CN104809934B - 飞行器制导与控制实验仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器制导与控制实验仪器，该实验仪器是一种分离式教学实验仪器，包括可分离的核心板和底板，进而能够设置多种型号的核心板，调整试验仪的成本和应用领域；所述核心板包括微控制器以及分别与其连接的外设接口、复位按键、IO插针等，所述的底板包括制导控制模块、输入模块、执行机构、显示模块、电源模块及IO插孔等，通过底板上的输入模块输入目标位置信息或者更改目标位置信息，或者输入经过改进的控制算法等方式，实现人机互动，便于研究各种飞行参数之间的内部联系，提高学生的学习效率。

Description

飞行器制导与控制实验仪器

技术领域

本发明涉及航空航天类的实验教学环境下的教学试验仪器，具体涉及一种飞行器制导与控制实验仪器。

背景技术

当前市面上出售的成套的数字系统设计教学实验装置，虽然种类繁多，技术先进，但因为要兼顾大多数用户的实验要求，而具备普遍性，但不具备结合实际教学要求的强针对性，尤其难以适合航空航天类的实验教学环境；此外，目前市面上出售的数字系统设计教学实验箱在结构设计上多采用一体化即封闭式设计，核心板和底板引脚绑定，这种结构会大大降低实验箱整体功能的灵活性、通用性和扩展性，使得实验箱成本增大，适应性减弱，不利于学生学习主动性、开拓思维及创新能力的培养，并且后期维修和升级都比较困难。

由于上述原因，本发明人对现有的航空航天类教学仪器做了深入研究，以便设计出适用于航空航天类的实验教学环境的低成本便携式的教学实验仪器。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种飞行器制导与控制实验仪器，该实验仪器是一种分离式教学实验仪器，包括可分离的核心板和底板，进而能够设置多种型号的核心板，调整试验仪的成本和应用领域；所述核心板包括微控制器以及分别与其连接的外设接口、复位按键、IO插针等，所述的底板包括制导控制模块、输入模块、执行机构、显示模块、电源模块及IO插孔等，通过底板上的输入模块输入目标位置信息或者更改目标位置信息，或者输入经过改进的控制算法等方式，实现人机互动，便于研究各种飞行参数之间的内部联系，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，该实验仪器包括可互相分离的核心板和底板，核心板用于实时根据接收到的飞行器参数信息计算控制飞行器的控制指令，底板用于收集并发送飞信器参数信息，接收飞行器控制指令并执行，在所述底板上设置有输入模块。

(2)根据上述(1)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，所述输入模块用于输入初始目标位置信息；

在所述底板还上设置有制导控制模块，所述制导控制模块包括GPS模块和惯性器件，其中，GPS模块用于实时获取飞行器的位置、速度及航向信息，并将获得的信息传递至核心板的，惯性器件用于实时获取飞行器的角速率、加速度以及地磁分量信息，并将获得的信息传递至核心板；

在所述底板上还设置有执行机构模块，所述执行机构模块用于接收控制指令并根据控制指令产生控制气动力，使飞行器飞向目标。

(3)根据上述(1)或(2)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，所述核心板包括微控制器，微控制器用于接收GPS模块传递出的飞行器的位置、速度及航向信息，惯性器件传递出的飞行器的角速率、加速度以及地磁分量信息，计算得到飞行器姿态、位置、航向信息的最优估计值，再根据输入模块输入的目标位置信息，计算得到控制指令，并将控制指令发送至底板上的执行机构模块。

(4)根据上述(3)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，在所述核心板上还设置有振荡电路、复位电路、JTAG仿真接口电路和IO插针，在所述底板上还设置有与所述IO插针相配合的IO插孔，所述核心板与所述底板之间通过IO插针及IO插孔可拆卸地连接。

(5)根据上述(3)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，所述核心板为能够执行复杂浮点运算的计算速率为150～600MHz的高配置核心板；

或者所述核心板为能够执行简单浮点运算和复杂定点运算的计算速率为50～150MHz的中配置核心板；

或者所述核心板为能够执行逻辑组合运算和简单定点计算的计算速率为8～32MHz的低配置核心板。

(6)根据上述(3)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，核心板的微控制器通过卡尔曼滤波算法计算得到飞行器姿态、位置、航向信息的最优估计值，再通过比例导引律算法进行导航，产生控制指令。

(7)根据上述(6)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，所述输入模块还用于向所述核心板中输入算法，述输入的算法任选地由使用者修改或改进，所述输入的算法包括卡尔曼滤波算法和比例导引律算法。

(8)根据上述(2)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，所述输入模块还用于实时输入或改变目标位置信息。

(9)根据上述(1)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，在所述底板上还设置有显示模块，所述显示模块用于实时显示飞信器的飞行状态信息。

(10)根据上述(1)所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，在所述底板上还设置有给整个实验仪器供电的电源模块。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，具有可分离的核心板和底板，使得实验仪器可以随着应用和需求不同而调节型号和成本，进而提高了实验仪器的适用范围；

(2)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，具有输入模块，能够随时输入目标位置信息，进而改变飞行器的飞行放向、飞行姿态等飞行状态信息，进而为人机交互领域的研究提供研究基础；

(3)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，具有输入模块，能够输入并更改核心板中的计算方法及相关计算参数，便于使用者自行设计飞行数据、调整控制指令，增强人机互动性能，更方便于使用者了解飞行器的各种相关参数的内部联系，提高使用者的学习效率；

(4)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，设计灵活，操作方便，结构清晰，提高了实验教学效率，为导航、制导与控制相关专业学生的培养和用于先进的导航、制导与控制理论技术的科研工作提供实验条件。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的核心板结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的底板结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的振荡电路结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的复位电路结构示意图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的JTAG仿真接口电路结构示意图。

附图标号说明：

100-核心板

110-微控制器

120-复位电路

130-振荡电路

140-IO插孔

150-JTAG仿真接口电路

200-底板

210-显示模块

220-执行机构模块

230-电源模块

240-数据传输模块

250-输入模块

260-制导控制模块

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，如图1、图2中所示，该实验仪器包括可互相分离的核心板100和底板200，核心板用于实时根据接收到的飞行器参数信息计算控制飞行器的控制指令，底板用于收集并发送飞信器参数信息，接收飞行器控制指令并执行，通过设置可分离的核心板和底板，实现硬件部分和计算部分的分离，便于根据需求选取适宜型号的控制终端，从而避免浪费，节约成本。

在一个优选的实施方式中，在所述底板还上设置有制导控制模块260，所述制导控制模块包括GPS模块、惯性器件和数据记录模块，其中，GPS模块用于实时获取飞行器的位置、速度及航向信息，并将获得的信息传递至核心板，惯性器件用于实时获取飞行器的角速率、加速度以及地磁分量信息，并将获得的信息传递至核心板，数据记录模块又可分为实时时钟和温度两个模块。

在进一步优选的实施方式中，GPS模块可以选用型号为u-blox NEO-6M接收处理模块，GPS模块将接收卫星的定位信息通过串口发送至单片机，并且可以通过串口设置GPS模块通信和接收等参数；惯性器件可以是集成芯片MPU6050，包含了三轴速率陀螺仪和三轴加速度计，并且自带程控滤波器对采集数据进行滤波后输出；GPS模块和惯性器件获取的数据既可以单独使用，就是所谓的GPS导航以及惯性导航；可以通过导航计算机进行数据的融合与处理，二者结合为GPS/INS组合导航，能够大大提高导航的精度；所述实时时钟可以是美信公司的DS1302芯片，配备一块30mA充电电池，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V，采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据；温度模块可以是DS18b20集成芯片，采用独特的单线接口方式与；单片机连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。工作电源:3.0～5.5V，测量结果以9～12位数字量方式串行传送，精度为±0.5℃。

数据记录模块中的实时时钟模块、温度测量模块以及核心板中微控制器共同构成了数据记录系统，对飞行器在飞行期间的各项试验数据进行记录。其中，实时时钟模块，为所有数据的记录提供时间基准；温度测量模块，能够实时监测飞行器上各个系统的温度随时间变化情况，上述数据经由数据记录模块处理并存储在自身的存储器中，对飞行数据进行记录，便于后续的数据分析。

在一个优选的实施方式中，在所述底板上设置有执行机构模块220，所述执行机构模块用于接收控制指令并根据控制指令产生控制气动力，使飞行器飞向目标，进一步地，执行机构模块包括直流电机、步进电机和舵机，直流电机采用的是545直流电机，驱动模块采用的是三极管搭建的H桥功率放大电路；步进电机采用的是28YBJ-48步进电机，与之对应的驱动电路时ULN2003驱动芯片，舵机模块采用的是MG996R，对应的驱动电路是一个PNP型的三极管搭建的功率放大电路。

在一个优选的实施方式中，在所述底板上设置有输入模块250，所述输入模块可以用于输入初始目标位置信息和初始的飞行器位置信息，以提供模拟实验的基本初始参数，所述位置信息包括目标位置的经度、纬度和高度等能够确定具体位置的信息参数等，而初始目标位置信息和初始的飞行器位置信息是在模拟实验开始前输入的初始位置信息；所述输入模块还可以用于实时输入或改变目标位置信息，核心板在接收到改变的新的目标位置信息后会根据该位置信息重新计算控制指令，由于目标位置的改变，计算得到的控制指令信息一般也会有所改变，具体来说通过变更目标位置信息能够改变飞行器飞行方向、飞行姿态等相关参数，可以进一步观察分析飞行器运行规律，便于使用者深入了解学习目标位置信息和飞行器姿态、方向的内在联系等相关知识，提高专业技能；进一步地，所述输入模块还可以用于输入或改变飞行器飞行过程中的外界条件信息，以便于使用者研究外界条件对飞行姿态及相关参数的影响，在未输入外界条件信息的情况下，系统默认按照无外界条件影响的条件计算飞行器姿态，改变或输入外界条件后，系统会对飞行器姿态在原有基础上进行修正，以使其更贴近于实际状态，所述外界条件信息包括外界的温度、风速、气压、磁场、引力等能够对飞行器姿态产生影响的信息；本发明中优选地，输入模块包括模拟输入部、4x4矩阵键盘和数字输入部，其中，模拟输入部为滑动变阻器旋钮，主要用于模拟输入量，4x4矩阵键盘通过8个IO口进行控制扫描，减少IO口占用，数字输入部为波段开关，主要用于模拟数字输入量0和1。

在一个优选的实施方式中，在所述底板上设置有显示模块210，所述显示模块用于实时显示飞信器的飞行状态信息，显示模块包括触摸液晶屏和数码管，液晶显示模块采用的是EzUIVXX_043_V10串口触屏液晶，通过串口与控制核心进行数据交换；数码管显示模块采用8位红色共阴数码管显示模块，单片机通过锁存器74HC138对数码管进行片选与段选从而控制亮灭。

在一个优选的实施方式中，在所述底板上还设置有给整个实验仪器供电的电源模块230，在实验箱中需要+12V、+9V、+5V、+3.3V等多种不同电压。整个实验箱采用市电220V交流电供电，通过开关电源将220V交流电转换为+12V直流电。通过7809和7805芯片分别将其转换为+9V和+5V给多种外设进行供电，最终通过AMS1117-3.3将+5V电压转换为+3.3V电压，给单片机进行供电。

在一个优选的实施方式中，在所述底板上还设置有数据传输模块240，所述数据传输模块包括2.4GHz无线传输模块、蓝牙传输模块、USB转串口模块三部分，其中，2.4GHz无线传输模块采用的是nRF2401集成芯片，nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便；通过4线SPI通信协议与单片机的SPI硬件模块进行连接，完成数据的收发功能；蓝牙传输模块采用的是HC-06模块，通过异步通信接口UART与单片机进行连接，完成数据的收发；USB转串口模块，采用的是CH340T和MAX232两块集成芯片，单片机通过MAX232将串口信号的TTL电平转换为RS232电平，再通过CH340T转化为USB通信协议，与上位机进行通信，完成数据交换。

在一个优选的实施方式中，如图1中所示，所述核心板包括微控制器110，微控制器用于接收GPS模块传递出的飞行器的位置、速度及航向信息，惯性器件传递出的飞行器的角速率、加速度以及地磁分量信息，计算得到飞行器姿态、位置、航向信息的最优估计值，再根据输入模块输入的目标位置信息，计算得到控制指令，并将控制指令发送至底板上的执行机构模块。

在一个优选的实施方式中，在所述核心板上还设置有振荡电路130、复位电路120、JTAG仿真接口电路150和IO插针140，在所述底板上还设置有与所述IO插针相配合的IO插孔，所述核心板与所述底板之间通过IO插针及IO插孔可拆卸地连接。

在进一步优选的实施方式中，所述微控制器110采用的是TI公司的超低功耗系列单片机MSP430F5438A型混合信号处理器，或者为TI公司的DSP芯片TMS320F28335；所述振荡电路采用包括25MHz晶振如图3所示的电路；所述的复位电路采用如图4所示的电路；所述JTAG仿真接口电路如图5所示，标准的JTAG接口是4线：TMS，TCK，TDI，TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。相关JTAG引脚的定义为：TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。

在一个优选的实施方式中，所述核心板为能够执行复杂浮点运算的计算速率为150～600MHz的高配置核心板；或者所述核心板为能够执行简单浮点运算和复杂定点运算的计算速率为50～150MHz的中配置核心板；或者所述核心板为能够执行逻辑组合运算和简单定点计算的计算速率为8～32MHz的低配置核心板。根据不同计算量上的需求和成本方面的考虑，可以选择不同配置的核心板，从而避免浪费，更具有针对性。

在一个优选的实施方式中，核心板的微控制器通过卡尔曼滤波算法计算得到飞行器姿态、位置、航向信息的最优估计值，再通过比例导引律算法进行导航，产生控制指令；所述输入模块还用于向所述核心板中输入算法，所述输入的算法任选地由使用者修改或改进，所述输入的算法包括卡尔曼滤波算法和比例导引律算法，核心板中设置有自动选取系统，当检测到有外界输入的算法时，自动执行外界输入的算法，如果没有外输入的界算法时才会自动选用系统中默认的算法。通过使用者自行设计并输入计算算法，增强了使用者的参与性，增强了该实验仪器的人机互动性能，便于提高使用者对飞行器制导控制领域的了解和认识，既能提高学习兴趣，又能加快学习效率。

本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器在采集初始的如目标位置、飞行器位置、姿态、外界条件等参数的基础上，实时计算飞行器的姿态，使用者可以在人机互动的过程中通过改变相关参数如：目标位置、外界条件等信息观察该信息对飞行姿态及最终结果的影响，还可以通过改变核心板中算法来观察飞行器姿态参数和算法以及最终结果之间的关系，可以反复试验，充分观察和记录，通过理论计算的系统仿真，深入学习了解飞行器制导与控制的内在联系，提高学习效率，激发学习兴趣。

在一个优选的实施方式中，所述飞行器制导与控制实验仪器设置成箱体形状，进一步优选地设置成类似于笔记本电脑的便携可翻盖形式，还可以任选地配置有飞行器模型，可以随着计算得到的飞行器姿态信息而做出相应的姿态变化。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，具有可分离的核心板和底板，使得实验仪器可以随着应用和需求不同而调节型号和成本，进而提高了实验仪器的适用范围；

(2)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，具有输入模块，能够随时输入目标位置信息，进而改变飞行器的飞行放向、飞行姿态等飞行状态信息，进而为人机交互领域的研究提供研究基础；

(3)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，具有输入模块，能够输入并更改核心板中的计算方法及相关计算参数，便于使用者自行设计飞行数据、调整控制指令，增强人机互动性能，更方便于使用者了解飞行器的各种相关参数的内部联系，提高使用者的学习效率；

(4)根据本发明提供的飞行器制导与控制实验仪器，设计灵活，操作方便，结构清晰，提高了实验教学效率，为导航、制导与控制相关专业学生的培养和用于先进的导航、制导与控制理论技术的科研工作提供实验条件。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，该实验仪器设置成笔记本电脑的便携可翻盖形式，包括可互相分离的核心板和底板，在所述核心板上设置有IO插针，在所述底板上设置有与所述IO插针相配合的IO插孔，所述核心板与所述底板之间通过IO插针及IO插孔可拆卸地连接，

所述核心板用于实时根据接收到的飞行器参数信息计算控制飞行器的控制指令，在所述核心板中设置有自动选取系统，当检测到有外界输入的算法时，自动执行外界输入的算法；所述输入的算法由使用者修改或改进；

所述核心板包括微控制器，微控制器用于接收GPS模块传递出的飞行器的位置、速度及航向信息，和惯性器件传递出的飞行器的角速率、加速度以及地磁分量信息，计算得到飞行器姿态、位置和航向信息的最优估计值，再根据输入模块输入的目标位置信息，计算得到控制指令，并将控制指令发送至底板上的执行机构模块；

核心板的微控制器通过卡尔曼滤波算法计算得到飞行器姿态、位置、航向信息的最优估计值，再通过比例导引律算法进行导航，产生控制指令；

所述底板用于收集并发送飞行器参数信息，接收飞行器控制指令并执行，在所述底板上设置有输入模块，其包括模拟输入部、4x4矩阵键盘和数字输入部；其中，模拟输入部为滑动变阻器旋钮、用于模拟输入量；4x4矩阵键盘通过8个IO口进行控制扫描、减少IO口占用；数字输入部为波段开关、用于模拟数字输入量0和1；所述输入模块用于输入初始目标位置信息；所述输入模块还用于向所述核心板中输入算法，所述输入的算法包括卡尔曼滤波算法和比例导引律算法；所述输入模块还用于实时输入或改变目标位置信息；所述输入模块还用于输入或改变飞行器飞行过程中的外界条件信息；

在所述底板上还设置有制导控制模块，所述制导控制模块包括GPS模块和惯性器件，其中，GPS模块用于实时获取飞行器的位置、速度及航向信息，并将获得的信息传递至核心板，惯性器件用于实时获取飞行器的角速率、加速度以及地磁分量信息，并将获得的信息传递至核心板；

在所述底板上还设置有执行机构模块，所述执行机构模块用于接收控制指令并根据控制指令产生控制气动力，使飞行器飞向目标；

在所述底板上还设置有显示模块，所述显示模块用于实时显示飞行器的飞行状态信息。

2.根据权利要求1所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，在所述核心板上还设置有振荡电路、复位电路和JTAG仿真接口电路。

3.根据权利要求1所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，所述核心板为能够执行复杂浮点运算的计算速率为150～600MHz的高配置核心板；

或者所述核心板为能够执行简单浮点运算和复杂定点运算的计算速率为50～150MHz的中配置核心板；

或者所述核心板为能够执行逻辑组合运算和简单定点计算的计算速率为8～32MHz的低配置核心板。

4.根据权利要求1所述的飞行器制导与控制实验仪器，其特征在于，在所述底板上还设置有给整个实验仪器供电的电源模块。