CN104898502A - 一种无人直升机便携式测控系统及其测控方法 - Google Patents

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Abstract

一种无人直升机便携式测控系统及其测控方法，由数字收发机、控制器、触摸屏、RS422通信板卡、杆量操作手柄等组合而形成的一种嵌入式系统控制设备。其中，数字收发机机箱(9)内部装载收发机及射频前端模块、二次电源模块(12)，右侧设置矩形航插锁紧孔(13)，矩形航插锁紧孔(13)与手柄(21)通过可拆卸结构连接，手柄(21)中传感器和按钮开关的输出采用意法半导体的STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，并通过RS422串口输出，控制器机箱(1)上装载显示器(19)和触摸板(20)，率先采用了触控操作方式。本发明中，杆量输入以及软件实时处理，实现了单人野外操作，减少了操作人员需求，降低了系统使用费用，提高了工作效率。

Description

一种无人直升机便携式测控系统及其测控方法
技术领域
本发明属于无人直升机地面测控领域，涉及一种针对无人直升机的新型测控终端设备。
背景技术
无人直升机便携式测控站操纵对象为现有无人直升机平台，实现无人直升机的近距使用(如农药喷洒、边境巡逻、电力巡视等)、与方舱大型地面站的配合使用(如任务接管)、分布式部署以及信息共享等。
无人机(包括无人直升机)控制站，有两个发展方向，一是大型方舱控制站，另一个是小型便携单兵站。在小型便携单兵站方面，现有技术中，无人机的便携式测控站控制部分多以工控机为主，采用键盘和鼠标(一体式或分离式)进行控制输入；起降控制部分以航模控制器为主，如FUTABA，配以物理按键实现起降操作；链路部分以小型、便携电台，作为独立部件或集成到控制部分。
如兵工自动化(2012年08期)中由罗珊，陈睿璟等提出的便携式地面测控系统，以测控计算机(PC104-1462)、显示终端计算机(PC机，RS232为标准通信接口)、液晶显示器、键盘鼠标、手柄、离散量操纵台(内含PC104控制器、多个开关、按钮)、数传电台等为硬件基础，以遥控、遥测和窗口刷新等为软件构成框架，见图2所示。电台选用MDS9710无线通信电台，通过RS232通信接口与测控计算机连接，实现机载系统与地面遥控遥测系统之间的数据传输。测控计算机以及与其相连的离散量控制台、键盘、显示器主要实现离散指令的输入和输出。显示终端计算机、手柄部分主要完成连续指令的输入和输出。
从以上系统构成来看，存在以下不足，表现为：
a)由于采用分离式结构，往往需要两名操作人员进行操作，如一名操作人员操作手柄、另一名操作人员操作鼠标键盘，操作复杂程度高，难以单人操作；
b)野外环境适应性不足，如如何满足强光下的使用要求、野外供电、人员操作位置等没有详细叙述；
c)系统构成设备较多，可靠性低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明首先提出了一种无人直升机便携式测控系统，以成本控制、单兵便携以及野外应用为目标，重点解决单人操作、野外环境适应性以及长时间工作问题，在操作方式上率先采用触控操作方式，降低了人员需求和操作人员工作强度，同时，考虑了野外使用环境，在软硬件方面基于人机功效开展了系统设计，包括视觉调节、视觉功效等，提升了操作人员舒适性。
本发明无人直升机便携式测控系统，包括数字收发机、控制器、通信板卡、杆量操作手柄，其中，在控制器机箱上装载显示器和触摸板，控制器机箱内部安装控制器母板，母板上安装有CPU主板、通信板卡及控制器接口；
数字收发机机箱内部装载收发机及射频前端模块、二次电源模块，数字收发机机箱后侧设置天线接口，用于连接外部天线，数字收发机机箱右侧设置矩形航插锁紧孔，矩形航插锁紧孔与手柄通过可拆卸结构连接；
控制器机箱和数字收发机机箱通过支臂以及合页和显示器相连，支臂内部布设连接电缆。
优选的是，所述控制器接口包括网络接口、USB接口和VGA接口、RS422/232接口，上述接口引出至控制器机箱外部，便于调试使用。
在上述任一方案中优选的是，所述数字收发机机箱后侧设有供电接口，用于与外部锂电池连接，所述锂电池选用容量为31Ah的锂电池WP-ADA-73100为系统供电，可满足系统连续工作4h以上，供电通过内部连线输入至二次电源模块。
在上述任一方案中优选的是，数字收发机机箱的前侧固定有提手，用于设备的搬运。
在上述任一方案中优选的是，数字收发机机箱上面板两侧铺设防滑胶带，用于控制器部分视角调节时对面板的防护，同时具有防滑作用。
在上述任一方案中优选的是，手柄通过防松脱螺母与数字收发机机箱连接，控制器机箱和数字收发机机箱通过支臂以及合页闭合后，通过卡扣锁紧。
在上述任一方案中优选的是，手柄中传感器和按钮开关的输出采用意法半导体的STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，并通过RS422串口输出。
在上述任一方案中优选的是，手柄传感器、按键根据各个杆量所处位置以及按键状态产生对应的输出，由STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，CPU主板基于事件触发接收来自通信板卡的手柄数据，由数字收发机将上行遥控数据编码、调制、扩频后进行无线射频发送。
在上述任一方案中优选的是，所述数字收发机接收来自无线链路 的遥测数据和载荷数据，将遥测数据通过RS422接口、载荷数据通过网络接口周期发送给控制器部分，CPU主板基于事件触发接收来自通信板卡的遥测数据和来自网口的载荷数据，通过对数据进行解析和处理，送人机操作界面进行显示。
一种无人直升机便携式测控方法，采用所述的无人直升机便携式测控系统对无人机进行测控，包括以下方法：
A、通过选择监控/回放模式启动系统；
B、如果启动模式为监控，则进行信息以及系统的初始化，包括发出遥控指令、接收手柄数据、接收遥控数据以及接收载荷数据，其中，接收手柄数据后通过解帧和提取连续量数值，之后与发出的遥控指令进行组帧，之后通过串口发送遥控数据帧；接收遥控数据通过解帧进行界面线程显示；接收载荷数据时解析网络数据帧，组成图像数据帧并推送至界面显示；
C、如果启动模式为回放，首先读取历史数据，之后判断接收的数据为遥控数据还是载荷数据，分别按照步骤B中的计算过程进行解帧显示或解析网络数据帧，组成图像数据帧。
本发明关键点：
a)采用触控操作和手柄操作，实现单人操作；
b)触摸屏的视角调节：通过支臂和合页解决了不同人员使用时的视角可调问题，并且在触控条件下，视角不会发生变化；
c)采用多进程、多线程、多媒体时钟精确定时等技术实现遥控数据实时发送、遥测数据实时处理和信息显示，使得系统操作流畅。
附图说明
图1是按照本发明无人直升机便携式测控系统及其测控方法的一优选实施例的系统总体构成及接口关系示意图。
图2是图1所示实施例的控制器机箱结构图。
图3是图1所示实施例的数字收发机机箱结构图。
图4是图1所示实施例的测控站整体结构图。
图5是图1所示实施例的工作流程图。
其中，1为控制器机箱，2为控制器母板，3为通信板卡，4为散热风扇，5为CPU主板，6为的USB接口和VGA接口，7为RS422/232接口，8为网络接口，9为数字收发机机箱，10为供电接口，11为天线接口，12为二次电源模块，13为矩形航插锁紧孔，14为合页，15为提手，16为防滑胶带，17为防松脱螺母，18为支臂，19为显示器，20为触摸板，21为手柄。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的柔性梁刚度测量装置做进一步详细说明，本发明以成本控制、单兵便携以及野外应用为目标，重点解决单人操作、野外环境适应性以及长时间工作问题。
一种新型无人直升机便携式测控站，它是由数字收发机、控制器、触摸屏、RS422通信板卡、杆量操作手柄等组合而形成的一种嵌入式系统控制设备。
在本实施例中，系统总体构成及接口关系见图1所示，主要包括以下几点。
(1)采用成熟数字收发机：
根据国内外无人机便携式现状分析以及无人直升机平台特点，在地面数据终端(数据链的地面部分)选择某单位成熟数字收发机产品，其遥控遥测接口为RS422、载荷数据接口为以太网。
(2)应用嵌入式控制器
由于笔记本和工控机难以适用野外环境，包括可视性和供电等方面，故选择高性能嵌入式处理器。在综合衡量可靠性、功耗、进度、成本、接口扩展性、图形化软件开发和移植、便携等因素的基础上，控制器选择凌华公司PCI/104总线的主机板CM-920，其技术参数如下：
a)CPU：i7，1.7GHz，双核；
b)媒体处理：HW JPEG和MJPEG解码；完整的硬件MPEG2编码；
c)视频接口：LVDS和VGA；
d)以太网：2个10/100/1000自适应网口； 
e)USB：4个USB2.0；
f)内存：2GB；
g)硬盘：固态硬盘，64G；
h)支持Windows XP操作系统。
为保证通信的稳定性和考虑接口扩展需求，选用盛博公司RS422总线串口数据通信板PMSP-8与控制器配套使用，实现遥控遥控数据的收发。
(3)采用触控操作方式
由于传输的键盘/鼠标、航模控制器操作难以满足单人操作需求，故在操作方式上选择单点电阻触摸屏。
触摸屏主要用于遥控指令、遥测数据的显示，不同的显示画面可以通过软按钮进行切换。考虑页面多内容显示和野外使用环境，选用三菱公司的AA121XL01高亮度液晶屏作为主机板的输出显示屏，参数如下：
a)尺寸：12.1英寸；
b)解析度：1024×3(H)×768(V)；
c)可视范围：245.76(H)×184.32(V)；
d)信号接口：LVDS；
e)亮度：1000(cd/m2)；
f)对比度：600:1；
g)工作温度：-30～80℃；
h)工作电压：5V、12V；
i)工作电流：320/600mA(Typ/Max)。
选用触摸屏T121S-5RAY06P-3A28R4-200FH与显示屏配套使用。
(4)基于杆量操作 
传统的航模控制器需要单人双手才能完成操作，难以满足设计要求，为此选择手柄产生无人直升机起降控制所需的周期变距、横向周期变距、总距、尾桨距以及左右偏航控制参数距量。
为了保证手柄的质量和精度，选用智能控制科技有限公司的手柄进行适应性改进设计，这要涉及传感器的选型和采集电路的设计，手柄中传感器和按钮开关的输出采用意法半导体的STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，并通过RS422串口输出。
(5)采用锂电池供电：
在上述硬件确定后，根据各个模块功耗及系统连续工作时间，计算得出电池容量为18.75Ah，选用容量为31Ah的锂电池(WP-ADA-73100)为系统供电，可满足系统连续工作4h以上。
在本实施例中，组合式结构见图2-图4。
图4给出的是控制器结构示意图，设计控制器机箱1，装载显示器19和触摸板20，机箱内部的控制器母板2，母板2上安装CPU主板5、RS422通信板卡3、散热风扇4，CPU主板5的网络接口8、USB 接口和VGA接口6、RS422/232接口7以及将上述控制器接口引出至机箱1外部，便于调试使用。
数字收发机机箱9，如图3所示，内部装载收发机及射频前端模块、二次电源模块12，机箱9后侧设置锂电池供电接口10、天线接口11，用于与外部锂电池以及天线的连接。数据收发机机箱9的前侧设置提手15用于设备的搬运，右侧设置矩形航插锁紧孔13，用于手柄21通过防松脱螺母17与其连接。
控制器机箱1和数字收发机机箱9通过支臂18以及合页14和19相连，如图4所示，支臂18内部布设连接电缆。数字收发机机箱上面板两侧铺设防滑胶带16，用于控制器部分视角调节时对面板的防护，同时具有防滑作用。
在测控站不使用时，手柄21可拆除，控制器机箱1和数字收发机机箱9可闭合，并通过卡扣锁紧。
在供电方面，锂电池模块与供电接口10相连，供电通过内部连线输入至二次电源模块12，其将24V直流电源进行滤波处理并变换为5VDC、12VDC等不同类型的二次电源，送给手柄21、控制器母板2等实现系统供电。
在本实施例中，手柄传感器、按键根据各个杆量所处位置以及按键状态产生对应的输出，由STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，采用CRC16校验方法，并通过RS422总线周期输出。CPU主板5基于事件触发接收来自RS422通信板卡3的手柄21数据，结合操作人员触控操作所产生的指令，形成上行遥控数据帧，按通信协议定时通过RS422通信板卡3发送给数字收发机。数字收发机将上行遥控数据编码、调制、扩频后进行无线射频发送。
数字收发机接收来自无线链路的遥测数据和载荷数据，将遥测数 据通过RS422接口、载荷数据通过以太网接口周期发送给控制器部分。CPU主板5基于事件触发接收来自RS422通信板卡3的遥测数据和来自网口的载荷数据，通过对数据进行解析和处理，送人机操作界面进行显示。
本实施例还采用一套匹配的实时处理软件，该软件以遥控、遥测数据收发为主，考虑野外使用和单屏显示特点，软件设计遵循以下原则：
a)根据无人直升机操纵阶段分页显示遥控、遥测内容；
b)重要遥测参数、操作指令应及时显示，一般参数可隐藏，必要时可调出显示；
c)软按键指令应放置在屏幕的周边，其大小及按钮之间间距应考虑操作方便性；
d)显示内容颜色及背景颜色应有对比，便于在日光下可视。
一种无人直升机便携式测控方法，采用所述的无人直升机便携式测控系统对无人机进行测控，包括以下方法：
A、通过选择监控/回放模式启动系统；
B、如果启动模式为监控，则进行信息以及系统的初始化，包括发出遥控指令、接收手柄数据、接收遥控数据以及接收载荷数据，其中，接收手柄数据后通过解帧和提取连续量数值，之后与发出的遥控指令进行组帧，之后通过串口发送遥控数据帧；接收遥控数据通过解帧进行界面线程显示；接收载荷数据时解析网络数据帧，组成图像数据帧并推送至界面显示；
C、如果启动模式为回放，首先读取历史数据，之后判断接收的数据为遥控数据还是载荷数据，分别按照步骤B中的计算过程进行 解帧显示或解析网络数据帧，组成图像数据帧。
软件工作流程见图5所示，用户启动便携式控制器软件并登陆成功后，用户选择系统工作模式。系统的默认工作模式为监控模式，用户可以选择切换到系统信息管理或数据回放模式。在监控模式下，用户首先进行系统初始化设置(也可以不更改，保留默认设置)，系统初始化设置主要包括串口号、波特率、带宽等参数的设置和保存。系统初始化设置完成后打开各通信端口，软件自动接收各端口发送过来的设备自检信息，解析并显示系统自检结果。系统自检通过后，开始通过串口接收地面收发机发送来的遥测数据,通过网口接收地面收发机发送来的载荷数据(即视频数据)，对遥测数据进行解帧并显示；当用户使用便携式控制器软件或者手柄进行遥控操作时，便携式控制器软件内部要生成相应的控制数据，并将控制数据组成控制指令帧通过串口发送给数字收发机。在数据回放模式下，用户可以从文件系统中选择监控时记录的遥测数据和载荷数据，进行回放。在系统信息管理模式下，用户可以管理系统用户信息、设备信息、设备故障信息、设备负责单位信息、设备负责人人员信息、手册信息、手册维护信息、系统使用信息。其中在设备信息、设备故障信息、设备负责单位和设备负责人人员信息等。
为保证软件运行实时性，将软件分为三个进程：飞行监控进程、航迹监控进程、载荷监控进程。飞行监控进程是软件的主进程，也是软件启动的入口进程，其他两个进程均通过飞行监控进程启动，飞行监控进程通过给其他两个进程传递启动参数实现其他两个进程显示界面在主进程界面中的定位，飞行监控进程通过管道给其他两个进程发送消息控制其他两个进程主界面的显示、隐藏和进程的关闭。每个进程采用多线程设计。
无人直升机单兵便携测控站的设计采用成熟货架产品和软件开发环境，配备了运输包装以及使用附件，经试验试飞，达到了设计目标，具有如下优点：
a)测控站和包装以及使用附件总重21kg，单人可以背负，不需要使用车辆运输；
b)触控操作、杆量输入以及软件实时处理，实现了单人野外操作，减少了操作人员需求，降低了系统使用费用，提高了工作效率；
c)系统硬件均基于成熟货架产品，可靠性高(预计值为500h)，成本可控，便于市场推广。
需要说明的是，本发明无人直升机便携式测控系统及其测控方法包括上述实施例中的任何一项及其任意组合，但上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人直升机便携式测控系统，其特征在于：包括数字收发机、控制器、通信板卡(3)、杆量操作手柄(21)，其中，
在控制器机箱(1)上装载显示器(19)和触摸板(20)，控制器机箱(1)内部安装控制器母板(2)，控制器母板(2)上安装有CPU主板(5)、通信板卡(3)及控制器接口；
数字收发机机箱(9)内部装载收发机及射频前端模块、二次电源模块(12)，数字收发机机箱(9)后侧设置天线接口(11)，用于连接外部天线，数字收发机机箱(9)右侧设置矩形航插锁紧孔(13)，矩形航插锁紧孔(13)与杆量操作手柄(21)通过可拆卸结构连接；
手柄(21)中传感器和按钮开关的输出采用意法半导体的STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，并通过RS422串口输出。
2.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：所述控制器接口包括网络接口(8)、USB接口和VGA接口(6)、RS422/232接口(7)，上述接口引出至控制器机箱(1)外部，便于调试使用。
3.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：所述数字收发机机箱(9)后侧设有供电接口(10)，用于与外部锂电池连接，所述锂电池选用容量为31Ah的锂电池WP-ADA-73100为系统供电，供电通过内部连线输入至二次电源模块(12)。
4.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：数字收发机机箱(9)的前侧固定有提手(15)，用于设备的搬运。
5.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：数字收发机机箱(9)上面板两侧铺设防滑胶带(16)，用于控制器部分视角调节时对面板的防护，同时具有防滑作用。
6.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：手柄(21)通过防松脱螺母(17)与数字收发机机箱(9)连接，控制器机箱(1)和数字收发机机箱(9)通过支臂(18)以及合页(14)闭合后，通过卡扣锁紧。
7.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：控制器机箱(1)和数字收发机机箱(9)通过支臂(18)以及合页(14)和显示器(19)相连，支臂(18)内部布设连接电缆。
8.根据权利要求1所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：手柄(21)的手柄传感器、按键根据各个杆量所处位置以及按键状态产生对应的输出，由STC12C5A60S2芯片进行采集和处理，CPU主板(5)基于事件触发接收来自通信板卡(3)的手柄(21)数据，由数字收发机将上行遥控数据编码、调制、扩频后进行无线射频发送。
9.根据权利要求8所述的无人直升机便携式测控系统，其特征在于：所述数字收发机接收来自无线链路的遥测数据和载荷数据，将遥测数据通过RS422接口(7)、载荷数据通过网络接口(8)周期发送给控制器部分，CPU主板(5)基于事件触发接收来自通信板卡(3)的遥测数据和来自网口的载荷数据，通过对数据进行解析和处理，送人机操作界面进行显示。
10.一种无人直升机便携式测控方法，其特征在于：采用权利要求1所述的系统对无人机进行测控，包括以下方法：
A、通过选择监控/回放模式启动系统；
B、如果启动模式为监控，则进行信息以及系统的初始化，包括发出遥控指令、接收手柄数据、接收遥控数据以及接收载荷数据，其中，接收手柄数据后通过解帧和提取连续量数值，之后与发出的遥控指令进行组帧，之后通过串口发送遥控数据帧；接收遥控数据通过解帧进行界面线程显示；接收载荷数据时解析网络数据帧，组成图像数据帧并推送至界面显示；
C、如果启动模式为回放，首先读取历史数据，之后判断接收的数据为遥控数据或载荷数据，分别按照步骤B中的计算过程进行解帧显示或解析网络数据帧，组成图像数据帧。
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