CN103324203A - 基于智能手机的无人飞机航电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于智能手机的无人飞机航电系统,用户通过外接设备操纵地面站,地面站将操控指令通过网络服务器转发到机载智能手机,机载智能手机将信号发送至单片机,单片机接收到指令后,发送信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态,同时智能手机将数据通过网络服务器转发至地面站,使得用户可以通过地面站监测飞机的实时状态。本发明实现了用户对无人机的运距离控制和监视,在商用无线通信信号覆盖的地方都能正常运行,还可以通过下载插件或者利用SDK开发等方式升级手机端软件以拓展功能,不仅简化了飞行前的安装调试过程,也极大地降低设备的采购成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种航电系统,尤其是无人机领域。
背景技术
目前第三代无线通讯技术在中国已经逐渐普及,下一代4G通讯也即将投入商用。高速低延迟的无线通讯技术催生了云计算的兴旺发展。同时市场主流的通讯终端也逐渐被搭载智能操作系统的手机占据,这类手机基本都配备了高性能的中央处理器以及众多先进传感器包括高像素的CMOS图像传感器,三轴陀螺仪,重力传感器,GPS地理传感器,数字罗盘和气压计。
现有的商用无人机(包括航模飞机)普遍存在控制距离短、设备成本高、操作复杂、功能有限且无法后期升级等问题,阻碍了其自身的推广普及和应用范围的拓展。
发明内容
本发明克服了现有商用无人飞机存在的上述缺陷,提供了一种全新的无人飞机控制方式。它利用信号覆盖范围广泛的现有商用无线通信网络,来进行地面站与无人机航电系统之间的数据通讯,从而实现用户对无人机的远程操控以及无人机飞行信息的回传显示。并且本发明利用手机已有的内置传感器,测量飞机的实时信息和采集图像视频,省却了购置飞控板、图传数传等设备的支出,也简化用户安装调试设备的步骤。此外,本发明还利用智能手机操作系统的应用扩展性,通过简单的应用程序或者插件安装从而增加航电系统的功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括机载航电系统、网络服务器和地面站,用户通过鼠标键盘、飞行摇杆或游戏手柄操纵地面站,地面站收到操控指令后,传送操纵指令到网络服务器,网络服务器将操控指令发送至和地面站使用同一账号登录的机载智能手机,机载智能手机将需要调节的通道号码即单片机PWM信号(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制信号)输出口号码以及该通道的PWM信号占空比发送至单片机,单片机接收到指令后,发送PMW信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态,在飞行过程中,智能手机将其内部数据和单片机传送的数据传回网络服务器,由网络服务器转发至地面站,使得用户可以通过地面站监测飞机的实时状态。
本发明还提供了一种基于上述装置的无人机航电系统的控制方法,包括如下步骤:
(1)飞机起飞前,用户在地面站和机载智能手机均使用同一账号登陆;
(2)对于地面站,用户通过两种方式操控飞机:第一,用户通过鼠标、键盘或者触摸屏在地面站的控制窗口中设置飞机的飞行航点和高度,然后将飞行模式设为自动;第二,用户通过游戏手柄或者飞行摇杆手动操纵飞机,即直接调整飞机的舵量和油门,如果地面站为智能手机或者平板电脑,则无需手柄和摇杆,用户可以通过屏幕虚拟按键以及地面站的重力和姿态感应功能手动操纵飞机;
(3)地面站将步骤(2)中用户的操控指令通过互联网发送到指定的网络服务器,网络服务器接收到地面站数据后,会立即转发至步骤(1)中和地面站使用同一账号登录的机载智能手机;
(4)机载智能手机在接收到步骤(3)转发的操控指令后,读取操控指令,智能手机通过WIFI direct、蓝牙、NFC、USB端口连接或耳机输出口其中任意一种连接方式发送需要调节的通道号码即单片机PWM输出口号码以及该通道的PWM信号占空比至单片机,单片机接收到指令后,发送PMW信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态;
(5)在飞行过程中,机载智能手机内置的三轴陀螺仪、重力传感器、GPS地理传感器、数字罗盘、气压计和摄像头分别可以测量得到飞机的俯仰和滚转角度、地理位置、航向、海拔高度及实时视频图像;同时,单片机读取飞机锂电池剩余电量和外接传感器捕获的数据,并通过步骤(4)中描述的WIFI direct、蓝牙、NFC、USB端口连接或耳机输出口其中任意一种连接方式传回到机载智能手机;
(6)机载智能手机将步骤(5)中机载智能手机内部数据和从单片机获取的剩余电量和外接传感器捕获的数据发送回网络服务器,再由网络服务器转发至地面站,使得用户可以监测飞机的实时状态。
本发明所述方法步骤(3)中的操控指令的格式采用MAVLink微型飞行器的通信协议
本发明所述方法步骤(4)中,单片机外接的EEPROM在出厂时存入有失控情况下的应急反应指令代码,当单片机未能接收到机载智能手机指令时间超过5s,单片机会转向EEPROM读取存储的应急反应指令代码,用于控制电调和舵机做出失控反应,失控反应为立即切断飞机动力输出,同时释放起落架,对于搭载有回收降落伞的载机,还可以同时释放降落伞。
本发明的有益效果是:本发明带来了一种全新的航电系统,实现了用户对于无人机的运距离控制和监视,理论上在商用无线通信信号覆盖的地方都能正常运行。并且用户可以通过下载插件或者利用SDK开发等方式升级手机端软件以拓展功能,例如实现旋翼飞机的飞行稳定控制,F3A飞机的特技飞行动作等。此外本发明简化了传统的无人机航电系统,无需专业的RC遥控装置、飞控板、视频采集器、数传图传设备等,不仅简化了飞行前的安装调试过程,也极大地降低设备的采购成本。
附图说明
图1是本发明提出的航电系统工作原理示意图。
具体实施方式
本发明技术方案是:包括机载航电系统、网络服务器和地面站,用户通过鼠标键盘、飞行摇杆或游戏手柄操纵地面站,地面站收到操控指令后,传送操纵指令到网络服务器,网络服务器将操控指令发送至和地面站使用同一账号登录的机载智能手机,机载智能手机将需要调节的通道号码即单片机PWM信号(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制信号)输出口号码以及该通道的PWM信号占空比发送至单片机,单片机接收到指令后,发送PMW信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态,在飞行过程中,智能手机将其内部数据和单片机传送的数据传回网络服务器,由网络服务器转发至地面站,使得用户可以通过地面站监测飞机的实时状态。
本发明还提供了一种基于上述装置的无人机航电系统的控制方法,包括如下步骤:
(1)飞机起飞前,用户在地面站和机载智能手机均使用同一账号登陆;
(2)对于地面站,用户通过两种方式操控飞机:第一,用户通过鼠标、键盘或者触摸屏在地面站的控制窗口中设置飞机的飞行航点和高度,然后将飞行模式设为自动;第二,用户通过游戏手柄或者飞行摇杆手动操纵飞机,即直接调整飞机的舵量和油门,如果地面站为智能手机或者平板电脑,则无需手柄和摇杆,用户可以通过屏幕虚拟按键以及地面站的重力和姿态感应功能手动操纵飞机;
(3)地面站将步骤(2)中用户的操控指令通过互联网发送到指定的网络服务器,网络服务器接收到地面站数据后,会立即转发至步骤(1)中和地面站使用同一账号登录的机载智能手机;
(4)机载智能手机在接收到步骤(3)转发的操控指令后,读取操控指令,智能手机通过WIFI direct、蓝牙、NFC、USB端口连接或耳机输出口其中任意一种连接方式发送需要调节的通道号码即单片机PWM输出口号码以及该通道的PWM信号占空比至单片机,单片机接收到指令后,发送PMW信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态;
(5)在飞行过程中,机载智能手机内置的三轴陀螺仪、重力传感器、GPS地理传感器、数字罗盘、气压计和摄像头分别可以测量得到飞机的俯仰和滚转角度、地理位置、航向、海拔高度及实时视频图像;同时,单片机读取飞机锂电池剩余电量和外接传感器捕获的数据,并通过步骤(4)中描述的WIFI direct、蓝牙、NFC、USB端口连接或耳机输出口其中任意一种连接方式传回到机载智能手机;
(6)机载智能手机将步骤(5)中机载智能手机内部数据和从单片机获取的剩余电量和外接传感器捕获的数据发送回网络服务器,再由网络服务器转发至地面站,使得用户可以监测飞机的实时状态。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在本实例中,舵机采用S3156型舵机,其偏转的角度为-30度至30度,对应的最小和最大占空比分别为0.4606和0.7637。锂电池为11.1V的3S航模专用锂电池。AVR单片机型号是Atmega16,其内置有A/D转换。EPROM为AT24C256,用来存储失控保护指令。智能手机采用内置Android操作系统的手机,支持3G通讯。
(1)用户通过手机端应用登录个人账号,确认与地面站端控制软件连接正常。用户将该手机安装在载机下方固定,并用3.5mm音频线连接手机和内置单片机的电路板,并且确认该电路板已经连接飞机电调、舵机和锂电池
(2)用户拨动游戏手柄的摇杆,地面站通过Windows标准API读取对应通道的行程。读取到的通道行程为16进制的4位数据,考虑到本实例使用的舵机无法达到该精度,故将此行程降低精度至6位二进制数值,范围大小为000000~111111。并用另外两位二进制数值代表该通道序号1~4。故地面站端生成的舵机控制指令为8位二进制数值,用指令A表示,其中前两位为舵机通道序号,后6位为该舵机通道的行程。
(3)地面站将指令A通过网络服务器转发至智能手机。
(4)智能手机与AVR单片机之间通用2FSK通信。网络服务器传给手机指令通过协议解析,解析出A为直接的舵机控制命令,并采用2FSK的编码调制方式将指令A通过智能手机音频线传输至AVR单片机,其具体方法为:
1)首先2FSK调频频率为12KHz和6Khz,分别代表了0和1,通信速率真为1.5Kbps,通信参数:硬件通信协议采用串口通信协议:1个起始位,8个数据位,一个停止位,无检验位,因此每个字节都转化成10bit的码流。
2)手机端的调制和解调:通过Android操作系统内部的Audio track类输出幅度为±2V,频率为12KHz和6KHz的正弦波,此为调制后的信号。手机端的解调:采用通信技术里面成熟的相干解调方案,实现信号解调。
3)单片机端的调制和解调:采用专用信号发生器芯片:AD9833实现2FSK信号的调制和解调,在本应用中,可直接对接收到的模拟信号进行采样,通过信号之间的零点间隔实现简易解调,AVR单片机接收指令后,控制相应的舵机转动角度。
(5)手机通过安卓系统SensorManager对象获取内置传感器数据;对于飞机锂电池状态,为了能够使电池电压能够直接用于单片机测量,采用了1.5K,4.7K电阻分压,分压之后的最高电压及最低电压为:3.1V,2.1V,采用10位AD采集精度,因此3.1V对应的AD采样数值为961,2.1V对应的AD采样数值为651,如果AD采样的值低于651,则说明电池电压已经放尽。单片机通过与指令送达实现方法中的步骤3相同的方式发送回机载智能手机。
(6)机载智能手机通过安卓系统的Socket类发送到网络服务器,再由网络服务器发送到用户的地面站。地面站将接收到的传感器数据和电池状态显示,以供用户监视飞机飞行状态。
Claims (4)
1.一种基于智能手机的无人飞机航电系统,其特征在于:包括机载航电系统、网络服务器和地面站,用户通过鼠标键盘、飞行摇杆或游戏手柄操纵地面站,地面站收到操控指令后,传送操纵指令到网络服务器,网络服务器将操控指令发送至和地面站使用同一账号登录的机载智能手机,机载智能手机将需要调节的通道号码即单片机PWM信号(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制信号)输出口号码以及该通道的PWM信号占空比发送至单片机,单片机接收到指令后,发送PMW信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态,在飞行过程中,智能手机将其内部数据和单片机传送的数据传回网络服务器,由网络服务器转发至地面站,使得用户可以通过地面站监测飞机的实时状态。
2.根据权利要求1所述基于智能手机的无人飞机航电系统的控制方法,其特征在于包括下述步骤:
(1)飞机起飞前,用户在地面站和机载智能手机均使用同一账号登陆;
(2)对于地面站,用户通过两种方式操控飞机:第一,用户通过鼠标、键盘或者触摸屏在地面站的控制窗口中设置飞机的飞行航点和高度,然后将飞行模式设为自动;第二,用户通过游戏手柄或者飞行摇杆手动操纵飞机,即直接调整飞机的舵量和油门,如果地面站为智能手机或者平板电脑,则无需手柄和摇杆,用户可以通过屏幕虚拟按键以及地面站的重力和姿态感应功能手动操纵飞机;
(3)地面站将步骤(2)中用户的操控指令通过互联网发送到指定的网络服务器,网络服务器接收到地面站数据后,会立即转发至步骤(1)中和地面站使用同一账号登录的机载智能手机;
(4)机载智能手机在接收到步骤(3)转发的操控指令后,读取操控指令,智能手机通过WIFI direct、蓝牙、NFC、USB端口连接或耳机输出口其中任意一种连接方式发送需要调节的通道号码即单片机PWM输出口号码以及该通道的PWM信号占空比至单片机,单片机接收到指令后,发送PMW信号至指定通道的舵机或者电调,从而改变飞机的动力大小和飞行姿态;
(5)在飞行过程中,机载智能手机内置的三轴陀螺仪、重力传感器、GPS地理传感器、数字罗盘、气压计和摄像头分别可以测量得到飞机的俯仰和滚转角度、地理位置、航向、海拔高度及实时视频图像;同时,单片机读取飞机锂电池剩余电量和外接传感器捕获的数据,并通过步骤(4)中描述的WIFI direct、蓝牙、NFC、USB端口连接或耳机输出口其中任意一种连接方式传回到机载智能手机;
(6)机载智能手机将步骤(5)中机载智能手机内部数据和从单片机获取的剩余电量和外接传感器捕获的数据发送回网络服务器,再由网络服务器转发至地面站,使得用户可以监测飞机的实时状态。
3.根据权利要求2所述的基于智能手机的无人飞机航电系统的控制方法,其特征在于:所述步骤(3)中的操控指令的格式采用MAVLink微型飞行器的通信协议。
4.根据权利要求2所述的基于智能手机的无人飞机航电系统的控制方法,其特征在于:所述步骤(4)中,单片机外接的EEPROM在出厂时存入有失控情况下的应急反应指令代码,当单片机未能接收到机载智能手机指令时间超过5s,单片机会转向EEPROM读取存储的应急反应指令代码,用于控制电调和舵机做出失控反应,失控反应为立即切断飞机动力输出,同时释放起落架,对于搭载有回收降落伞的载机,还可以同时释放降落伞。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130925 |