CN106094057A - 一种基于固定翼无人机的无线电探空系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，包括固定翼无人机、无线电探空仪和地面站，固定翼无人机带动无线电探空仪升空，无线电探空仪将采集到的数据传输至地面站进行处理。本发明用于开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出，是现有大气边界层探测常用手段的可行性替代方案。

Description

一种基于固定翼无人机的无线电探空系统

技术领域

本发明涉及一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，属于气象探测技术领域。

背景技术

大气边界层是人类活动和各项生态环境构成的主要层次，是地球表面和自由大气间动量、热量和物质属性交换必经的气层。国内外重大气象实验大都把大气边界层研究作为核心的科学内容之一,其探测的气象要素一般包括气温、湿度、气压、风速、风向等。

大气边界层探测可依托现有的高空气象站开展。高空气象站是气象部门设在陆地或海上实施高空气象观测的场所，其主要任务是定时施放携带无线电探空仪的探空气球探测高空气象要素值，并将获取的资料按世界气象组织规定的统一格式整理、编报，通过通信系统传输给有关部门。高空站设备和场地除施放的无线电探空仪外，主要有温、湿、压等气象要素的探空信号接收机和记录设备。有不少高空气象站还采用测风雷达系统追踪气球的方式来进行风速和风向的探测。由于高空气象站站点较少，站间距较大，其数据仅能代表一定范围内的边界层特征，往往无法满足科学研究的实际需求；同时无线电探空仪探空仪上升速度高达6~7m/s，以保证传感器的通风要求，导致无法对大气边界层进行高分辨率探测。

若研究区域距离高空气象站站点较远，则往往通过系留探空系统开展大气边界层探测。系留探空系统组成主要包括气艇、系留绳、绞车、探空仪以及地面接收系统等，其中气艇体积一般超过6立方米、绞车重量达60千克。为保证系留探空系统的安全，要求风速较大或有降水事件发时停止观测。因此，在系留探空系统开展大气边界层探测时，可能因气象条件不符合要求而导致数据缺测；同时气艇、绞车等也需转移至库房等安全区域，对野外观测场地提出苛刻的要求，也造成人力的大量浪费。

发明内容

针对现有大气边界层探测常用手段所存在的观测条件要求高、探测数据分辨率低、数据缺测率高等上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，用于开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出，是现有大气边界层探测常用手段的可行性替代方案。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，包括固定翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，固定翼无人机包括固定翼无人机机体、飞行机构、飞行控制单元、遥控器接收机、传感器模块、第一无线数传模块、电池模块；所述飞行机构包括电子调速器、电机、桨叶、舵机，其中，桨叶安装在电机上；电机位于固定翼无人机机头前端，并通过电子调速器与飞行控制单元连接；舵机通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接，用来控制升降舵、副翼、方向舵；传感器模块，用于实时测量固定翼无人机的当前高度信息；飞行控制单元分别与传感器模块、遥控器接收机、第一无线数传模块、电池模块连接；无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、第二无线数传模块；无线电探空仪设置在固定翼无人机机体内；地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与第一、第二无线数传模块进行无线通讯；地面站控制固定翼无人机升空后，无线电探空仪中各传感器采集到的数据通过第二无线数传模块传输至地面站；地面无线数传模块将接收到的数据传输至存储模块进行存储，以供工作人员调用。

作为本发明的进一步优化方案，还包括与地面无线数传模块连接的显示模块。

作为本发明的进一步优化方案，还包括安装在固定翼无人机机体上的发射天线，发射天线与无线发射模块连接。

作为本发明的进一步优化方案，所述电机通过连杆机构与固定翼无人机连接。

作为本发明的进一步优化方案，传感器模块为气压计或差分GPS。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的技术方案可开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，包括固定翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，固定翼无人机包括固定翼无人机机体、飞行机构、飞行控制单元、遥控器接收机、传感器模块、第一无线数传模块、电池模块；所述飞行机构包括电子调速器、电机、桨叶、舵机，其中，桨叶安装在电机上；电机位于固定翼无人机机头前端，并通过电子调速器与飞行控制单元连接；舵机通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接，用来控制升降舵、副翼、方向舵；传感器模块，用于实时测量固定翼无人机的当前高度信息；飞行控制单元分别与传感器模块、遥控器接收机、第一无线数传模块、电池模块连接；无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、第二无线数传模块；无线电探空仪设置在固定翼无人机机体内；地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与第一、第二无线数传模块进行无线通讯；地面站控制固定翼无人机升空后，无线电探空仪中各传感器采集到的数据通过第二无线数传模块传输至地面站；地面无线数传模块将接收到的数据传输至存储模块进行存储，以供工作人员调用。

本发明中，该探空系统还包括与地面无线数传模块连接的显示模块；还包括安装在固定翼无人机机体上的发射天线，发射天线与无线发射模块连接。其中，所述电机通过连杆机构与固定翼无人机连接，传感器模块为气压计或差分GPS。

本发明采用常规布局的固定翼无人机机体结构，包括一个电子调速器、一个电机、一个桨叶、五个舵机，五个舵机用来控制两个升降舵、两个副翼、一个方向舵，通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接。固定翼无人机的飞行轨迹及飞行速度由电机及副翼、升降舵、方向舵控制。电机转动提供无人机飞行的前进动力，副翼、升降舵、方向舵用来控制无人机的高度、航向。

一、飞行控制系统的硬件实现和结构原理

本发明中，固定翼无人机和地面站的通信有两种方式，即2.4GHz的FUTABA遥控器无线通信和915MHz无线传输模块通信。FUTABA遥控器是日本双叶电子工业株式会社生产的一款航模通用的遥控器，与该品牌接收机配套使用。航模操纵者可以通过拨动遥控器上的一些拨杆，各拨杆所处的不同位置对应于不同的行程，能产生具有不同脉宽的各通道遥控PWM信号。无线数传模块传输频率为915MHz，最大传输距离为700m，分为两个模块，分别是 Air模块（串口）用于飞行器搭载，Ground模块（USB接口）用于地面连接电脑使用。

本发明的固定翼无人机包括飞行控制单元、传感器模块、无线数传模块、电源模块、遥控接收机。电机及舵机，通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接；传感器模块通过I2C总线与飞行控制单元连接；无线数传模块通过UART串口与飞行控制单元连接；地面站的地面无线数传模块与机载部分的无线数传模块进行数据通讯；遥控器接收机通过UART串口（采用SBUS协议）与飞行控制单元连接；电源模块通过AD接口与飞行控制单元相连。

（1）飞行控制计算机硬件设计

本发明的飞行控制单元采用32位浮点型单片机，控制器为STM32F407。

控制器STM32F407是基于252MIPS 的Cortex-M4架构的32位单片机，时钟频率高达168MHZ，其丰富的硬件接口资源（4个USART，2个USAT，3个I2C，3个SPI，3个12位AD，2个CAN等等）及功能强大的DMA控制方式，充分保证固定翼无人机控制系统的稳定性和实时性。以下对飞行控制计算机详细描述：

飞行控制单元，集飞控、导航、与地面站通信功能于一身。主要负责读取遥控器、传感器模块的数据，同时负责与地面站进行无线数据传输，其功能是根据接收到的遥控器、传感器模块的数据，实时计算航线给予固定翼无人机导航和飞行控制，并输出控制指令给电子调速器，从而控制电机的转速并将控制指令给舵机控制舵面。本发明中，飞行控制单元根据传感器模块采集的数据，保证固定翼无人机的稳定飞行。其中，飞行控制单元的控制原理为常规技术手段，在诸如（刘彦博. 小型固定翼无人机自主飞行控制律设计[D]. 哈尔滨工业大学, 2015. 和孔德胜. 某型固定翼无人机飞控系统的设计与仿真[D]. 北京理工大学,2015.）中均有介绍。

（2）传感器模块的设计

本发明中使用到的传感器模块包括：

①无线数传模块

无线数传模块是该发明中用于远程控制无人机一种方法，其控制范围决定了无人机的飞行半径。无线数传模块用于实现位于地面的地面站和位于空中无人机搭载的飞控系统间的数据互传。本发明选用3DR Radio Telemetry数传模块，传输频率为915MHz，最大传输距离为700m，使用UART接口输出数据。

②气压计

气压计采用由MEAS推出的新一代高分辨率气压传感器MS5611，该传感器用来测量固定翼飞行器绝对飞行高度（相对于起飞点的高度）。该模块包含了一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位模数转换器，提供了一个精确的24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式，可以提高转换速度并优化电流消耗。高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能。工作温度范围：-40-85℃，精确度：在飞行高度750m时，偏差-1.5m~+1.5m。

③差分GPS

本发明使用NovAtel推出的OEM617，具有模块化的特性为用户的应用提供了灵活的配置。提供了分米级的定位精度。

本发明中，使用10000mAh、25C、22.2V 锂电池为固定翼无人机的飞行动力供电，飞行控制单元的电源需进行降压，提供5V、3.3V 这两种直流电源以满足控制芯片的需求。使用MP2482 芯片实现动力电池稳定输出5V ；使用美国MICREL 公司生产的MIC5219-3.3 实现5V → 3.3V 的低压降，可达到很高的效率，且成本低，噪音低，静态电流小。

本发明所设计的自动飞行控制系统能通过地面站设定航线及固定翼无人机飞行动作，比如，起飞、降落、航线跟踪，并通过无线数传模块将航线信息传输给固定翼无人机。本发明采用100Hz作为控制频率，完成对姿态传感器的解析与控制律的运算，经过转换以PWM值输出给电机和舵机，驱动固定翼无人机完成航线飞行。

本发明一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，其具体工作流程如下：根据实际需求，在地面中预先设置程序，控制固定翼无人机升空；无线电探空仪将所在高度的气象要素采集后，通过无线数据传送的方式把数据发至地面站；地面站通过地面无线数传模块接收，并发送至数据存储模块，实现气象要素数据的存储。当无线电探空仪上升至指定高度后，地面站结束数据的处理工作，工作人员对接收到的数据进行整理与分析，并根据要求制作大气边界层高度、逆温层、风场特性以及温、湿廓线等探测报告产品。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，包括固定翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，

固定翼无人机包括固定翼无人机机体、飞行机构、飞行控制单元、遥控器接收机、传感器模块、第一无线数传模块、电池模块；所述飞行机构包括电子调速器、电机、桨叶、舵机，其中，桨叶安装在电机上；电机位于固定翼无人机机头前端，并通过电子调速器与飞行控制单元连接；舵机通过PWM输出驱动电路与飞行控制单元连接，用来控制升降舵、副翼、方向舵；传感器模块，用于实时测量固定翼无人机的当前高度信息；飞行控制单元分别与传感器模块、遥控器接收机、第一无线数传模块、电池模块连接；

无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、第二无线数传模块；无线电探空仪设置在固定翼无人机机体内；

地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与第一、第二无线数传模块进行无线通讯；

地面站控制固定翼无人机升空后，无线电探空仪中各传感器采集到的数据通过第二无线数传模块传输至地面站；地面无线数传模块将接收到的数据传输至存储模块进行存储，以供工作人员调用。

2.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，还包括与地面无线数传模块连接的显示模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，还包括安装在固定翼无人机机体上的发射天线，发射天线与无线发射模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，所述电机通过连杆机构与固定翼无人机连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，传感器模块为气压计或差分GPS。