CN106199764A - 一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，六旋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。本发明采用双余度传感器，提高六旋翼无人机飞行的可靠性与安全性；加入地面站与无线数传模块，可以随时修改自动飞行的航线。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
技术领域
本发明涉及一种基于双余度六旋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。
小型六旋翼无人机以其灵活简便的操控性、优越的低速飞行性能、简易的机体结构，可实现垂直起降和定点悬停等优点而得到广泛的使用。目前多旋翼无人机的惯导模块( 航姿传感器) 多采用单模块设计。而惯导模块是多旋翼无人机飞行的核心部分，此模块出现问题，多旋翼无人机无法正常飞行，导致多旋翼无人机的可靠性与安全性降低。多旋翼无人机由于姿态传感器安装的位置或重心等问题，导致配平点姿态不为0，在遥控器不打杆的情况下会向某个方向漂移。多旋翼无人机在电池电量低的情况，高度控制不稳，容易掉高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双余度六旋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。本发明采用航姿传感器双余度，提高六旋翼无人机飞行的可靠性与安全性；在高度保持中融合电池的电量，可保证六旋翼无人机在电池电量低的情况下，依然能够高度保持，有效的解决在低电状态下，高度不稳的问题；通过地面站上传俯仰通道和滚装通道的配平点控制量，减弱六旋翼无人在手动模式下的漂移，可提高后续定点和自动飞行控制的品质。
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双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；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、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；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机载无线数传模块、无线数传模块进行无线通讯；地面站控制六旋翼无人机升空后，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，遥控器采用2.4GHz 的FUTABA 遥控器。
作为本发明的进一步优化方案，所述飞行控制单元采用STM32F407单片机。
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，所述MTI 姿态传感器采用的是XSENS 公司的MTI-300。
作为本发明的进一步优化方案，所述气压计采用由MEAS 推出的新一代高分辨率气压传感器MS5611。
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双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；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、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；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机载无线数传模块、无线数传模块进行无线通讯；地面站控制六旋翼无人机升空后，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。
本发明采用“X 型”六旋翼无人机机架结构，其飞行轨迹及飞行姿态均由六个桨叶及电机的转动实现：当六个旋翼的转速同时增大( 减小) 时，飞机水平上升( 下降) ；当前侧两个旋翼转速大于( 小于) 后侧两个旋翼转速时，飞机后仰( 前俯) ；当左侧三个旋翼转速大于( 小于) 右侧三个旋翼转速时，飞机向右( 左) 偏转；当互成120 度的三个机臂旋翼转速大于另外三个互成120 度机臂时，多旋翼无人机向左( 右) 偏转航向。
一、飞行控制系统的硬件实现和结构原理
本发明中，该六旋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。
本发明的六旋翼无人机包括飞行控制单元(CPU)、传感器模块、无线传输模块、电源模块和遥控接收机。三对桨叶及电机位于六旋翼机机臂的六个端点，通过PWM 输出驱动电路与飞行控制单元(CPU) 连接；六轴姿态传感器、气压计和三轴磁场传感器通过I2C 总线与飞行控制单元(CPU) 连接；无线数传模块通过UART 串口与飞行控制单元(CPU) 连接；地面站部分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(CPU) 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。主要负责读取气压传感器、遥控器、姿态传感器等数据，同时负责与地面站进行无线数据传输，其功能是实时计算飞行器姿态和航线给予多旋翼无人机导航和飞性控制，并输出控制指令给电子调速器，从而控制电机的转速。姿态传感器飞行采用高低搭配双余度，在正常飞行时，由MTi( 挂载)提供姿态和航向数据，板载航姿传感器(IMU) 模块作为备份和比较监控信号。当MTi 模块出现故障时，由板载IMU 模块提供姿态和航向数据，保证六旋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，在各类专业文献中均有刊出。
（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. 姿态传感器
高精度MTI 姿态传感器，低精度MPU6000 和HMC5883l 组合九轴姿态传感，构成姿态传感器的双余度。
MTI 姿态传感器采用的是XSENS 公司的MTI-300，具有抗机械抖动和撞击的优异性能，能直接输出高精度的3 轴角度、3 轴角速率和3 轴加速度等数据。静态条件下，滚转角与俯仰角测量偏差在0.2° -0.25°之间；动态情况下，其测量偏差分别为0.3° -1.0°之间，偏航角测量偏差最大为1.0°。提供高达2kHz 输出数据频率和低于2ms 的数据延迟。
六轴姿态传感器选用美国Invensense 公司生产的MPU-6000，其整合了3 轴陀螺仪、3 轴加速器，为全球首例整合性6 轴运动处理组件。相较于多组件方案，MPU-6000 免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间，具有低功耗、低成本、高性能的特点。传感器的测量数据最终可通过最高400kHz 的I2C 总线或最高20MHz 的SPI总线输出。
三轴磁场传感器采用的是Honeywell 公司的HMC5883L。该传感器能在±8 高斯的磁场中实现5 毫高斯分辨率，内置自检功能，能让罗盘航向精度精确到1° -2°，采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR) 技术，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。
2. 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。该设计选用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。
3. 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，该传感器用来测量多旋翼飞行器绝对飞行高度。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。
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六旋翼无人机飞行动作，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六旋翼无人机。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，驱动六旋翼无人机完成航线飞行。
本发明一种基于六旋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，控制六旋翼无人机升空；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 (6)
1.一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，
六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；
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、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；
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机载无线数传模块、无线数传模块进行无线通讯；
地面站控制六旋翼无人机升空后，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所述的一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，遥控器采用2.4GHz 的FUTABA 遥控器。
3.根据权利要求1所述的一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，所述飞行控制单元采用STM32F407单片机。
4.根据权利要求1所述的一种基于双余度六旋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所述的一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，所述MTI 姿态传感器采用的是XSENS 公司的MTI-300。
6.根据权利要求1所述的一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，所述气压计采用由MEAS 推出的新一代高分辨率气压传感器MS5611。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161207 |