CN101704411B

CN101704411B - 一种适用于无人机的飞行遥控器

Info

Publication number: CN101704411B
Application number: CN2009102367118A
Authority: CN
Inventors: 熊小军; 杨永强; 刘春辉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: CN101704411A

Abstract

本发明公开了一种适用于无人机的飞行遥控器，包括控制芯片、开关和摇杆机构电路、信号调整电路、LCD显示电路、键盘控制电路、串口通信电路和高保真数字语音编解码电路；本发明中所述的高保真数字语音编解码电路，保证了车内测控台和车外测控人员的双工高保真语音通信，又不会增加无线通信来干扰无人机测控数据链，而且数字语音输出直接是数字信号，方便测控台编码发送，经过测控台发送的测控信息使用的是高跳速扩频测控数据链路保证了信号的高抗干扰、抗截获性能，提高了无人机的可靠性、经济性和机动性。

Description

一种适用于无人机的飞行遥控器

技术领域

本发明属于无人机遥控工程技术领域，具体涉及一种适用于无人机的飞行遥控器。

背景技术

无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种作战任务并能重复使用的无人机战术飞行器。由于其零伤亡风险和高机动性等优势引起了各国军方的高度重视。无人机飞行过程分为起飞、高空飞行和降落三个部分，高空飞行阶段周围环境相对稳定，无需对飞机的飞行速度和姿态做太多调整，所以依靠车内测控台通过GPS导航就能够满足。但是在起飞和降落阶段无人机的速度变化大、姿态调整频繁、降落场地也比较复杂所以对无人机的控制系统要求很高。现阶段无人机普遍采用测控车外遥控器的方式，让经验丰富的飞行人员通过观察来控制无人机，从而满足起飞、降落阶段对控制系统实时性、机动性、高度复杂性的要求。

最初的无人机遥控器并没有自己独特的设计，基本上就是使用航模遥控器。航模遥控器包括开关和遥感电路、控制芯片、无线发射模块、LCD显示模块，控制芯片从输入接口读入开关和遥感电路输出的控制信号，并将其按照航模的通信协议经过无线发射模块发送出去，LCD模块可以显示各种参量并设置飞行模式，但是航模遥控器有许多自身的缺点：

1.航模遥控器无语音通信，不利于车内测控台和车外控制人员的交流。

2.航模遥控器使用的通信频段相对固定、公开，所以抗干扰、抗截获能力差不适合对保密性要求高的军用无人机。

3.使用航模遥控器需要在无人机上安装无线接收模块，而在较小的空间内航模接收模块和测控电台势必会相互干扰。

随后的无人机遥控器在航模遥控器的基础上增加了串口通信模块来取代航模遥控器无线通信抗干扰、抗截获能力差等问题，但是还是没有语音模块，车内测控台和车外控制人员的交流问题并没有得到解决。

后来为了方便车内外的交流更好的协调控制无人机的飞行，操作人员使用对讲机来进行通话，但是对讲机的加入使得无人机本来就恶劣的无线环境变得更加恶劣，而且对讲机是单工通信的语音通信设备，当无人飞机进入紧急状况的时候，如果车内车外都要说话就会形成竞争从而影响无人机的控制。

随着无人机的作用日益突出，对无人机的研究日益深入，针对无人机遥控器的设计也日益完善，这个阶段的无人机遥控器在有线无人机遥控器的基础上增加了模拟语音，模拟语音实现了车内测控台和车外控制人员的双工通信，也解决了对讲机对无人机测控链路的干扰问题，但是模拟语音也存在着许多不足：

1.模拟语音容易自激，通话质量不高。

2.模拟语音和数字测控信号同电缆，为了消除数字和模拟信号的相互干扰，电缆内部的隔离层增加了电缆的成本，较粗的电缆使用起来也不方便。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无人机遥控器中存在的问题，提供一种适用于无人机的飞行遥控器，飞行遥控器提供的高保真数字语音编解码电路即保证了车内测控台和车外测控人员的双工高保真语音通信，又不会增加无线通信来干扰无人机测控数据链，而且数字语音输出直接是数字信号方便测控台编码发送，经过测控台发送的测控信息使用的是高跳速扩频测控数据链路保证了信号的高抗干扰、抗截获性能。

本发明的一种适用于无人机的飞行遥控器，包括控制芯片、开关和摇杆机构电路、信号调整电路、LCD显示电路、键盘控制电路、串口通信电路和高保真数字语音编解码电路；

开关和摇杆机构电路通过调整不同的开关和摇杆来改变无人机相应的飞行状态控制信号，并且将摇杆输出的飞行状态控制信号送至信号调整电路，开关输出的飞行状态控制信号直接送至控制芯片；

信号调整电路将输入的飞行状态控制信号的电压幅度调节到控制芯片读入的范围，并将调节幅度后的飞行状态控制信号输出至控制芯片；

键盘控制电路将不同的按键信号输出至控制芯片，控制芯片分辨出按键后执行相应的功能；

高保真数字语音编解码电路将麦克风的声音信号转换成语音数字信号，并将数字信号压缩编码为语音帧输出至控制芯片；当控制芯片给高保真数字语音编解码电路传输语音帧时，高保真数字语音编解码电路将语音帧转换为声音模拟信号，通过耳机输出；

控制芯片识别键盘控制电路按下的按键，根据按键的种类，对状态参数进行设置和调整或者传输给LCD显示电路；控制芯片将开关和摇杆机构电路输出的模拟信号采集转换为数字信号，并对数字信号进行调整，然后进行组帧编码成遥控数据帧，将遥控数据帧中的遥控数据进行状态参数显示的更新，同时将遥控数据帧通过串口通信电路输出；当无人机遥控器向车内测控台发送语音信号时，控制芯片对高保真数字语音编解码电路输出的语音帧进行解码处理得到语音数据，然后将语音数据输出给静音判断模块，如果判断是静音帧则丢弃不用，如果判断不是则送至语音数据帧编码模块进行重新编码，最后通过串口通信电路输出；当无人机遥控器从车内测控台接收语音信号时，控制芯片接收车内测控台通过串口通信电路传输过来的语音数据帧，并对其进行解码得到语音数据，然后重新依据高保真数字语音编解码电路协议规定的语音帧格式重新编码，最后将编码后的语音帧输出至高保真数字语音编解码电路；

串口通信电路连接控制芯片，用于控制芯片与车内测控台之间的数据传输；

LCD显示电路通过图形和文字两种模式显示无人机的各种参数和飞行状态。

本发明的优点在于：

本发明中所述的高保真数字语音编解码电路，保证了车内测控台和车外测控人员的双工高保真语音通信，又不会增加无线通信来干扰无人机测控数据链，而且数字语音输出直接是数字信号方便测控台编码发送，经过测控台发送的测控信息使用的是高跳速扩频测控数据链路保证了信号的高抗干扰、抗截获性能，提高了无人机的可靠性、经济性和机动性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明开关和摇杆机构电路的结构示意图；

图3为本发明键盘控制电路的电路的结构示意图；

图4为本发明高保真数字语音编解码电路的结构示意图；

图5为本发明控制芯片的结构示意图；

图6为本发明LCD显示电路的结构示意图。

图中：

1-控制芯片 2-开关和摇杆机构电路 3-信号调整电路

4-LCD显示电路 5-键盘控制电路 6-串口通信电路

7-高保真数字语音编解码电路 8-车内测控台 9-微型拨动开关组

10-左摇杆 11-右摇杆 12-电触微调控件

13-菜单键 14-退出键 15-增键

16-减键 17-上键 18-下键

19-左键 20-右键 21-确定键

22-A/D转换 23-语音压缩编码 24-语音解压缩编码

25-D/A转换 26-麦克风 27-耳机

28-按键识别 29-功能调用 30-显示刷新

31-参数采集 32-参数设置/调整 33-遥控数据组帧

34-语音帧解码 35-静音判断 36-语音数据帧编码

37-语音帧编码模块 38-语音数据帧解码模块 39-图形模式

40-文字模式 41-飞行模拟 42-摇杆量显示

43-油门指示 44-开关状态显示 45-突发显示

46-参数设置

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明作进一步的说明。

一种适用于无人机的飞行遥控器，如图1所示，包括控制芯片1、开关和摇杆机构电路2、信号调整电路3、LCD显示电路4、键盘控制电路5、串口通信电路6和高保真数字语音编解码电路7。

如图2所示，开关和摇杆机构电路2包括二自由度的摇杆机构、微型拨动开关组9和电触微调控件12，二自由度的摇杆机构包括左摇杆10和右摇杆11。左摇杆10左右运动可调节航向控制量，向左增大左航向控制量，向右增大右航向控制量，左边水平电触微调控件12起到微调作用；上下运动配合左边竖直电触微调控件12可调节高度控制量，向上增大高度控制量，向下减小高度控制量；右摇杆11左右运动配合右边水平电触微调控件12可调节副翼控制量，向左增大副翼控制量，向右减小副翼控制量、上下运动配合右边竖直电触微调控件12可调节总距油门控制量，向上增大总距油门控制量，向下减小总距油门控制量；微型拨动开关组9包括八个微型拨动开关，微型拨动开关分别完成开车、关车、遥控自主转换以及其他遥控开关控制量输入；通过调整不同的开关和摇杆来改变无人机相应的飞行状态控制信号，并且将左摇杆10和右摇杆11输出的飞行状态控制信号送至信号调整电路3，微型拨动开关组9输出的飞行状态控制信号直接送至控制芯片1。

信号调整电路3将输入的飞行状态控制信号的电压幅度调节到控制芯片1读入的范围，并将调节幅度后的飞行状态控制信号输出至控制芯片1。

如图3所示，键盘控制电路5包括九个功能按键，分别为菜单键13、退出键14、增键15、减键16、上键17、下键18、左键19、右键20和确定键21，键盘控制电路5将不同的按键信号输出至控制芯片1，控制芯片1分辨出按键后执行相应的功能：菜单键13完成显示主菜单的功能；退出键14使当前显示子菜单退出到母菜单，如果已经是主菜单那么退出键无效；增键15、减键16完成对状态参数的设置；上键17、下键18、左键19、右键20控制选中框在当前显示菜单中的移动；确定键21使LCD显示选中框选中的子菜单。

如图4所示，高保真数字语音编解码电路7包括A/D转换模块22、D/A转换模块25、语音压缩编码模块23、语音解压缩编码模块24，A/D转换模块22连接麦克风26，语音解压缩编码模块24连接耳机27；当麦克风26有声音信号传输过来时，A/D转换模块22将声音模拟信号转换成语音数字信号，语音压缩编码模块23将数字信号压缩编码为语音帧输出至控制芯片1；当控制芯片1有语音帧传输过来时，语音解压缩编码模块24将其解码为语音数字信号，然后D/A转换模块25再将语音数字信号转换为声音模拟信号最后通过耳机27输出。

如图5所示，控制芯片1包括按键识别模块28、功能调用模块29、显示刷新模块30、参数采集模块31、参数设置/调整模块32、遥控数据组帧模块33、语音帧解码模块34、静音判断模块35、语音数据帧编码模块36、语音帧编码模块37和语音数据帧解码模块38。

按键识别模块28连接键盘控制电路5，识别按下的按键，然后功能调用模块29调用相应的功能函数，如果是关于状态参数设置和调整的按键如增、减则功能调用模块29输出信号给参数设置/调整模块32，使该模块对状态参数进行设置和调整；如果是关于LCD操作的按键则功能调用模块29输出状态字给显示刷新模块30，显示刷新模块30连接LCD显示电路4，刷新显示模块30依据不同的状态字，给LCD显示缓冲器填入相应的数据；

参数采集模块31与开关和摇杆机构电路2连接，将开关和摇杆机构电路2输出的模拟信号采集转换为数字信号，然后和开关和摇杆机构电路2输出的开关数字信号一起输入到参数设置/调整模块32作为该模块的基数存在，经过参数设置/调整模块32调整后的数字信号再输出到遥控数据组帧模块33进行组帧编码成遥控数据帧，然后将帧中的遥控数据发给刷新显示模块30进行状态参数显示的更新，同时将遥控数据帧通过串口通信电路6输出；

当无人机遥控器向车内测控台8发送语音信号时，语音帧解码模块34对高保真数字语音编解码电路7输出的语音帧进行解码处理得到语音数据，然后将语音数据输出给静音判断模块35，如果判断是静音帧则丢弃不用，如果判断不是则送至语音数据帧编码模块36进行重新编码，最后通过串口通信电路6输出；

当无人机遥控器从车内测控台接收语音信号时，语音数据帧解码模块38接收车内测控台8通过串口通信电路6传输过来的语音数据帧，并对其进行解码得到语音数据，然后送至语音帧编码模块37重新依据高保真数字语音编解码电路7协议规定的语音帧格式重新编码，最后将编码后的语音帧输出至高保真数字语音编解码电路7。

串口通信电路6连接控制芯1片，用于控制芯片与车内测控台之间的数据传输；串口通信电路6将输入的遥控数据帧和语音数据帧发送给车内测控台8中的测控终端，实现对无人机飞行姿态的控制；

如图6所示，LCD显示电路4包括图形模式39和文字模式40。

图形模式39包括有飞行模拟41、油门指示43、突发显示45，飞行模拟41模块简单图形模拟飞机的飞行状态；油门指示模块43图形指示油门的大小；突发显示模块45突发显示在图形模式中关键开关量的变化；

文字模式40包括摇杆量显示42、开关状态显示44、参数设置46，摇杆量显示42模块将摇杆产生的控制信号数字显示；开关状态显示模块44显示各开关量的状态；参数设置模块46下按键可以在默认值的基础上进行调整从而进行状态参数的设置。

实施例：

控制芯片1采用Cygnal公司生产的的C8051F022单片机，其外围电路包括由按键开关SW₁、C₂₇和R₇₆构成的复位电路，由晶振、C₂₅和C₂₆构成的时钟电路和由拨码开关J₁₂、稳压二极管、C_1A1和R₃₃构成的基准电压电路，其中晶振选择11.529MHz的Y₂，稳压二极管选择LM336型芯片。

信号调整电路3包括运算放大器OP220和调节电压比例用的电阻R₁、R₂，当摇杆输出的电压范围大于控制芯片可识别的电压范围时，通过调节R₁、R₂的比例关系来放大或者缩小摇杆输出的信号电压范围，从而被控制芯片的A/D最大范围的识别即充分利用摇杆的可操纵范围。

LCD显示屏采用CGG130064A00型显示模块。

串行通信电路6由MAX3490E构成RS-422串口，负责在车内测控台8和无人机遥控器之间的数据通信和语音通信。

高保真数字语音编解码电路7包括数字音频压缩/解压芯片和音频AD/DA芯片，数字音频压缩/解压芯片选用美国DVSI公司生产的AMBE1000，采用的是AMBE1000手册中推荐的CSP1027芯片。

Claims

1.一种适用于无人机的飞行遥控器，包括控制芯片、LCD显示电路、键盘控制电路、开关和摇杆机构电路，其特征在于：该飞行遥控器还包括串口通信电路、信号调整电路、高保真数字语音编解码电路；

2.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的飞行遥控器，其特征在于：所述的开关和摇杆机构电路包括二自由度的摇杆机构、微型拨动开关组和电触微调控件，二自由度的摇杆机构包括左摇杆和右摇杆；左摇杆左右运动调节航向控制量，向左增大左航向控制量，向右增大右航向控制量，左边水平电触微调控件起到微调作用；上下运动配合左边竖直电触微调控件调节高度控制量，向上增大高度控制量，向下减小高度控制量；右摇杆左右运动配合右边水平电触微调控件调节副翼控制量，向左增大副翼控制量，向右减小副翼控制量、上下运动配合右边竖直电触微调控件调节总距油门控制量，向上增大总距油门控制量，向下减小总距油门控制量；微型拨动开关组包括八个微型拨动开关，微型拨动开关分别完成开车、关车、遥控自主转换以及其他遥控开关控制量输入；通过调整不同的开关和摇杆来改变无人机相应的飞行状态控制信号，并且将左摇杆和右摇杆输出的飞行状态控制信号送至信号调整电路，微型拨动开关组输出的飞行状态控制信号直接送至控制芯片。

3.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的飞行遥控器，其特征在于：所述的键盘控制电路包括九个功能按键，分别为菜单键、退出键、增键、减键、上键、下键、左键、右键和确定键，键盘控制电路将不同的按键信号输出至控制芯片，控制芯片分辨出按键后执行相应的功能：菜单键完成显示主菜单的功能；退出键使当前显示子菜单退出到母菜单，如果已经是主菜单那么退出键无效；增键、减键完成对状态参数的设置；上键、下键、左键、右键控制选中框在当前显示菜单中的移动；确定键使LCD显示选中框选中的子菜单。

4.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的飞行遥控器，其特征在于：所述的高保真数字语音编解码电路包括A/D转换模块、D/A转换模块、语音压缩编码模块、语音解压缩编码模块，A/D转换模块连接麦克风，语音解压缩编码模块连接耳机；当麦克风有声音信号传输过来时，A/D转换模块将声音模拟信号转换成语音数字信号，语音压缩编码模块将数字信号压缩编码为语音帧输出至控制芯片；当控制芯片有语音帧传输过来时，语音解压缩编码模块将其解码为语音数字信号，然后D/A转换模块再将语音数字信号转换为声音模拟信号最后通过耳机输出。

5.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的飞行遥控器，其特征在于：所述的控制芯片包括按键识别模块、功能调用模块、显示刷新模块、参数采集模块、参数设置/调整模块、遥控数据组帧模块、语音帧解码模块、静音判断模块、语音数据帧编码模块、语音帧编码模块和语音数据帧解码模块；

按键识别模块连接键盘控制电路，识别按下的按键，然后功能调用模块调用相应的功能函数，如果是关于状态参数设置和调整的按键如增、减则功能调用模块输出信号给参数设置/调整模块，使该模块对状态参数进行设置和调整；如果是关于LCD操作的按键则功能调用模块输出状态字给显示刷新模块，显示刷新模块连接LCD显示电路，刷新显示模块依据不同的状态字，给LCD显示缓冲器填入相应的数据；

参数采集模块与开关和摇杆机构电路连接，将开关和摇杆机构电路输出的模拟信号采集转换为数字信号，然后和开关和摇杆机构电路输出的开关数字信号一起输入到参数设置/调整模块作为该模块的基数存在，经过参数设置/调整模块调整后的数字信号再输出到遥控数据组帧模块进行组帧编码成遥控数据帧，然后将帧中的遥控数据发给刷新显示模块进行状态参数显示的更新，同时将遥控数据帧通过串口通信电路输出；

当无人机遥控器向车内测控台发送语音信号时，语音帧解码模块对高保真数字语音编解码电路输出的语音帧进行解码处理得到语音数据，然后将语音数据输出给静音判断模块，如果判断是静音帧则丢弃不用，如果判断不是则送至语音数据帧编码模块进行重新编码，最后通过串口通信电路输出；

当无人机遥控器从车内测控台接收语音信号时，语音数据帧解码模块接收车内测控台通过串口通信电路传输过来的语音数据帧，并对其进行解码得到语音数据，然后送至语音帧编码模块重新依据高保真数字语音编解码电路协议规定的语音帧格式重新编码，最后将编码后的语音帧输出至高保真数字语音编解码电路。

6.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的飞行遥控器，其特征在于：所述的LCD显示电路包括图形模式和文字模式；

图形模式包括有飞行模拟、油门指示、突发显示，飞行模拟模块简单图形模拟飞机的飞行状态；油门指示模块图形指示油门的大小；突发显示模块突发显示在图形模式中关键开关量的变化；

文字模式包括摇杆量显示、开关状态显示、参数设置，摇杆量显示模块将摇杆产生的控制信号数字显示；开关状态显示模块显示各开关量的状态；参数设置模块下按键可以在默认值的基础上进行调整从而进行状态参数的设置。