS机载电台和相应的电气部件组合在一起设置在仪表舱的下部，DGPS天线设置在直升机主体的尾梁上，数据电台天线和差分电台天线分别设置在直升机机体的下方，空速管设置在直升机机体的前端下方；
所述的地面测控系统包括地面操纵控制台和设置在地面操纵控制台上的地面测控计算机、地面数据电台、GPS地面站和辅助计算机等。
2.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的飞控计算机采用PC104微机，安装有80486DX处理器的CPU板，飞控计算机接受来自地面数据电台的地面指令信号，通过串行方式和并行方式与其它的测控设备实时交换数据和发送指令，完成各种飞行任务，并向地面测控系统返回直升机的实际状态信号。
3.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的飞控计算机内设有编程轨迹程序和航迹规划程序以实现自主导航和航迹控制；设有姿态控制模块，计算机通过其A/D转换器接受有关传感器发出的直升机的飞行姿态信号，由姿态控制模块中的数字控制规律综合成舵机的位置指令，以实行修正预定飞行航线，实现对纵向通道、横向通道和航向的增稳控制。
4.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的飞控计算机采用数字控制算法，实现三轴角位置的闭环控制，保证超视距自主飞行无人驾驶直升机在各种飞行条件下的实际飞行姿态与指令一致。
5.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无入驾驶直升机系统，其特征在于：所述的发动机上设有转速传感器和模拟电子式转速控制器，可实现发动机转速的闭环控制。
6.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的四通道舵机可在飞控计算机的指令下通过其高精度移动丝杠的上下位移或转动，实现对旋翼、尾桨和发动机的控制。
7.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机可采用目测操纵控制模式飞行，用地面操纵控制台上的操纵杆实现对超视距自主飞行无人驾驶直升机的控制。
8.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无入驾驶直升机系统，其特征在于：所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机可采用仪表操纵控制模式飞行，由地面操纵人员通过地面数据电台的遥测和遥控，将无人直升机上的各种飞行数据实时传输到地面操纵控制台上的仪表板，由操作人员通过地面操纵控制台上的操纵杆实现对超视距自主飞行无人驾驶直升机的控制。
9.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机可采用自主导航控制模式飞行，由技术人员预先将超视距自主飞行无人驾驶直升机的飞行轨迹和飞行任务输入到飞控计算机内，由计算机内的航迹规律算法给出最佳轨迹数据发送给姿态控制模块，在自主导航的编程轨迹程序和航迹规划程序的控制下实现对超视距自主飞行无人驾驶直升机的控制，或通过地面操纵控制台上的测控计算机，实行修正预定的飞行航线，对飞行中的直升机航迹进行超控。
10.根据权利要求1所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机系统，其特征在于：所述的超视距自主飞行无人驾驶直升机的目测操纵控制模式、仪表操纵控制模式和自主导航控制模式可相互转换。
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