CN105404308A - 一种翼伞无人机飞行控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼伞无人机飞行控制器，包括数据采集模块、飞控导航计算机、执行机构和地面站模块；本发明的目的是提供翼伞的自主智能化飞行控制，针对当前翼伞控制器的特点和翼伞无人机的工作要求，该飞行控制器操纵翼伞无人机系统按照既定的航线飞行，执行类似侦察、通信中继、森林防火等常规无人机的任务，使翼伞像无人机一样工作。本发明拓展了翼伞的使用范围。

Description

一种翼伞无人机飞行控制器

技术领域

本发明涉及翼伞无人机飞行控制技术领域，尤其涉及一种可在线编辑航点，具备超视距飞行能力的翼伞无人机飞行控制器。

背景技术

翼伞是一种具有高滑翔性能的可展式气动力飞行器，其翼型前缘开口，在前进飞行中形成“冲压空气”维持翼型和机翼形状，实现飞行能力，它除具有一般降落伞减速和稳定的功能外，还可通过操纵实现航迹控制。一般来说，翼伞通常用于物资精确定点空投，重要载荷回收等由降落伞延伸的工作场合，现在由于技术的发展和科技的进步，逐渐出现各种以翼伞为主要升力面的飞行器，包括本专利涉及的翼伞无人机。

翼伞无人机是由翼伞提供升力的无人机。翼伞搭载无人机机体，由无人机机体搭载载荷执行相关任务，同时由无人机机体为翼伞提供操纵力，保证翼伞-无人机系统按照预定航迹飞行。这是一种可精确控制航迹同时可搭载大质量载荷的飞行器，其市场前景广阔。

飞行控制器是翼伞无人机的核心模块，其保证无人机按照任务要求飞行，其性能的优劣对无人机系统的整体性能有很重要的影响。一般来说包含传感器模块，控制算法模块和执行模块；还包括机载电气、载荷控制、能源监控、数据记录等功能，对机上的数据和信息流进行综合的管理，将机体上能控制的电气部件进行整合，实现对飞机的综合控制。

由于翼伞主要用于空投、回收任务，当前的翼伞飞行控制器也限制在这些任务范围内，比如带有“径向归航”与“带盲角归航”的方法、双GPS定位、迎风降落等功能的控制器，都为了保证落点精度。而这样的控制器不能执行无人机相关的任务，如侦察，通信中继，森林防火等。

发明内容

本发明的目的是提供一种翼伞无人机飞行控制器，可以操纵翼伞无人机系统按照既定的航线飞行，执行类似侦察、通信中继、森林防火等常规无人机的任务，使翼伞像无人机一样工作。

本发明采用下述技术方案：

一种翼伞无人机飞行控制器，包括数据采集模块和用于对数据采集模块采集的数据进行分析处理以及发送控制指令的飞控导航计算机；所述的飞控导航计算机包括惯性解算处理器、数据输入输出处理器和逻辑处理器，所述的逻辑处理器包括有导航控制器和增稳控制器；

用于执行飞控导航计算机发出的控制指令，并控制翼伞无人机飞行状态进行变化的执行机构；

地面站模块：所述的地面站模块包括用于保证数据通信可靠性的地面测控链路通信模块、用于将翼伞无人机的位置和飞行姿态等数据进行显示的数据显示模块和对翼伞无人机进行任务规划和遥控动作进行控制的地面站，所述地面站通过地面测控链路通信模块与飞控导航计算机相连接；

所述的数据采集模块的输出端通过模数转换模块连接飞控导航计算机的输入端，飞控导航计算机的输出端连接执行机构的控制器信号输入端。

所述的数据采集模块由设在在无人机上的导航传感器、三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁力机、温度传感器和气压高度计组成的传感器组构成。

所述的数据输入输出处理器用于采集翼伞的三轴姿态信息、位置信息、三轴线速度信息、三轴角速率信息、三轴加速度信息、三轴风速信息以及高度信息，并发送上述信息到逻辑处理器。

所述的执行机构包括左操纵绳、右操纵绳、后缘加速绳、后缘操纵绳、伺服舵机、带动传动机构的舵机和翼伞操控模块；所述的翼伞操控模块用于操纵左右操纵绳实现翼伞左右拐弯与速度控制；操纵后缘加速绳改变迎角实现速度控制；操纵后缘操纵绳实现升阻比控制。

所述的地面站包括人机交互模块和数据上传模块，其中人机交互模块将操作人员的意图转化为数据信息，交给翼伞无人机执行；数据上传模块是将操作人员指令交给数据通信模块，数据上传模块是与数据通信的接口。

所述的导航控制器采用侧偏距方法控制无人机驶向目标航线：由无人机当前位置和目标航线位置的差值提供修正量，再加上目标航线的角度，得到控制器的角度指令量；根据当前空速和目标航点空速，得到增稳控制器的空速指令量，这个指令数值根据自由飞时得到的无人机信息进行比例计算和限幅。

所述的增稳控制器采用PID方法控制无人机的航向角和空速。

所述的导航控制器分为航迹规划和航迹控制两模块：所述的航迹规划模块用于通过GPS/北斗、气压高度计等传感器经数据融合算法，得出翼伞无人机的实时定位信息，翼伞在编程轨迹与航迹规划程序下完成航迹控制，实现翼伞无人机能在未知区域内超视距自主飞行。

所述的航迹控制模块采用侧偏距加航向角作为翼伞无人机的偏航角指令对无人机位置进行修正。

所述的增稳控制采用GPS/北斗的速度输出作为反馈信号对航向进行速率闭环反馈控制，增加控制系统的控制阻尼，达到增加控制系统的控制稳定性目的，使无人翼伞的飞行稳定性、可操纵性等得到较大的改善。

本发明通过设置传感器组、飞控导航及任务计算机、执行机构、飞行控制算法、地面测控链路通信模块和地面站模块，通过系统SHAPE\*MERGEFORMAT提供数据采集，翼伞操控，从而实现航迹控制、自主降落、数据传输和地面控制等功能，实现飞行控制器操纵翼伞无人机系统按照既定的航线飞行，执行类似侦察、通信中继、森林防火等常规无人机的任务，使翼伞像无人机一样工作。本发明拓展了翼伞的使用范围。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图２为本发明的控制算法结构图；

图３为本发明的导航算法结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种翼伞无人机飞行控制器，包括数据采集模块和用于对数据采集模块采集的数据进行分析处理以及发送控制指令的飞控导航计算机；所述的飞控导航计算机包括惯性解算处理器、数据输入输出处理器和逻辑处理器:飞行控制计算机是飞行控制系统的核心，飞控计算机拟采用基于总线的体系结构，以高性能数字信号处理器为核心，采用余度设计，以保证飞行控制及任务管理的实时性，以保证飞行过程的可靠性。

本申请中飞控计算机的软硬件设计采用开放式控制结构：基于嵌入式系统的开放式控制平台技术除了系统的基本组成模块与集中式控制系统相同外，在结构上与传统控制系统大不一样。开放式控制平台的各控制单元在物理位置上可与测量变送单元和操作执行单元合为一体，故可在现场构成完整的基本控制系统。此外，开放式控制平台是基于嵌入式操作系统，同时在操作系统之上又设计有一层操作系统扩展或者为中间件，将应用程序接口与操作系统隔离，使得这种平台具备真正的开放式结构，从而适合多类型的硬件和软件平台。

本发明中无人翼伞的飞行控制回路由内到外依次为：阻尼增稳控制回路、航迹控制与航迹规划回路。控制回路结构如图２所示。

其中增稳控制采用GPS/北斗的速度输出作为反馈信号对航向进行速率闭环反馈控制，增加控制系统的控制阻尼，达到增加控制系统的控制稳定性目的。如图３所示，采用此控制回路，翼伞可以在地面操纵手的操纵控制下完成翼伞全手动操纵飞行。增稳控制指令来源分两模块，一模块是导航控制器的指令，包括航线航点信息、任务命令、载荷命令等；另一模块是遥控设备的指令，包括遥控器的各种动作。其中前者是本发明的主要工作模式，地面操作人员通过简单的操作就能将自己的意图实现。而后者用于特殊情况需要人工干预飞行时使用。增稳控制回路可以使无人翼伞的飞行稳定性、可操纵性等得到较大的改善。导航算法采用侧偏距加航向角作为无人机的偏航角指令对无人机位置进行修正。航线依据控制指令自动生成，航线规划信息由地面站模块上传。本发明所述的通信模块的模式采用分层架构，在软件结构上，数据通信和数据处理分为两个层次，各信道的通信都在数据通信层完成，而数据处理层完成下层上传数据的解读，以及其上层下传数据的封包。地面站模块和人员只和数据处理层交互信息，完美屏蔽不同接口的差异，例如串口、网络，usb和蓝牙等通信接口，对地面站模块和人员来说是一样的操作方式。

航迹规划与航迹控制由GPS/北斗、气压高度计等传感器确定无人翼伞的适时定位信息，翼伞在编程轨迹与航迹规划程序下完成航迹控制，使翼伞能在未知区域内超视距自主飞行。这种控制模式是无人翼伞自主飞行的最终体现。

本发明中需要采集的控制指令分两部分，一部分是任务规划的指令，包括航线航点信息、任务命令、载荷命令等；另一部分是遥控设备的指令，包括遥控器的各种动作。其中前者是本发明的主要工作模式，地面操作人员通过简单的操作就能将自己的意图实现。而后者用于特殊情况需要人工干预飞行时使用。这里同样采用分层方法，不管是那种命令的采集对上层都是屏蔽的。指令上传是将控制指令数据交给数据显示模块和通信模块，是数据采集的上一层。

还包括有用于执行飞控导航计算机发出的控制指令，并控制翼伞无人机飞行状态进行变化的执行机构；所述的执行机构是无人翼伞研制时需要重点关注的内容，执行机构性能的优劣直接影响到翼伞系统性能的发挥。在飞行控制系统中，伺服舵机一般被设计成一个位置伺服系统。因此伺服控制器主要负责对位置传感器的反馈信息进行解调、滤波等处理，再与控制信号综合，通过一定的控制律产生控制量。该控制量经过功率放大后，驱动舵机，经过传动机构带动舵机的旋转，控制翼伞飞行。

在研制前需要对操纵量进行精确的标定，此为研制无人翼伞系统的一个重要工作，单此一项工作可能要花费几个月的时间。操纵量的标定是指给定控制量与实际操纵量之间的对应关系。通过操纵量的标定，可以达到三个目的：

使得给定量与实际变距量相对应，方便控制解算；

能够从舵机位置反馈信息中计算出操纵量的大小，方便实时测；

利用标定结果对操纵量输出进行电气限幅，防止机械卡死。

用于链接地面站模块和机载设备之间通信的地面测控链路通信模块和用于时刻与地面操作人员互动的地面站模块；所述的用于地面站模块地面站模块包括人机交互模块和数据上传模块，人机交互模块同样采用易于理解的交互方式，将操作人员的意图转化为数据信息，交给翼伞无人机执行。数据上传模块是将操作人员指令交给数据通信模块，是与数据通信的接口。数据上传模块是将操作人员指令交给数据通信模块，数据上传模块是与数据通信的接口；地面站模块是本发明的重要模块，因为本发明区别与其它翼伞控制器，控制器需要时刻与地面操作人员互动，而不像其它翼伞投放后只能在地面等着，所以本发明中的地面站模块承担了很重要的任务。

具体来说地面站模块包括和地面测控链路通信模块、数据显示模块和控制模块。其中对系统来说最重要的是链路通信模块，其保证了数据通信的可靠性，因此这里采用多接口多协议冗余方案，地面站模块可以通过串口、网路和usb三种通信模式和测控通信。在软件上采用分层的架构，数据通信和数据处理分为两个层次，各通道的通信都在数据通信层完成，而数据处理层完成下层上传数据的解读，和更上层下传数据的封包，软件其它模块只和数据处理层交互信息，屏蔽不同接口的差异。

所述的数据采集模块的输出端通过模数转换模块连接飞控导航计算机的输入端，飞控导航计算机的输出端连接执行机构的控制器信号输入端。所述的数据采集模块由设在在无人机上的导航传感器、三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁力机、温度传感器和气压高度计组成的传感器组构成。所述的传感器组依据飞控导航子系统的功能，需要对翼伞无人机的姿态角、迎角、侧滑角、三轴角速率、三轴加速度、飞行高度和速度、位置等参数进行测量。在选用传感器时则采用陀螺仪、加速度计、高度计、北斗等传感器。随着传感器技术的进步和高可靠性的要求，当前的传感器向着集成化、智能化方向发展，传感器组则由传统的分散结构向综合化信息系统方向发展。传感器组不再是几个传感器的简单罗列，而是一个以微处理器为核心的，应用信息融合技术的，具有一定故障在线检测和容错能力的智能信息采集系统，该系统能够为飞行控制提供更加准确、有效的飞行信息。

在传感器选定后，必须对传感器进行标定，因为其精度对控制系统的品质有很大的影响。飞行控制系统中所采用的传感器都应该用专门的测试标定装置（如三轴电动转台等）进行标定。在所有的传感器装机后还应该进行全面测试，以保证在机载环境下工作正常。由于半物理仿真试验的环境和机载环境不完全一样，特别是对于磁航向计这种对周围铁磁场比较敏感的器件，应该重新标定，然后按照标定的结果进行测量补偿。陀螺仪是飞行控制系统的主要传感器，对于安装的位置和方向有严格的要求，应该保证机体处于水平状态的时候，其输出姿态角几乎为零。在传感器接口设计时，应优先采用数字式传感器，具有接口简单、高可靠性和测量精度的特点，使得传感器标定大大的简化。

所述的数据输入输出处理器用于采集翼伞的三轴姿态信息、位置信息、三轴线速度信息、三轴角速率信息、三轴加速度信息、三轴风速信息以及高度信息，并发送上述信息到惯性解算处理器。

所述的执行机构包括左操纵绳、右操纵绳、后缘加速绳、后缘操纵绳、伺服舵机、传动机构带动舵机和翼伞操控模块；所述的翼伞操控模块用于操纵左右操纵绳实现翼伞左右拐弯与速度控制；操纵后缘加速绳改变迎角实现速度控制；操纵后缘操纵绳实现升阻比控制。

所述的地面站模块包括用于保证数据通信可靠性的地面测控链路通信模块、用于将翼伞无人机的位置和飞行姿态等数据进行显示的数据显示模块和对翼伞无人机进行任务规划和遥控动作进行控制的地面站，所述地面站通过地面测控链路通信模块与飞控导航计算机相连接。其中，地面测控链路通信模块负责地面站模块和机载设备之间的通信，分为飞行数据链路和任务载荷链路，其中飞行数据链路一般数据量小但实时性要求很高，而任务载荷数据一般为图像、视频之类的数据，数据量大而实时性要求相对不严格。一般来说传统做法是将两种数据分开用不同的设备传输，现在也有将两种数据混合，依据数据频率特性不同进行频分，用一套设备传输，这是地面测控链路通信模块的发展趋势。考虑本飞控器的发展前途，本发明采用一套设备频分传输的方案。

数据显示模块主要是软件的功能，如将翼伞无人机的位置在电子地图上显示，将飞行姿态在pfd仪表盘显示，以及各种飞行数据的人性化显示。其主要功能是将不易理解的数据转化成操作人员能理解的方式。正如通常无人机所做的那样。

所述的逻辑处理器包括有导航控制器和增稳控制器；所述的导航控制器采用侧偏距方法控制无人机驶向目标航线：如图2所示，由无人机当前位置和目标航线位置的差值提供修正量，再加上目标航线的角度，得到控制器的角度指令量；根据当前空速和目标航点空速，得到增稳控制器的空速指令量。这个指令数值根据自由飞时得到的无人机信息进行比例计算和限幅。所述的增稳控制器采用PID方法控制无人机的航向角和空速。

所述的导航控制器分为航迹规划和航迹控制两模块：如图3所示：所述的航迹规划模块用于通过GPS/北斗、气压高度计等传感器经数据融合算法，得出翼伞无人机的实时定位信息，翼伞在编程轨迹与航迹规划程序下完成航迹控制，实现翼伞无人机能在未知区域内超视距自主飞行。所述的航迹控制模块采用侧偏距加航向角作为翼伞无人机的偏航角指令对无人机位置进行修正。

所述的增稳控制采用GPS/北斗的速度输出作为反馈信号对航向进行速率闭环反馈控制，增加控制系统的控制阻尼，达到增加控制系统的控制稳定性目的，使无人翼伞的飞行稳定性、可操纵性等得到较大的改善。

本发明在实际使用时首先架设好地面站和翼伞无人机，检查设备结构，确保链路通畅，由操作手控制翼伞无人机起飞，起飞过程中，通过分析操作手手动遥控飞行的数据，对比遥控输入量和伞绳的输出量，选取平稳的线性度好的数据段，利用最小二乘算法辨识出翼伞的线性化模型，根据理论模型计算输入输出量的数量级，幅值信息（因为翼伞的柔性特质，该模型不可靠，仅可用于定性

进行多次飞行，通过实际数据人工修正理论模型，得到可用的数据。用于自主飞行。翼伞无人机的起飞和着陆采用手工控制方式，而其在空中执行任务的阶段采用自主飞行方式。以上为飞行准备工作，下面为飞行控制：

在自主飞行中，通过数据采集模块中各个传感器组进行采集翼伞的三轴姿态信息、位置信息、三轴线速度信息、三轴角速率信息、三轴加速度信息、三轴风速信息以及高度信息，并把上述信息变为数字信号，然后把数字信号由数据输入输出处理器发送至惯性解算处理器，惯性解算处理器对数字信号进行数据融合与处理，得到飞行控制需要的姿态、位置及速度数据的信息；

如图２和图３所示，飞控导航计算机根据无人机的姿态、位置及速度数据的信息通过导航控制器的处理从而得到飞行控制器的指令，并送发飞行控制器的指令到控制器，控制器根据指令控制执行机构动作。导航控制器采用侧偏距方法，由无人机当前位置和目标航线位置的差值（所谓侧偏距）提供修正量，再加上目标航线的角度，得到控制器的角度指令量；根据当前空速和目标航点空速，得到增稳控制器的空速指令量。这个指令数值根据自由飞时得到的无人机信息进行比例计算和限幅。所述的增稳控制器采用PID方法，以航向角和空速为反馈量，输出操纵绳偏移量，作为导航算法的内环，控制无人机的航向角和空速。

由于翼伞无人机的起飞和着陆，因为低空低速以及场地限制，可控余量小，采用操作手手控的方式。

Claims (10)

1.一种翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：包括数据采集模块和用于对数据采集模块采集的数据进行分析处理以及发送控制指令的飞控导航计算机；所述的飞控导航计算机包括惯性解算处理器、数据输入输出处理器和逻辑处理器，所述的逻辑处理器包括有导航控制器和增稳控制器；

用于执行飞控导航计算机发出的控制指令，并控制翼伞无人机飞行状态进行变化的执行机构；

地面站模块：所述的地面站模块包括用于保证数据通信可靠性的地面测控链路通信模块、用于将翼伞无人机的位置和飞行姿态等数据进行显示的数据显示模块和对翼伞无人机进行任务规划和遥控动作进行控制的地面站，所述地面站通过地面测控链路通信模块与飞控导航计算机相连接；

所述的数据采集模块的输出端通过模数转换模块连接飞控导航计算机的输入端，飞控导航计算机的输出端连接执行机构的控制器信号输入端。

2.根据权利要求1所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的数据采集模块由设在在无人机上的导航传感器、三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁力机、温度传感器和气压高度计组成的传感器组构成。

3.根据权利要求2所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的数据输入输出处理器用于采集翼伞的三轴姿态信息、位置信息、三轴线速度信息、三轴角速率信息、三轴加速度信息、三轴风速信息以及高度信息，并发送上述信息到逻辑处理器。

4.根据权利要求3所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的执行机构包括左操纵绳、右操纵绳、后缘加速绳、后缘操纵绳、伺服舵机、带动传动机构的舵机和翼伞操控模块；所述的翼伞操控模块用于操纵左右操纵绳实现翼伞左右拐弯与速度控制；操纵后缘加速绳改变迎角实现速度控制；操纵后缘操纵绳实现升阻比控制。

5.根据权利要求4所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的地面站包括人机交互模块和数据上传模块，其中人机交互模块将操作人员的意图转化为数据信息，交给翼伞无人机执行；数据上传模块是将操作人员指令交给数据通信模块，数据上传模块是与数据通信的接口。

6.根据权利要求5所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的导航控制器采用侧偏距方法控制无人机驶向目标航线：由无人机当前位置和目标航线位置的差值提供修正量，再加上目标航线的角度，得到控制器的角度指令量；根据当前空速和目标航点空速，得到增稳控制器的空速指令量，这个指令数值根据自由飞时得到的无人机信息进行比例计算和限幅。

7.根据权利要求6所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的增稳控制器采用PID方法控制无人机的航向角和空速。

8.根据权利要求7所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的导航控制器分为航迹规划和航迹控制两模块：所述的航迹规划模块用于通过GPS/北斗、气压高度计等传感器经数据融合算法，得出翼伞无人机的实时定位信息，翼伞在编程轨迹与航迹规划程序下完成航迹控制，实现翼伞无人机能在未知区域内超视距自主飞行。

9.根据权利要求8所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的航迹控制模块采用侧偏距加航向角作为翼伞无人机的偏航角指令对无人机位置进行修正。

10.根据权利要求9所述的翼伞无人机飞行控制器，其特征在于：所述的增稳控制器采用GPS/北斗的速度输出作为反馈信号对航向进行速率闭环反馈控制，增加控制系统的控制阻尼，达到增加控制系统的控制稳定性目的，使无人翼伞的飞行稳定性、可操纵性等得到较大的改善。