CN103279126B - 小型无人直升机开发测试平台 - Google Patents

Abstract

小型无人直升机开发测试平台，涉及无人直升机控制领域。它的目的是实现模型仿真和飞行实验的无缝对接，以及无人直升机在现场环境中飞行信息的无线监控。无人直升机的开发过程包含导航传感器预处理、系统辨识、在线仿真测试和现场飞行监控四个过程。底层控制器实时采集导航传感器的数据，达到预期处理效果后将预处理程序移植到底层控制器；利用系统辨识模块确定无人直升机模型的参数；然后利用系统仿真测试模块仿真验证控制器参数，将控制程序移植到底层控制器，反复测试、修正控制参数，直至达到预期控制要求，最后进行现场飞行实验。本发明适用于小型无人直升机开发测试。

Description

小型无人直升机开发测试平台

技术领域

本发明涉及无人直升机控制领域。

背景技术

在最近几十年中，无人直升机日益受到研究人员的关注并且不断被应用于军事和民用领域，比如战场上的火力支援、通信中继、科学考察、森林火灾的监控、危险区域的搜救等等。在无人直升机平台上加挂电子设备和传感器，通过远程无线控制实现半自主、自主巡航、悬停，来完成各种不同的任务。无人直升机自动驾驶仪的开发是个复杂的过程，前期需要对无人直升机建模、设计控制器和仿真，然后再进行现场飞行测试。由于无人直升机模型精度的限制和仿真与真实环境之间的差异，目前无人直升机飞行控制仿真和飞行测试实验还不能实现无缝对接，仿真环境下能够稳定工作的控制器在现场实验中就未必能可靠工作，仍需要通过反复实验来弥补仿真的不足。一款成熟的无人直升机需要经过反复的离线仿真与飞行测试，以致开发周期极长。另一个棘手的问题是实验过程中如果不对无人直升机加以防护很容易失控摔机，一旦发生摔机现象就会损坏无人直升机和机载电子设备，增加实验成本，更为严重的是可能对实验人员造成人身伤害。

发明内容

本发明的目的是实现模型仿真和飞行实验的无缝对接，以及无人直升机在现场环境中对飞行信息的无线监控，从而提供一种小型无人直升机开发测试平台。

小型无人直升机开发测试平台，它包括上位机控制单元1和底层控制单元12；

所述上位机控制单元1包括PC机MATLAB/SIMULINK开发工具包2、一号无线通信模块10和一号天线11；

所述PC机MATLAB/SIMULINK开发工具包2包括导航传感器数据预处理模块3、系统模型辨识模块4、在线仿真测试模块5、现场飞行监控模块6、串口模块7和CCS link模块8；

导航传感器数据预处理模块3用于对导航传感系统的数据进行预处理，还用于将该预处理后的数据发送给系统模型辨识模块4，还用于与串口模块7进行数据交互；

系统模型辨识模块4用于根据预处理数据对系统模型进行辨识；还用于将辨识结果发送给在线仿真测试模块5；还用于与串口模块7进行数据交互；

在线仿真测试模块5用于对控制器模型和参数进行在线仿真测试，并将仿真测试结果发送给CCS link模块8；还用于与串口模块7进行数据交互；

现场飞行监控模块6用于根据在线仿真测试模块5验证过的控制器对无人直升机进行现场飞行监控，还用于与串口模块7进行数据交互；

串口模块7用于提供数据的交换接口；

CCS link模块8用于将Matlab/Simulink程序转换成DSP程序，供底层控制器下载；

一号无线通信模块10用于通过一号天线11收发无线信号；还用于串口模块7进行数据交互；

底层控制单元12包括底层控制器15、伺服驱动系统16、执行机构17和导航传感系统18；

二号天线13的末端与无线通信模块14的无线信号端口连接；所述底层控制器15的无线信号输入或输出端与无线通信模块14的无线信号输出或输入端连接；所述底层控制器15的控制信号输出或输入端与伺服驱动系统16的控制信号输入或输出端连接；所述伺服驱动系统16用于驱动执行机构工作；导航传感器系统18的采集信号输出端与底层控制器15的采集信号输入端连接。

导航传感器数据预处理模块3用于对导航传感系统的数据进行预处理，所述预处理的内容包括：消除导航传感系统的漂移以及无人直升机震动带来的干扰，并进行解算；

具体为：首先底层控制器采集导航传感器的数据，通过无线模块上传到导航传感器数据预处理模块，然后对这些数据进行测漂、定标、补偿和Kalman滤波预处理，并解算出相应的位置和姿态信息。

系统模型辨识模块4用于根据该预处理数据对系统模型进行辨识，具体过程为：系统辨识模块4将控制输入序列以无线的方式发送给底层控制器15，并采集导航传感器的测量数据，然后根据导航传感器数据预处理模块3发送的预处理数据辨识出无人直升机的模型参数。

在线仿真测试模块5用于对数据进行在线仿真测试，其过程为：利用系统辨识模块4辨识出的无人直升机模型参数搭建控制器模型，并对控制器模型和参数进行数值仿真初步验证；然后通过控制测试对控制参数的反复修正，直至达到预期的控制效果。

现场飞行监控模块6用于根据在线仿真测试模块5验证过的控制器对无对无人直升机进行现场飞行监控，具体过程为：接收底层控制器15发送的无人直升机飞行状态信息，并实时显示；所述飞行状态信息包括无人直升机的位置、姿态、速度和角速度。

底层控制器15采用32位高性能DSP芯片实现。

底层控制单元12还包括锂电池组19，所述锂电池组19用于给底层控制器15提供工作电源。

伺服驱动系统16包括一号DSP控制器20、电平转换电路21、功率放大电路22、电平转换器24和功率放大电路25；

一号DSP控制器20的控制信号输入或输出端是伺服驱动系统16的控制信号输入或输出端；一号DSP控制器20的一号电平转换控制信号输出端与电平转换电路21的电平转换控制信号输入端连接；所述电平转换电路21的电平信号输出端与功率放大电路22的电平信号输入端连接；功率放大电路22驱动舵机23工作；

一号DSP控制器20的二号电平转换控制信号输出端与电平转换器24的电平转换控制信号输入端连接；所述电平转换器24的电平信号输出端与功率放大器25的电平信号输入端连接；功率放大器25驱动直流无刷电机26工作；一号DSP控制器20还用于采集直流无刷电机26的工作电流信号和运行速度信号。

底层控制器15包括DSP控制器31、MAX232电平转换器33和GPS接收器34；

DSP控制器31的电平信号输出或输入端与MAX232电平转换电路33的电平信号输入或输出端连接；所述MAX232电平转换电路33的电平信号输入或输出端是DSP控制器31的无线信号输入或输出端；GPS接收器34的GPS信号输出端与DSP控制器31的GPS信号输入端连接。

底层控制器15还包括分压滤波电路36，所述分压滤波电路36的电源信号输出端与DSP控制器31的AD转换输入端连接。

本发明实现了无人直升机开发过程中模型仿真和实物实验的无缝对接，利用伺服驱动板、底层控制器、无线通信系统、以及Matlab/Simulink开发工具包的相互配合，依次经过导航传感器数据预处理、系统模型辨识、在线仿真测试和现场飞行监控四个过程来完成无人直升机的开发。导航传感器数据预处理可以消除传感器漂移以及无人直升机震动带来的干扰，并解算出位置和姿态信息；系统模型辨识用来确定无人直升机模型的参数；系统仿真测试模块利用已经辨识好的无人直升机模型参数结合控制器模型，通过数值仿真初步验证控制效果，然后把控制模型移植到底层控制器，经过反复测试、修正模型参数，直至达到预期的控制效果；本发明能够实时监控无人直升机在现场环境中的飞行状态信息。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是伺服驱动系统的结构示意图；

图3是底层控制器的结构示意图；

图4是无人直升起的测试流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，小型无人直升机开发测试平台，它包括上位机控制单元1和底层控制单元12；

所述上位机控制单元1包括PC机MATLAB/SIMULINK开发工具包2、一号无线通信模块10和一号天线11；

所述PC机MATLAB/SIMULINK开发工具包2包括导航传感器数据预处理模块3、系统模型辨识模块4、在线仿真测试模块5、现场飞行监控模块6、串口模块7和CCS link模块8；

导航传感器数据预处理模块3用于对导航传感系统的数据进行预处理，还用于将该预处理后的数据发送给系统模型辨识模块4，还用于与串口模块7进行数据交互；

系统模型辨识模块4用于根据该预处理数据对系统模型进行辨识；还用于将辨识结果发送给在线仿真测试模块5；还用于与串口模块7进行数据交互；

在线仿真测试模块5用于对控制器模型和参数进行在线仿真测试，并将仿真测试结果发送给CCS link模块8；还用于与串口模块7进行数据交互；

现场飞行监控模块6用于根据在线仿真测试模块5发送的在线仿真测试结果对无人直升机进行现场飞行监控，还用于与串口模块7进行数据交互；

串口模块7用于提供数据的交换接口；

CCS link模块8用于将Matlab/Simulink程序转换成DSP程序，供底层控制器下载；

一号无线通信模块10用于通过一号天线11收发无线信号；还用于串口模块7进行数据交互；

底层控制单元12包括底层控制器15、伺服驱动系统16、执行机构17和导航传感系统18；

二号天线13的末端与无线通信模块14的无线信号端口连接；所述底层控制器15的无线信号输入或输出端与无线通信模块14的无线信号输出或输入端连接；所述底层控制器(15)通过SCI接口与伺服驱动系统(16)连接；所述伺服驱动系统16用于驱动执行机构工作；导航传感器系统18的采集信号输出端与底层控制器15的采集信号输入端连接。

本发明中串口模块7负责底层控制器与其他模块之间通信；CCSlink模块8把Matlab/Simulink程序转换成DSP程序，并下载到底层控制器中。

本发明涉及一种小型无人直升机开发测试平台，包括伺服驱动板、底层控制器、无线通信系统、以及Matlab/Simulink开发工具包。其中Matlab/Simulink开发工具包由串口通信模块、CCSlink模块、导航传感器数据预处理模块、系统辨识模块、在线仿真测试模块、现场飞行监控模块组成。无人直升机的开发过程包含导航传感器预处理、系统辨识、在线仿真测试和现场飞行监控四个过程。底层控制器实时采集导航传感器的数据，经过预处理模块处理后，再把数据预处理程序移植到底层控制器；接下来利用系统辨识模块确定无人直升机模型的参数；然后利用系统仿真测试模块仿真验证控制器参数，将控制程序移植到底层控制器，经过反复测试、修正控制参数，直至达到预期控制要求；最终达到控制要求，进行现场飞行实验。利用监控显示模块实时发送控制指令，并监视无人直升机的飞行状态。

本发明可以用于无人直升机自动驾驶仪的开发、测试和评估，从而大幅度降低无人直升机开发过程中的事故率，并缩减开发周期，降低成本。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，导航传感器数据预处理模块3用于对导航传感系统的数据进行预处理，所述预处理的内容包括：消除导航传感系统的漂移以及无人直升机震动带来的干扰，并进行解算；

具体为：首先底层控制器采集导航传感器的数据，通过无线模块上传到导航传感器数据预处理模块，然后对这些数据进行测漂、定标、补偿和Kalman滤波预处理，并解算出相应的位置和姿态信息。

完成数据预处理后，利用CCSlink模块把预处理程序移植到底层控制器，以提高系统的处理速度。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，系统模型辨识模块4用于根据该预处理数据对系统模型进行辨识，具体过程为：系统辨识模块4将控制输入序列以无线的方式发送给底层控制器15，底层控制器根据输入指令控制伺服驱动板，驱动无人直升机的执行机构，并采集导航传感器的测量数据，然后根据导航传感器数据预处理模块(3)发送的预处理数据辨识出无人直升机的模型参数。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，在线仿真测试模块5用于对控制器的模型和参数进行在线仿真测试，其过程为：系统仿真测试模块利用已经辨识好的无人直升机模型参数搭建控制器模型，通过数值仿真初步验证控制效果。然后利用CCSlink模块把控制器模型移植到底层控制器，经过反复测试、修正控制参数，直至达到预期控制要求。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，现场飞行监控模块6用于根据在线仿真测试模块5验证过的控制器对无人直升机进行现场飞行监控。

监控模块提供了良好的人机交互界面，通过无线模块将控制指令发送给底层控制器，同时接收底层控制器发送的无人直升机的位置、姿态、速度、角速度等飞行状态信息，并实时显示。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，底层控制器15采用32位高性能DSP芯片实现。其基本功能是：通过无线通信模块与Matlab/Simulink开发工具包双向通信，实时采集导航传感器的数据，控制伺服驱动板驱动执行机构，监控锂电池组电量。

底层控制器和Matlab/Simulink开发工具包的通信通过无线通信系统，摆脱了有线线缆的限制，从而使整个系统结构简单、紧凑。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，底层控制单元12还包括锂电池组19，所述电池组19用于给底层控制器15提供工作电源。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或七所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，伺服驱动系统16包括一号DSP控制器20、电平转换电路21、功率放大电路22、电平转换器24和功率放大电路25；

一号DSP控制器20的控制信号输入或输出端是伺服驱动系统16的控制信号输入或输出端；一号DSP控制器20的一号电平转换控制信号输出端与电平转换电路21的电平转换控制信号输入端连接；所述电平转换电路21的电平信号输出端与功率放大电路22的电平信号输入端连接；功率放大电路22驱动舵机23工作；

一号DSP控制器20的二号电平转换控制信号输出端与电平转换器24的电平转换控制信号输入端连接；所述电平转换器24的电平信号输出端与功率放大器25的电平信号输入端连接；功率放大器25驱动直流无刷电机26工作；一号DSP控制器20还用于采集直流无刷电机26的工作电流信号和运行速度信号。

具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，底层控制器15包括DSP控制器31、MAX232电平转换器33和GPS接收器34；

DSP控制器31的电平信号输出或输入端与MAX232电平转换电路33的电平信号输入或输出端连接；所述MAX232电平转换电路33的电平信号输入或输出端是DSP控制器31的无线信号输入或输出端；GPS接收器34的GPS信号输出端与DSP控制器31的GPS信号输入端连接。

具体实施方式十、本具体实施方式与具体实施方式九所述的小型无人直升机开发测试平台的区别在于，底层控制器15还包括分压滤波电路36，所述分压滤波电路36的电源信号输出端与DSP控制器(31)的AD转换输入端连接。

附图2是驱动伺服系统的结构示意图，该驱动系统可以驱动多路舵机和多路直流无刷电机。直流无刷电机采用电流环和速度环双闭环控制，可以提高控制性能，此外该驱动板集成了过流、过载保护。

附图3是底层控制器的结构示意图，底层控制器是基于32位高性能DSP芯片，其基本功能是：通过无线通信模块与Matlab/Simulink开发工具包双向通信，实时采集导航传感器的数据，控制伺服驱动板，监控锂电池组电量。

图4是无人直升起的测试流程示意图。利用伺服驱动板、底层控制器、无线通信系统、以及Matlab/Simulink开发工具包之间的相互配合，依次经过导航传感器数据预处理、系统辨识、在线仿真测试和现场飞行监控四个过程来完成无人直升机的开发，实现了模型仿真和实物实验的无缝对接，具体过程如下：

第一个阶段A是：导航传感器(如惯性测量单元、GPS接收器)数据的预处理。底层控制器多次采集导航传感器的数据，通过无线模块上传给Matlab/Simulink开发工具包的导航传感器预处理模块；导航传感器数据预处理模块对这些数据进行测漂、定标、补偿以及Kalman滤波等预处理，然后解算出相应的位置和姿态信息，最后利用CCSlink模块把预处理程序移植到底层控制器。

第二个阶段B是：利用系统辨识模块来确定无人直升机模型的参数，系统辨识模块通过无线通信模块把控制输入序列发送给底层控制器，底层控制器根据输入指令控制伺服驱动板驱动无人直升机的执行机构，同时采集导航传感器的数据，然后通过无线模块把这些数据上传给系统辨识模块，最后根据输入序列和输出序列仿真辨识出无人直升机的模型参数。

第三个阶段C是：系统仿真测试模块，利用已经辨识好的无人直升机模型和制器模型，通过数值仿真初步验证控制效果，然后利用CCSlink模块把控制器的模型移植到底层控制器，经过反复测试、修正模型参数，直至达到理想控制效果。

最后一个阶段D是：现场飞行监控，让无人直升机脱离做现场飞行控制，测试无人直升机在现场环境中的性能。现场飞行监控模块提供了良好的人机交互界面，通过无线模块把控制指令发送给底层控制器，底层控制器解析控制指令，并控制伺服驱动板驱动执行机构。同时，监控模块接收底层控制器发送的无人直升机的位置和姿态等飞行状态信息，并实时显示。

Claims (10)

1.小型无人直升机开发测试平台，其特征是：它包括上位机控制单元(1)和底层控制单元(12)；

所述上位机控制单元(1)包括PC机MATLAB/SIMULINK开发工具包(2)、一号无线通信模块(10)和一号天线(11)；

所述PC机MATLAB/SIMULINK开发工具包(2)包括导航传感器数据预处理模块(3)、系统模型辨识模块(4)、在线仿真测试模块(5)、现场飞行监控模块(6)、串口模块(7)和CCS link模块(8)；

导航传感器数据预处理模块(3)用于对导航传感系统的数据进行预处理，还用于将该预处理后的数据发送给系统模型辨识模块(4)，还用于与串口模块(7)进行数据交互；

系统模型辨识模块(4)用于根据预处理数据对系统模型进行辨识；还用于将辨识结果发送给在线仿真测试模块(5)；还用于与串口模块(7)进行数据交互；

在线仿真测试模块(5)用于对控制器模型和参数进行在线仿真测试，并将仿真测试结果发送给CCS link模块(8)；还用于与串口模块(7)进行数据交互；

现场飞行监控模块(6)用于根据在线仿真测试模块(5)验证过的控制器对无人直升机进行现场飞行监控，还用于与串口模块(7)进行数据交互；

串口模块(7)用于提供数据的交换接口；

CCS link模块(8)用于将Matlab/Simulink程序转换成DSP程序，供底层控制器(15)下载；

一号无线通信模块(10)用于通过一号天线(11)收发无线信号；还用于串口模块(7)进行数据交互；

底层控制单元(12)包括底层控制器(15)、伺服驱动系统(16)、执行机构(17)和导航传感系统(18)；

二号天线(13)的末端与无线通信模块(14)的无线信号端口连接；所述底层控制器(15)的无线信号输入或输出端与无线通信模块(14)的无线信号输出或输入端连接；所述底层控制器(15)通过SCI接口与伺服驱动系统(16)连接；所述伺服驱动系统(16)用于驱动执行机构工作；导航传感器系统(18)的采集信号输出端与底层控制器(15)的采集信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于导航传感器数据预处理模块(3)用于对导航传感系统的数据进行预处理，所述预处理的内容包括：消除导航传感系统的漂移以及无人直升机震动带来的干扰，并进行解算；

具体为：首先底层控制器采集导航传感器的数据，通过无线模块上传到导航传感器数据预处理模块，然后对这些数据进行测漂、定标、补偿和Kalman滤波预处理，并解算出相应的位置和姿态信息。

3.根据权利要求2所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于系统模型辨识模块(4)用于根据该预处理数据对系统模型进行辨识，具体过程为：系统模型辨识模块(4)将控制输入序列以无线的方式发送给底层控制器(15)，并采集导航传感器的测量数据，然后根据导航传感器数据预处理模块(3)发送的预处理数据辨识出无人直升机的模型参数。

4.根据权利要求3所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于在线仿真测试模块(5)用于对控制器模型和参数进行在线仿真测试，其过程为：利用系统模型辨识模块(4)辨识出的无人直升机模型参数搭建控制器模型，并对控制器模型和参数进行数值仿真初步验证；然后通过控制测试对控制参数的反复修正，直至达到预期的控制效果。

5.根据权利要求4所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于现场飞行监控模块(6)用于根据在线仿真测试模块(5)验证过的控制器对无人直升机进行现场飞行监控，具体过程为：接收底层控制器(15)发送的无人直升机飞行状态信息，并实时显示；所述飞行状态信息包括无人直升机的位置、姿态、速度和角速度。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于底层控制器(15)采用32位高性能DSP芯片实现。

7.根据权利要求6所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于底层控制单元(12)还包括锂电池组(19)，所述锂电池组(19)用于给底层控制器(15)提供工作电源。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于伺服驱动系统(16)包括一号DSP控制器(20)、电平转换电路(21)、功率放大电路(22)、电平转换器(24)和功率放大器(25)；

一号DSP控制器(20)的控制信号输入或输出端是伺服驱动系统(16)的控制信号输入或输出端；一号DSP控制器(20)的一号电平转换控制信号输出端与电平转换电路(21)的电平转换控制信号输入端连接；所述电平转换电路(21)的电平信号输出端与功率放大电路(22)的电平信号输入端连接；功率放大电路(22)驱动舵机(23)工作；

一号DSP控制器(20)的二号电平转换控制信号输出端与电平转换器(24)的电平转换控制信号输入端连接；所述电平转换器(24)的电平信号输出端与功率放大器(25)的电平信号输入端连接；功率放大器(25)驱动舵机(23)驱动直流无刷电机(26)工作；一号DSP控制器(20)还用于采集直流无刷电机(26)的工作电流信号和运行速度信号。

9.根据权利要求8所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于底层控制器(15)包括DSP控制器(31)、MAX232电平转换器(33)和GPS接收器(34)；

DSP控制器(31)的电平信号输出或输入端与MAX232电平转换器(33)的电平信号输入或输出端连接；所述MAX232电平转换器(33)的电平信号输入或输出端是DSP控制器(31)的无线信号输入或输出端；GPS接收器(34)的GPS信号输出端与DSP控制器(31)的GPS信号输入端连接。

10.根据权利要求9所述的小型无人直升机开发测试平台，其特征在于底层控制器(15)还包括分压滤波电路(36)，所述分压滤波电路(36)的电源信号输出端与DSP控制器(31)的AD转换输入端连接。