CN101694587B - 一种应用于微小型飞行器的集群控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种应用于微小型飞行器的集群控制系统属于微小型飞行器控制系统技术领域。包括机载的飞行器集群控制系统和地面部分，飞行器集群控制系统包括：测量单元、飞行群控制器、飞控执行单元、飞行群通讯单元、飞行群发射天线；地面部分包括：飞行控制地面站、地面通讯单元、地面发射天线。测量单元将飞行器的飞行状态数据传送给飞行群控制器，飞行群控制器通过飞行群通讯单元与其它飞行器集群控制系统以及地面部分交换数据信息，然后将指令送至飞控执行单元，以调整飞行器的飞行状态。本发明实现了微小型飞行器集群编队飞行控制，具有通讯距离远、质量低、体积小、集成度高、性能稳定可靠、成本低廉、可应用于不同飞行器编队的优点。
Description
技术领域
本发明属于微小型飞行器控制系统技术领域，特别涉及一种应用于微小型飞行器群组的集群控制系统。
背景技术
微小型飞行器(Micro Aerial Vehicles，简称MAV)是目前世界前沿科技领域中的一项极富挑战性的研究课题，其尺寸小、重量轻、隐蔽性好，可广泛应用于空中侦察、目标定位等，但由于微小型飞行器的载重及能量供给有限，因而需要特殊的通信系统实现地面监控通信和微小型飞行器之间的数据通信。
随着微小型飞行器技术的蓬勃发展，其执行的任务多种多样，单架微小型飞行器已经无法满足任务的需求，特提出了微小型飞行器群的概念。微小型飞行器群是，若干微小型飞行器组成的群体；以微小型飞行器为平台，携带或协同微小型执行单元，形成集群系统；及由以上各个基本单元或与某些大型装备组成的混合飞行群体。
当前的飞行控制系统是用于单机飞行控制的，并没有做到机群间的相互通信，需要一种用于微小型飞行器的集群控制系统，一方面，可以通过本系统实现地面站与飞行器群组的通讯，获取飞行器群组的空间位置、飞行状态，从而进行整体任务的规划、分解、下发、执行系列工作；另一方面，可以通过本系统实现飞行器集群间的数据通讯，推算飞行器与群组中其他飞行器的距离，系统自动调整本机飞行状态，实现根据任务要求的路径或几何排列方式飞行状态。由于微小型飞行器尺寸和重量的限制，因此就需要用于微小型飞行器的集群控制系统能够尽量小和轻，还要保证该集群控制系统工作的稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对目前微小型飞行器的需求，提供一种用于微小型飞行器的集群控制系统，包括机载部分和地面部分，其特征在于：
(1)所述机载部分为飞行器集群控制系统，包括以下部分：
测量单元：通过GPS及陀螺、加速度计、磁强计、高度计、空速计或其他传感器件，来获取并解算飞行器的飞行状态；
飞行群控制器：分别与测量单元、飞控执行单元、飞行群通讯单元连接，接收并处理测量单元及飞行群通讯单元传送的信息，进行群组控制、数据交换处理；
飞控执行单元：包括数字舵机、数字油门输出，根据飞行群控制器的指令调整飞行器的飞行状态；
飞行群通讯单元：与飞行群控制器连接，进行数据的编码、发送及接收；
飞行群发射天线：与飞行群通讯单元的输出端连接；
(2)所述地面部分包括以下部分：
飞行控制地面站：运行于计算机上，用于飞行器群的任务规划、分解，飞行器空间位置实时显示、飞行器群路径控制；
地面通讯单元：与飞行控制地面站连接，进行数据的编码、发送及接收；
地面发射天线：与地面通讯单元的输出端连接；
测量单元将飞行器的飞行状态数据传送给飞行群控制器，飞行群控制器通过飞行群通讯单元与其它飞行器集群控制系统以及地面部分交换数据信息，然后将指令送至飞控执行单元，以调整飞行器的飞行状态。
所述飞行器集群控制系统的测量单元由GPS、陀螺、加速度计、磁强计、高度计、空速计构成。
所述飞行群控制器包含微处理器及A/D转换单元，并具有包括多路模拟信号输入接口、SPI数据总线接口和UART串口在内的多种信号接口。
所述飞行群发射天线及地面发射天线为一根或多根金属杆。
本发明的有益效果为：实现了微小型飞行器集群编队飞行控制，具有通讯距离远、质量低、体积小、集成度高、性能稳定可靠、成本低廉、可应用于不同飞行器编队的优点。
附图说明
图1为应用于编队移动的微小型飞行器群组的集群控制系统结构框图；
图2为飞行群控制器的模块构成示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种应用于微小型飞行器群组的集群控制系统，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的应用于编队移动的微小型飞行器群组的微小型飞行器的集群控制系统，包括机载和地面部分：
(1)所述机载部分为飞行器集群控制系统，包括以下部分：
a.测量单元：由GPS、陀螺、加速度计、磁强计、高度计、空速计组成，通过采集以上器件数据，并通过A/D转换及微处理器数据解算得到飞行器的速度、高度、方向、位置、俯仰角、滚转角、倾斜角等数据，得到飞行器的当前飞行状态。
b.飞行群控制器：飞行群控制器为所述系统的核心部件，包含微处理器及A/D转换单元，并具有包括多路模拟信号输入接口、SPI数据总线接口和UART串口在内的多种信号接口。微处理器内置有数据存储器和存储有集群控制程序的程序存储器。A/D转换器采集多路模拟信号输入接口上的模拟输入量，并转换为数字数据后按顺序存放在微处理器内置的数据存储器中的内存中，供微处理器进行数据解算使用。多路模拟信号输入接口输入测量单元中的陀螺、加速度计、磁强计、高度计、空速计输出的模拟信号，多路模拟信号输入接口的每一路接口都具有阻容去噪声滤波电路，通过A/D转换器将数据输入微处理器进行处理；SPI数据总线接口为高速同步串行口，收发独立，将数据输出至飞控执行单元；GPS接收机的数据通过UART串口接收，数据格式符合NMEA协议，主要为GPGGA、GPRMC、GPGSV几种格式，数据包中包含经度、纬度、高度、速度、航向等导航信息；飞行群通讯单元的数据通过UART串口串行传输，并由飞行群通讯单元发送飞行数据：一方面，实现飞行控制地面站与飞行器群组的通讯，获取飞行器群组的空间位置、飞行状态，从而进行整体任务的规划、分解、下发、执行系列工作；另一方面，可以通过本系统实现飞行器集群间的数据通讯，推算飞行器与群组中其他飞行器的距离，系统自动调整本机飞行状态，达到编队的目的。
c.飞控执行单元：与飞行群控制器的SPI数据总线接口链接，根据飞行群控制器的指令通过PWM控制技术对方向舵、升降舵、油门、副翼进行控制，从而调整飞行器的飞行状态。
d.飞行群通讯单元：与飞行群控制器的UART串口连接，进行数据的编码、发送及接收。发送、接收过程为：首先对第一微小型飞行器发送的数据信息进行加密和协议转换；对转换后的数据信息进行信道编码；对编码后的数据信息进行数字调制；对调制后的数据信号进行放大；将放大后的数据信息经声表滤波器进行滤波，并发送到地面站或其他的微小型飞行器；第一微小型飞行器接收飞行控制地面站或其它微小型飞行器的数据信息，使用声表滤波器进行滤波；对滤波后的数据信息进行低噪声放大；对放大后的数据信息进行数字解调；对解调后的数据信息进行信道解码；对数据信息进行解密和协议转换。
e.飞行群发射天线：与飞行群通讯单元的输出端连接，用于发射上述高增益发射信号，并接收飞行控制地面站或其它飞行器集群控制系统发送的数据信息。
(2)所述地面部分包括：
a.飞行控制地面站：运行于计算机上，具有飞行器群空间位置实时显示、飞行器群的任务规划分解、飞行器群路径控制等功能，用于飞行器群的任务规划、分解，飞行器空间位置实时显示、飞行器群路径控制。
b.地面通讯单元：与飞行控制地面站连接，进行数据的编码、发送及接收。
c，地面发射天线：为一根金属杆，与地面通讯单元的输出端连接，用于向飞行器集群控制系统发送数据。
飞行器集群控制系统的测量单元将飞行器的飞行状态数据传送给飞行群控制器，飞行群控制器通过飞行群通讯单元与地面部分以及其他飞行器集群控制系统交换数据信息，然后将指令送至飞控执行单元，以完成飞行器的飞行状态调整。
Claims (4)
1.一种应用于微小型飞行器的集群控制系统，包括机载部分和地面部分，其特征在于：
(1)所述机载部分为飞行器集群控制系统，包括以下部分：
测量单元：通过GPS及陀螺、加速度计、磁强计、高度计或空速计，来获取并解算飞行器的飞行状态；
飞行群控制器：分别与测量单元、飞控执行单元、飞行群通讯单元连接，接收并处理测量单元及飞行群通讯单元传送的信息，进行群组控制、数据交换处理；
飞控执行单元：包括数字舵机、数字油门输出，根据飞行群控制器的指令调整飞行器的飞行状态；
飞行群通讯单元：与飞行群控制器连接，进行数据的编码、发送及接收；
飞行群发射天线：与飞行群通讯单元的输出端连接；
(2)所述地面部分包括以下部分：
飞行控制地面站：运行于计算机上，用于飞行器群的任务规划、分解，飞行器空间位置实时显示、飞行器群路径控制；
地面通讯单元：与飞行控制地面站连接，进行数据的编码、发送及接收；
地面发射天线：与地面通讯单元的输出端连接；
测量单元将飞行器的飞行状态数据传送给飞行群控制器，飞行群控制器通过飞行群通讯单元与其它飞行器集群控制系统以及地面部分交换数据信息，然后将指令送至飞控执行单元，以调整飞行器的飞行状态。
2.根据权利要求1所述的一种应用于微小型飞行器的集群控制系统，其特征在于，所述飞行器集群控制系统的测量单元由GPS、陀螺、加速度计、磁强计、高度计、空速计构成。
3.根据权利要求1所述的一种应用于微小型飞行器的集群控制系统，其特征在于，所述飞行群控制器包含微处理器及A/D转换单元，并具有包括多路模拟信号输入接口、SPI数据总线接口和UART串口在内的多种信号接口。
4.根据权利要求1所述的一种应用于微小型飞行器的集群控制系统，其特征在于，所述飞行群发射天线及地面发射天线为一根或多根金属杆。
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