CN103294064A

CN103294064A - 一种自动驾驶飞行控制系统

Info

Publication number: CN103294064A
Application number: CN2013102274637A
Authority: CN
Inventors: 田凯
Original assignee: CHINA-TIMES AEROSPACE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHINA-TIMES AEROSPACE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明涉及一种自动驾驶飞行控制系统，包括飞控板、与飞控板进行遥控遥测双向通信的电台、接收飞控板伺服控制指令的伺服机构、向飞控板传递手动控制指令的接收机、向接收机传送遥控手动控制指令的遥控器；其中，飞控板进一步包括中央处理模块、与中央处理模块双向通信的通讯模块、与中央处理模块双向通信的传感器模块及接收中央处理模块指令的伺服输出模块，所述飞控板中的通讯模块接收接收机指令，通讯模块与电台之间双向通讯；所述电台与自动驾驶飞行控制系统外的地面控制系统双向通信；所述飞控板中的伺服输出模块向伺服机构发送伺服信息。本发明系统结构小，系统设计简明，运算效率高，可靠性高，具有很强的扩展性和可移植性。

Description

一种自动驾驶飞行控制系统

技术领域

本发明属于无人机自动控制技术领域，涉及多传感器数据采集、扩展卡尔曼滤波、自适应伺服机构控制技术，具体涉及一种自动驾驶飞行控制系统。

背景技术

无人机飞行控制系统在我国已有几十年的发展历史，但是由于我国研发无人机起步晚、基础差、相关技术储备和人才储备较少，加之国外在关键技术方面对我国的限制，使得我国在无人机飞行控制系统的研发方面与欧美俄等国家有较大差距。

从用途上分无人机飞行控制系统主要有军用和民用两大类，目前无人机系统的研究以军用无人机为主。在民用上，无人机也正在发挥巨大的作用。在气象、城市规划、航拍、农牧林业等方面无人机已被大量采用，其高科技的技术含量正在成为提高国民经济新的增长点。

在欧美等发达国家，无人机飞行控制系统已经形成规模化、产业化。而在我国，相关研发还处在初期的研制阶段，研发规模小，技术落后，研发人才较少。随着我国科学技术的快速发展和国民经济迅速提高，政府和军方对无人机的研发投入也不断加大，但这仍然无法满足我国对各种档次无人机飞控系统的大量需求。

随着人们对无人机用途的进一步认识，民用无人机系统逐渐进入市场。民用无人机由于存在可靠性﹑费用以及相关政策上的限制，目前在整个国际市场上所占的份额仍较小，预计未来十几年内民用无人机约占全球飞机市场总额的1%-3%。

目前已有多款无人机飞行控制系统被广泛用于民用科学研究领域，成果已成功在国家重大工程、抗震救灾、数字城市建设、新农村建设等方面进行了广泛应用，取得了良好的经济和社会效益。我国已有多家单位的多款无人机系统通过了国家测绘局组织的基于低空无人飞行器的航测遥感系统产品科技成果鉴定，其中一款为微型手掷式，七款为小型固定翼、一款为直升机、两款为飞艇，但仍没有转化为生产力，没有形成规模化生产的能力，成功采用弹射起飞方式的还没有，这样在滑跑条件较差的山区不太适应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动驾驶飞行控制系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种自动驾驶飞行控制系统，包括飞控板、与飞控板进行遥控遥测双向通信的电台、接收飞控板伺服控制指令的伺服机构、向飞控板传递手动控制指令的接收机、向接收机传送遥控手动控制指令的遥控器；

其中，飞控板进一步包括中央处理模块、与中央处理模块进行双向通信的通讯模块、与中央处理模块进行双向通信的传感器模块及接收中央处理模块指令的伺服输出模块，

所述飞控板中的通讯模块接收接收机的信息指令，同时，通讯模块与电台之间进行双向通讯；所述电台与自动驾驶飞行控制系统外的地面控制系统进行双向通信；所述飞控板中的伺服输出模块向伺服机构发送伺服信息。

而且，所述传感器模块进一步包括两组气压传感器、一组GPS模块、一组惯性测量模块；

其中，所述两组气压传感器均采用MS5534C芯片，两组气压传感器中，一组采集大气动压，另一组采集大气静压；

其中，所述GPS模块采用的型号为NEO-5Q；

其中，所述惯性测量模块采用的型号为ADIS16365；

而且，所述中央处理模块采用型号为AT91RM9200的处理器，采用ARM920T内核，最高工作频率180MHz，处理性能可达200MIPS。

而且，所述伺服输出模块采用74ALVC16245作为输出驱动器，支持16路输入/输出通道，通过该驱动器，直接驱动舵机、电子开关或继电器，实现对无人机的控制。

而且，所述通信模块采用USART接口，MAX3243作为RS232电平转换芯片，实现TTL电平和RS232电平的相互转换，串口通信波特率为38400bps，数据位8位，停止位1位，通信模块通过无线链路接收遥控指令，发送无人机遥测数据到地面控制系统，实现飞行控制系统与地面控制系统的数据交互。

而且，所述无线电台作为飞行控制系统和地面控制系统之间的无线传输链路，实现了对无人机系统的遥测和遥控，电台接口采用的数据传输协议为RS232或RS422，传输模式为双工或半双工，传输速率不小于38400bps。

而且，所述遥控器和接收机频率相同，控制通道包括副翼通道、方向通道、升降通道、油门通道、自动/手动切换通道、襟翼通道和任务通道。

而且，所述遥控器以PCM方式发送摇杆控制指令，接收机接收后，发送给飞控板，通过飞控板控制无人机伺服机构作动，实现地面操作人员对无人机的手动控制。

本发明的优点和积极效果是：

1、本飞行控制系统采用ATMEL公司嵌入式处理器，简化了最小系统结构，降低了系统设计复杂度，提高了运算效率，降低了系统成本。

2、本飞行控制系统接口丰富，支持USART、USB、网络等，增加了与外部设备的对接能力，具有很强的扩展性和可移植性。

3、本飞行控制系统采用扩展型卡尔曼滤波算法，有效的抑制了传感器原始数据的扰动，尽快实现状态量的收敛，同时降低了对传感器硬件性能的要求，节约了系统成本。

4、本飞行控制系统采用捷联惯导数据融合算法，将多传感器数据融合，通过比对，可将大扰动、错误样本剔除，可实现一定程度的系统故障检测、隔离，提高了系统可靠性。

附图说明

图1是本飞行控制系统的结构图。

图2是飞控板系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种自动驾驶飞行控制系统，如图1所示，包括飞控板、与飞控板进行遥控遥测双向通信的电台、接收飞控板伺服控制指令信息的伺服机构、向飞控板传递手动控制指令信号的接收机、向接收机传送遥控手动控制指令信号的遥控器；

所述飞控板中的通讯模块接收接收机的信息指令，同时，通讯模块与电台之间进行双向通讯；所述电台与自动驾驶飞行控制系统外的地面控制系统（GCS）系统进行双向通信；所述飞控板中的伺服输出模块向伺服机构发送伺服信息。

本飞行控制系统实施方案中，所述传感器模块进一步包括两组气压传感器、一组GPS模块、一组惯性测量（IMU-Inertial Measurement Unit)模块。

所述气压传感器采用MS5534C芯片，两组气压传感器中，一组采集大气动压，另一组采集大气静压，通过采集无人机飞行高度层静压与起飞点静压作差，求得静压差，通过计算得到无人机与起飞平面的相对高度值；通过采集的大气动压，经计算得无人机当前飞行空速；通过气压传感器可获取无人机飞行相对高度和飞行空速。

所述GPS模块采用U-blox公司的NEO-5Q，具有50通道卫星接收功能，100万个以上的相关引擎，可同步追踪GPS及伽利略导航卫星信号，提供UART、USB、IIC、SPI接口，接收GPS频率为L1，冷启动时间不大于20秒，通过GPS模块可获取无人机当前WGS-84坐标、飞行地速和航向。

所述IMU模块采用ADI公司ADIS16365，为六自由度惯性传感器，包含三轴数字陀螺仪和三轴数字加速度计，支持SPI兼容型输出接口，可编程自动与手动过偏执校正控制，通过IMU模块可获得无人机三自由度角速率值和三自由度加速度值，经过捷联惯导数据融合，可获得无人机三自由度飞行姿态信息。

本飞行控制系统实施方案中，中央处理模块采用ATMEL公司AT91RM9200处理器，采用ARM920T内核，最高工作频率180MHz，处理性能可达200MIPS，中央处理模块接收传感器模块解算的飞行状态数据，经过扩展卡尔曼滤波、捷联惯导数据融合、飞行控制律解算，产生伺服控制信号量。卡尔曼滤波是一种典型的自回归滤波器，采用角速率误差、加速度误差、航向角误差作为状态量输入，经过卡尔曼滤波后，误差得到了很好的抑制。姿态解算采用GPS\INS捷联惯性导航数据融合方法，输入参数包括三自由度角速率值、三自由度加速度值、WGS84三维坐标值、飞行速度和飞行航向角，经过捷联解算后，获得无人机偏航角、俯仰角和横滚角；飞行控制律采用模糊PID算法模型，分为增稳控制（内回路）和导航控制（外回路）。增稳控制包括俯仰角控制回路、横滚角控制回路、偏航角控制回路和空速控制回路，导航控制包括高度控制回路、转弯控制回路、偏航控制回路、爬升率/下降率控制回路、起飞控制回路和着陆控制回路。通过飞行控制回路，使无人机能够按照任务规划要求，正确执行飞行任务。

本飞行控制系统实施方案中，伺服输出模块采用74ALVC16245作为输出驱动器，支持16路输入/输出通道，通过该驱动器，直接驱动舵机、电子开关或继电器等作动机构，实现对无人机的控制。

本飞行控制系统实施方案中，通信模块采用USART接口，MAX3243作为RS232电平转换芯片，实现TTL电平和RS232电平的相互转换。串口通信波特率为38400bps，数据位8位，停止位1位，数据校验采用checksum校验和方式。通信模块通过无线链路接收遥控指令，发送无人机遥测数据到GCS，实现飞行控制系统与GCS的数据交互。

本飞行控制系统实施方案中，无线电台作为飞行控制系统和GCS之间的无线传输链路，实现了对无人机系统的遥测和遥控。本飞行控制系统支持多种类型的无线电台，接口要求数据传输协议为RS232或RS422，传输模式为双工或半双工，传输速率不小于38400bps。

本飞行控制系统实施方案中，遥控器和接收机部分是实现无人机手动控制的重要组件。遥控器和接收机频率必须相同，控制通道包括副翼通道、方向通道、升降通道、油门通道、自动/手动切换通道、襟翼通道和任务通道。遥控器以PCM方式发送摇杆控制指令，接收机接收后，发送给飞控板，通过飞控板控制无人机伺服机构作动，实现地面操作人员对无人机的手动控制。

Claims

1.一种自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：包括飞控板、与飞控板进行遥控遥测双向通信的电台、接收飞控板伺服控制指令的伺服机构、向飞控板传递手动控制指令的接收机、向接收机传送遥控手动控制指令的遥控器；

2.根据权利要求1所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述传感器模块进一步包括两组气压传感器、一组GPS模块、一组惯性测量模块；

其中，所述GPS模块采用的型号为NEO-5Q；

其中，所述惯性测量模块采用的型号为ADIS16365。

3.根据权利要求1所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述中央处理模块采用型号为AT91RM9200的处理器，采用ARM920T内核，最高工作频率180MHz，处理性能可达200MIPS。

4.根据权利要求1所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述伺服输出模块采用74ALVC16245作为输出驱动器，支持16路输入/输出通道，通过该驱动器，直接驱动舵机、电子开关或继电器，实现对无人机的控制。

5.根据权利要求1所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述通信模块采用USART接口，MAX3243作为RS232电平转换芯片，实现TTL电平和RS232电平的相互转换，串口通信波特率为38400bps，数据位8位，停止位1位，通信模块通过无线链路接收遥控指令，发送无人机遥测数据到地面控制系统，实现飞行控制系统与地面控制系统的数据交互。

6.根据权利要求1所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述无线电台作为飞行控制系统和地面控制系统之间的无线传输链路，实现了对无人机系统的遥测和遥控，电台接口采用的数据传输协议为RS232或RS422，传输模式为双工或半双工，传输速率不小于38400bps。

7.根据权利要求1所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述遥控器和接收机频率相同，控制通道包括副翼通道、方向通道、升降通道、油门通道、自动/手动切换通道、襟翼通道和任务通道。

8.根据权利要求1或7所述的自动驾驶飞行控制系统，其特征在于：所述遥控器以PCM方式发送摇杆控制指令，接收机接收后，发送给飞控板，通过飞控板控制无人机伺服机构作动，实现地面操作人员对无人机的手动控制。