CN107153392A - 一种车载系留多旋翼控制系统架构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型车载系留多旋翼控制系统架构和控制方法，在系统架构中摈弃了用自驾做飞行器控制中心的传统概念，在空中子系统中把传统自驾当作一个和其他外设等同的智能模块，并与地面子系统通过有线通信组成强大的双微处理器协调控制系统，利用功能单一价格低廉却成熟稳定的传统非系留用多旋翼自驾，同系留中已有的恒张力收放线、地面站和车载机械设备、双遥控接收机链路传输优选仲裁等传统控制技术，以及多维力传感器测量设备统一协调闭环控制，同时还实现系留线缆多维受力传感器测量系留线缆倾斜角推算飞行器距离放线轮的偏离方位和偏离量大小的方法，在精准自主起飞和降落时有效解决了现有技术中的不足和弊病。

Description

一种车载系留多旋翼控制系统架构及控制方法

技术领域

本发明属于系留多旋翼无人机技术领域，特别涉及到一种车(船)载系留多旋翼控制系统架构及其控制方法。

背景技术

在当前的无人机技术领域中，有一类通过系留线缆从地面向无人机提供电能和有线（光纤或载波）通信链路的系留无人机，特别是一类系留在移动的载具比如车、船等移动平台上，可以在空中悬停或跟随平台运动，也可以随时精确降落在平台上或从平台上起飞的多旋翼无人机系统。初期的这类系统基本由传统的地面定点系留多旋翼系统甚至非系留多旋翼改装而来，跟随平台移动靠传统自驾上的基于普通卫星定位的航点跟踪算法，由于定位精度差漂移大，满足不了在载具上精准自主起飞和精准自主降落的要求而主要靠人工遥控操作，由于起降要与线缆的收放同步，这就更加剧了人工遥控的技术难度和繁琐，并容易疏忽造成故障频发；虽然随着技术的进步，发明了多种自动收放线装置，靠检测并保持线缆恒定张力自动控制收放线（比如CN201620919257.1、CN201521023147.9、CN201610489544.8等等），但它们都是一个比较独立的装置，并没有和无人机上自驾形成闭环的自动控制反馈系统，而只是在无人机升高或降低后被动的靠张力检测控制线缆收放，因此在自主起飞和降落时很容易造成收放不够或过度的弊端；这就迫切需要一个能总体协调各传感器及执行机构，综合统一的进行闭环控制的自动控制系统。

针对上边所述的精准起飞和降落中的定位问题，最近公开了一种利用卫星差分定位的技术诸如CN106200656A专利，但它的最大不足是成本高、体积大、天线等结构笨重安装复杂且对环境要求高易受干扰，并且受卫星系统的安全性所制约；还有一种CN105629995A专利申请所公开的使用机械十字轴结构和陀螺传感器的跟随技术，它由于使用了十字轴等可转动的机械部件使结构繁杂故障率高，且倾斜传感器采用陀螺姿态间接测量，带来陀螺所固有的抗震性能差，数据处理算法复杂、漂移大校准操作繁琐等弊病。

发明内容

针对背景技术中的现状和不足，本发明提供一种新型的车载系留多旋翼控制系统架构；

本发明在系统架构中创造性的引入了空中综合控制器10，摈弃了已有技术中用自驾做飞行器控制中心的传统概念，而把空中综合控制器10 做成了名副其实的“控制自驾的控制器”，它把传统自驾当作一个和其他传感器及外设等同地位的智能模块，并与使用系留线缆多维受力传感器16和机载备用遥控接收机12、机上电源11、机载通信模块14等传感器和外设构成空中子系统1；由地面综合控制器20同系留控制中已有的恒张力收放线、有线介质综合通信、地面站和车载起降机械设备、地面电源等构成地面子系统2；通过系留线缆实时通信把空中子系统和地面子系统相连接，组成一个强大的双微处理器协调控制系统，利用已有技术中功能单一价格低廉却成熟稳定的传统非系留用多旋翼自驾及其通信协议，以及双遥控接收机不同类型链路传输优选仲裁等技术统一协调组成一个闭环的天空与地面紧密联系的控制反馈系统，从而实现了不用车载系留专用自驾就能实现车载系留系统的功能，而且做的更好；因此本发明的实施与使用车载系留专用自驾和各子系统分别自行控制的传统方案相比有极强的性价比优势。

本发明在系统架构中创造性的引入了系留线缆多维受力传感器16和用它来通过测量系留线缆倾斜角推算飞行器距离放线轮的偏离方位和偏离量大小的方法，在自主精准起飞和精准降落时有效解决了现有背景技术中利用卫星差分定位和利用陀螺传感器实现跟随的技术的各种不足和弊病，也克服了现有技术中使用超声、激光、红外、微波雷达或光学成像检测等其他有源主动式传感器对环境要求高不易户外维护易受干扰而不实用的缺点；

同时，本发明还公开了利用上述新型系统架构实现比现有技术更具优势的控制方法：它定义了系统中手动模式、自动模式和地面站模式三种工作模式，在自动模式中又定义了自主起飞、自主降落、自动跟随和地面静止等四种工作状态，并在不同工作模式和工作状态采用不同的控制策略和方法，简洁高效的克服了上述已有技术中的不足，实现了本发明的目的。

下面通过对照附图的详细说明和具体实施方案对本发明内容进行更清晰的深入阐述。

附图说明:

图1为本发明即一种车载系留多旋翼控制系统架构的整体组成简略示意图；

图2是本发明的详细示意图，是图1的更直观精细的表达；各标号所代表的部件和图1是一样的；

在图1、图2中，各标号所代表的部件是：

1 空中子系统； 10 空中综合控制器； 11 机上电源；

12 机载备用遥控接收机； 13 多旋翼飞行器自动驾驶仪； 14 机载通信模块；

15 有线通信介质； 16 系留线缆多维受力传感器；

100 机壳(机载控制器用) ； 101 机载电路板； 102 微处理器Α;

103 机载控制固件； 104 机上板载电源； 105 机上遥控输入口；

106 机上遥控输出口； 107 机上第一串口； 108 机上第二串口；

109 机上传感器接口；

2 地面子系统； 20 地面综合控制器； 21 地面电源；

22 线轮伺服电机驱动器； 23 滑环连接器； 24 地面通信模块；

25 地面站及车载控制器； 26 地面遥控接收机； 27 系留线缆张力传感器；

200 机壳(地面控制器用) ； 201 地面电路板； 202 微处理器Β；

203 地面控制固件； 204 地面板载电源； 205 地面第一串口；

206 地面第二串口； 207 地面第三串口； 208 地面遥控输入口；

209 地面传感器接口。

下面结合附图图2详细说明各部件间的包含和相互连接关系：

所述车载系留多旋翼控制系统架构，分为空中子系统1 和地面子系统2 两大部分，它们之间通过有线通信介质15 相连接。

其中，空中子系统1包括：空中综合控制器10、机上电源11、机载备用遥控接收机12、多旋翼飞行器自动驾驶仪13 、机载通信模块14 、有线通信介质15 和系留线缆多维受力传感器16 组成；

所述的空中综合控制器10，包括机壳100和装在它里边的机载电路板101；

所述的机载电路板101，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Α102 和它内部固化的机载控制固件103 、机上板载电源104 、机上遥控输入口105 、机上遥控输出口106 、机上第一串口107 、机上第二串口108 和机上传感器接口109 。

其中，地面子系统2包括：地面综合控制器20、地面电源21、线轮伺服电机驱动器22、滑环连接器23 、地面通信模块24 、地面站及车载控制器25 、地面遥控接收机26 、系留线缆张力传感器27 组成；

所述的地面综合控制器20，包括机壳200和装在它里边的地面电路板201；

所述的地面电路板201，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Β 202 和它内部固化的地面控制固件203 、地面板载电源204 、地面第一串口205 、地面第二串口206 、地面第三串口207 、地面遥控输入口208 和地面传感器接口209 。

上述各部件间的电路连接关系，已在图2中用连接线清楚标明，下面再解释说明一下：

在机载电路板101上，机上板载电源104、机上遥控输入口105、机上遥控输出口106 、机上第一串口107 、机上第二串口108 、机上传感器接口109 分别与微处理器Α 102相电路连接。

在地面电路板201上，地面板载电源204、地面第一串口205、地面第二串口206 、地面第三串口207 、地面遥控输入口208 和地面传感器接口209 分别与微处理器Β 202相电路连接。

需要说明的是，随着微处理器芯片技术的发展，上边所说的电路板上的某些电路外设部件可能已经集成到了芯片内部，因此这些电路及连接也可能是隐含在微处理器Α102或微处理器Β 202内部的；图2将上述与微处理器直接相连的外围接口部件明确画出来只是为了更清晰阐述系统架构的连接关系，并不意味着这些部件一定以分立形式存在于电路板上，它们也完全可以集成在芯片内部而实现同样的接口功能；这种集成可以通过芯片的技术说明明确界定而不影响本发明的权利要求范围。

在空中子系统1中，系留线缆多维受力传感器16和机上传感器接口109相连接；机上电源11 和机上板载电源104相连接；机载备用遥控接收机12 和机上遥控输入口105相连接；多旋翼飞行器自动驾驶仪13 分别和机上遥控输出口106、机上第一串口107 相连接；机载通信模块14 和机上第二串口108 相连接。

在地面子系统2中，线轮伺服电机驱动器22和地面第一串口205相连接；地面电源21 和地面板载电源204相连接；地面通信模块24 和地面第二串口206 相连接；地面站及车载控制器25 和地面第三串口207 相连接；地面遥控接收机26 和地面遥控输入口208 相连接；系留线缆张力传感器27 和地面传感器接口209 相连接。

除了以上电信号连接关系外，地面通信模块24还经由滑环连接器23连接有线通信介质15 的地面端，有线通信介质15的空中端连接机载通信模块14 ，从而完成连接空中子系统1 和地面子系统2 的有线通信链路。

在实施方案中也有对附图需要进一步说明的地方进行了文字说明解释。

具体实施方案：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案：

附图图2或图1中所述的系留线缆多维受力传感器16，它是一个三维拉力传感器及其配套变送器的组合，它的静态固定基座刚性连接在多旋翼飞行器的底部，而测力端与系留线缆连接器件刚性连接在一起，从而在系留线缆有一定张力绷紧时，此拉力传感器相互垂直的几个力分量的比例关系可以计算出系留线缆受力的矢量方向，空中综合控制器10 通过它感知系留线缆在空间的方位角从而提供一种在飞行高度低于线缆倾斜敏感高度Hj时测量飞行器和地面系留点偏移方位和偏移大小的手段；

在线缆绷紧到一定程度时，线缆受力的矢量方向可以看作是线缆在空间的倾斜角度，而飞行器距离线轮放线器的高度是可以实时测量得到的，因为系留线缆多维受力传感器16与飞行器是刚性固连，它的x,y,z三个坐标轴和飞行器的姿态是固定的已知关系，特别是当飞行器悬停时可看成俯仰角和横滚角都基本为0，偏航角也可以通过自动驾驶仪上的磁罗盘等传感器得到，因此通过简单的空间几何关系运算，就可计算出飞行器距离放线轮的偏离方位和偏离量大小。

但上述计算在实施中有些限制，一方面系留线缆是有重量的，而其绷紧的程度也受飞行器最大升力的影响，另外还有风的影响，这使得在线缆长度比较长时误差变大且灵敏度变差而不实用，但是在线缆长度较短时还是很有效的，我们根据实际经验设定一个这种算法可以使用的阈值，因为这种算法只在精准起飞降落或超低空跟随时才用，而这时的控制目标都是要让飞行器到达线轮正上方即线缆尽量垂直，因此我们就使用飞行器的高度来定义这个阈值，就是上面所述的线缆倾斜敏感高度Hj，这是个实际测得的经验值，它和传感器本身精度、线缆百米重量，线缆柔软程度和线缆的张力以及风速等因素有关，一般在5米到30米左右。

附图图2或图1中所述的系留线缆张力传感器27，它是一个多滑轮式的线绳张力传感器及其配套变送器的组合，它安装在地面系留缆线轮前端用来测量系留线缆的实时张力，地面综合控制器20 通过它感知系留缆绳的绷紧程度。

附图图2或图1中所述的线轮伺服电机驱动器22，它是一个具有串行通信接口的智能伺服电机控制驱动器，可以根据串口通信协议接受对伺服电机的参数设置和实时控制，地面综合控制器20 通过它实时控制线轮的收放方向、速度和转矩。

附图图2或图1中所述的多旋翼飞行器自动驾驶仪13，它是个具有遥控接口和串行通讯接口，具有自主定点悬停能力的通用多旋翼自动驾驶仪，但它的遥控接口不是直接接遥控接收机，而是通过机上遥控输出口106 接收空中综合控制器10 的遥控指令，它的串行通讯接口不是通过类似数传电台等远程通信设备接地面站，而是通过连接机上第一串口107 与空中综合控制器10 的微处理器Α102 双向交互信息，这种连接结构使得空中综合控制器10 可以完全替代人工自动的控制多旋翼飞行器自动驾驶仪13 ，也可以完全透明的转发人工控制指令和反馈信息。

附图图2或图1中所述的地面遥控接收机26和机载备用遥控接收机12，是通用的无人机无线遥控接收机，这两个接收机使用相同或兼容的型号，使得两者可以同时和同一个遥控器对频同时接收遥控指令；

机载备用遥控接收机12通过与其连接的机上遥控输入口105将其接收的遥控指令传送给微处理器Α102 ；

地面遥控接收机26通过与其连接的地面遥控输入口208将其接收的遥控指令传送给微处理器Β202 ，并由微处理器Β202 将其打包到有线通信传送的数据包内转发到微处理器Α102 ；

微处理器Α102通过上述电路连接关系同时取得经两路不同传输信道接收的同一遥控指令并对其优选后进一步处理。

上面已经从系统架构的角度详细说明了本系统的实施方案，下面再从控制方法角度对本发明的实施进行更深一层次的细节说明。

所述的车载系留多旋翼控制系统中的多旋翼飞行器自动驾驶仪13本身不需有控制系留多旋翼跟随车辆飞行和自主精准起飞、降落并同步自动收放系留线缆的功能，上述功能是由空中综合控制器10通过自动驾驶仪13上的串口和遥控口与其通信并智能控制它，同时通过有线通信与地面综合控制器20实时通信协同合作实现的，具体控制方法是：

空中综合控制器10有手动模式、自动模式和地面站模式三种工作模式，在自动模式下又分为自主起飞、自主降落、自动跟随和地面静止等四种工作状态，上述工作模式和工作状态可通过监视遥控输入的两个既定通道的值由遥控器设定：遥控器上的一个三档开关K1对应通道用于切换手动模式、自动模式和地面站模式，另一个三档开关K2对应通道用于切换自主起飞、自主降落和自动跟随工作状态(地面静止状态是在系统上电初始化完成或自主降落完成后自动进入），只有在K1为自动模式时K2才起作用，并且在飞行器正在空中飞行时切换到自主起飞无效，正在地面静止状态时切换到自主降落无效，在丢失遥控信号时默认K1在地面站模式。

在所述的手动模式下，微处理器Α102透明的转发仲裁优选后的遥控指令到自动驾驶仪(13)，透明的双向转发地面站到自动驾驶仪13的通信数据，从而实现纯手动的人工操控系留飞行器，此时地面综合控制器20根据系留线缆张力传感器27的值按恒定张力控制算法同步的收放线缆。

在所述的地面站模式下，微处理器Β202用接收自地面站摇杆的横滚、俯仰、偏航和油门通道的数据替代地面遥控接收机26的相应通道数据通过有线通信发送给微处理器Α 102并直接透明转发到自动驾驶仪13，从而实现用地面站摇杆纯手动的人工操控系留飞行器，其他同手动模式。

在所述的自动模式下，微处理器Α102按一定周期动态查询三档开关K2对应通道的状态值，当发现本次查询的状态值与上次查询不同时，就切换进入本次查询值对应的工作状态；

在所述的自动模式下，微处理器Α102把自己仿真为一个地面站通过串口与多旋翼飞行器自动驾驶仪13双向交换数据，取得当前自驾状态并发送诸如设置目标高度、目标位置、设置切换航点、返航等地面站控制指令且接收结果数据反馈，，同时还把自己仿真为一个遥控接收机，向自动驾驶仪13的遥控接收口发送根据一定算法自动生成的遥控指令实现小范围内对飞行器位置姿态的微调，从而实现控制飞行器的跟随车辆飞行和自主精准起飞、降落；

在由微处理器Α102进行高度和位置跟随控制的同时，由微处理器Β202根据系留线缆张力传感器27采集的数据，使用传统的恒张力控制算法，控制线轮同步收放线，使系留缆线绷紧并维持一定张力。

由于在自动模式下使用了上边所说的由线缆倾斜角度推算飞行器距离放线轮的偏离方位和偏离大小的算法，在既定的Hj下，一般情况下张力越大，测量线缆倾斜角度精度越高；因为在自主起飞、低空跟随和自主降落时对这种估算精度有不同要求，同时也考虑收线、放线的速度对张力控制的影响，在实施本方案时可以在不同工作状态设定不同的线缆绷紧张力，它们分别是：在低空跟随和维持悬停时的线缆张力Fx、在自主起飞等工作状态线轮放线时的张力Ff和在自主降落等工作状态线轮收线时的张力Fs，这三个值都是需要在实施中根据实验数据确定的经验值，和线缆特性、放线轮机械结构、飞机动力情况等多种因素相关。

下面着重介绍一下自动模式下各工作状态的具体控制流程和方法。

进入自主起飞工作状态的流程和控制方法是：

先判断是否从地面静止状态进入的，如果不是就直接返回原工作状态，如果是就向地面站及车载控制器25发指令进行起飞前的车载设备初始化化并取得起飞点坐标、飞行目标高度、默认上升速率等起飞参数，同时与自动驾驶仪13通信取得GPS定位状况等参数；

在车载设备和自驾都满足起飞条件后，向自动驾驶仪13发遥控指令解锁，并切换到自主悬停模式，然后逐渐加大油门，使飞行器起飞，并根据反馈回的高度和上升速率动态调节油门量保持飞行器平稳上升，同时通过线轮伺服电机驱动器22控制线轮同步放线，并使线缆绷紧保持放线张力Ff，同时通过系留线缆多维受力传感器16采集的信息计算判断系留缆的垂直程度，如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直；

在监测到飞行器上升超过线缆倾斜敏感高度Hj后，关闭线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调，在监测到飞行器上升到既定的飞行目标高度后，控制线轮停止放线，同时微调油门的大小，使系留缆线绷紧并维持悬停张力Fx，待飞行器悬停稳定后完成自主起飞，切换到自动跟随工作状态。

进入自主降落工作状态的流程和控制方法是：

先判断是否从地面静止状态进入的，如果是就仍然保持地面静止状态不变，否则就向地面站及车载控制器25发指令进行降落前的车载设备准备并取得降落点坐标、降落点高程、默认下降速率等降落参数；

在车载设备满足自动降落条件后，向自动驾驶仪13发遥控指令逐渐减小油门，使飞行器下降，并根据反馈回的高度和下降速率动态调节油门量保持飞行器平稳回落，同时通过线轮伺服电机驱动器22控制线轮同步收线，此时线缆仍保持悬停张力Fx；

在监测到飞行器下降到低于线缆倾斜敏感高度Hj后，开启线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调，并使线缆进一步绷紧保持收线张力Fs，同时通过系留线缆多维受力传感器16采集的信息计算判断系留缆的垂直程度，如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直；

在尽力保持线缆垂直的情况下继续微调油门控制飞行器按设定下降速率降低高度，直到检测到下降速率持续为零，并且车载设备发出着陆到位反馈后，向自动驾驶仪13发遥控指令收油停桨加锁完成自主降落，切换到地面静止状态。

进入自动跟随工作状态的流程和控制方法是：

如果是自主起飞或自主降落未完成而通过切换K2提前进入，则捕获当前高度作为新的飞行目标高度，中止原来起飞或降落流程提前转入自动跟随工作状态；

在自动跟随工作状态其飞行高度控制方法是：

自动驾驶仪13保持在自主悬停的工作模式，由自动驾驶仪13自动维持飞行器在飞行目标高度悬停，微处理器Α 102监测反馈回的实际高度值，当发现实际高度与飞行目标高度偏差超过既定值后微调油门遥控量进行修正；

其位置跟随控制方法是：

在实际飞行高度大于线缆倾斜敏感高度Hj时，主要使用传统的GPS坐标定位跟踪办法，即每隔一定周期通过地面站及车载控制器25取得车的GPS坐标并经由微处理器Β 202由有线通信信道传给微处理器Α 102，作为飞行器的新目标位置，而从自驾取得的飞行器当前GPS坐标为起始位置，由微处理器Α 102按传统算法解算出横滚和俯仰应给的遥控量，控制飞行器在保持高度情况下向车的位置移动；

在实际飞行高度不大于线缆倾斜敏感高度Hj时，主要使用线缆倾斜判断对飞行器水平位置进行调整，这时通过系留线缆多维受力传感器16采集的信息计算判断系留缆的倾斜方向和水平方向力的相对大小，根据在实验中实际测得的经验数值调整遥控输出的俯仰、横滚通道的控制量，控制飞行器向系留线缆倾斜减小的方向移动，宏观效果上看就像飞行器被系留线缆拖拽着跟随车飞。

经过上述从系统架构和控制方法两个角度对本发明的详细描述可以看出，本发明的实施，已经从基本架构和原理上解决了背景技术中的缺点和不足。

为了本领域的研发人员更深入的理解本控制系统架构的实施细节，下面介绍一下发明者本人实施的一个具体案例。

在本实施案例中，空中子系统1和地面子系统2之间的有线通信采用宽带电力载波方案，即：

机载通信模块14和地面通信模块24，各包含一只宽带电力载波模块(电力猫)，它们组成一对，可以通过电力载波按网络协议双向传输数据，而有线通信介质15就是由地面向飞行器传输电力的系留电缆，电力载波模块通过一个网络转串口的模块连接各自相对应的空中或地面综合控制器。

使用宽带电力载波通讯，比光纤通信的优势在于，它不用昂贵的光电滑环而只需普通的电滑环连接器，在系留线缆内也不需要添加光纤，能极大降低系统成本，也能降低因光纤的抗弯能力弱造成的系留线缆故障率。

本案例中上述电力猫采用ZDJ-P201J电力载波模块，它支持电力线网络协议，200M带宽；网络转串口模块采用ZQWL-EthRS-Z1；

在空中子系统1中，机载电路板101分为电源板和CPU板两块PCB板，呈上下两层叠放使用插针接插件连接，电源板上是由3片TPS5430及其电感等外围器件，组成3路DC/DC开关电源，分别提供3.3V、5V和9V直流电，这些电路组成系统中的机上板载电源104;

CPU板主要由一片ARMCortexM4微处理器STM32F405RGT6及其外围电路和AD采集前端电路、串口电平变换电路组成，其中STM32F405RGT6芯片作为微处理器Α 102，而机载控制固件103就是用keil C编写的控制程序代码，它编译后固化在这个芯片内部FLASH存储器中；机上第一串口107 使用这芯片的USART0，再外扩一片SP3232变换为RS232电平；机上第二串口108 直接使用这芯片的USART1用TTL电平信号；机上遥控输出口106 使用这芯片的UART5的TxD输出端口，外扩一个三极管反相器用来输出Sbus信号；机上遥控输入口105 使用这芯片的UART4的RxD输入口，外扩一个三极管反相器用来输入Sbus信号；机上传感器接口109使用这芯片的AD0上的3路分时输入AD接口，通过外扩一片LM324运放芯片进行模拟信号输入调理，以输入3路0-5V的传感器信号；

机上电源11使用一片BCM384F120T300大功率比例降压隔离电源模块，直接把系留电缆上的400V直流高压降为12V，可提供300W功率，为整个空中子系统和机载载荷供电；

系留线缆多维受力传感器16是直接从厂家定制的一种三维拉力传感器，它是铝合计圆柱形，参数指标是：

量程： Fz 20kg, Fx 10kg, Fy 10kg; 线性度： 0.1%F*S;

灵敏度： >1.0mv/V； 交感误差： <0.3%F*S;

重复误差：正负0.1%F*S； 温漂系数： 正负0.05%F*S/10度；

这个三维拉力传感器使用配套定制的变送器，输出为3路0-5V的模拟信号；

多旋翼飞行器自动驾驶仪13在本具体案列中选用某款型号为X4V2的入门级通用多旋翼自驾；

机载备用遥控接收机12选用一款DSSS&HFSS双跳频的无线遥控航模接收机，型号为RD9S，使用其兼容Sbus的接口通道输出遥控信号，配套的遥控器型号为AT9S ；

在地面子系统2中，地面电路板201也是电源板和CPU板两块PCB板，呈上下两层叠放使用插针接插件连接，电源板上是由3片TPS5430及其电感等外围器件，组成3路DC/DC开关电源，分别提供3.3V、5V和9V直流电，这些电路组成系统中的地面板载电源204;

CPU板也是由一片ARM CortexM4微处理器STM32F405RGT6 及其外围电路和AD采集前端电路、串口电平变换电路组成，其中STM32F405RGT6芯片作为微处理器Β 202，而地面控制固件203就是用keil C编写的控制程序代码，它编译后固化在这个芯片内部FLASH存储器中；地面第一串口205 使用这芯片的USART0，再外扩一片SP3232变换为RS232电平；地面第二串口206 直接使用这芯片的USART1用TTL电平信号；地面第三串口207 直接使用这芯片的USART2，再外扩一片SP3232变换为RS232电平；地面遥控输入口208 使用这芯片的UART4的RxD输入口，外扩一个三极管反相器用来输入Sbus信号；地面传感器接口209 使用这芯片的AD0上的1路分时输入AD接口，通过外扩一片LM324运放芯片进行模拟信号输入调理，以输入1路0-5V的传感器信号；

地面电源21 使用一片BCM384F120T300大功率比例降压隔离电源模块，直接从接系留电缆前的400V直流高压降为12V，可提供300W功率，供整个地面子系统和地面站用电；

地面遥控收机26 选用与机载备用遥控接收机12同样的DSSS&HFSS双跳频的无线遥控航模接收机，型号为RD9S；

线轮伺服电机控制器22 选用型号为RMDS-401有刷伺服电机驱动器，使用RS232电平的串口与地面综合控制器20 双向通信；

系留线缆张力传感器27 选用型号为JZHL-3型三滑轮张力传感器，其量程0-50N，综合精度0.05%F*S;

滑环连接器23 选用普通的4线10A电流的电滑环，两根线并为一根使用。

本发明旨在公开一种车载系留多旋翼控制系统架构及其控制方法，而不纠结于系统架构中某个部件如何选型、某行程序代码如何编写、以至于某颗螺钉用铜还是铝等等这样的实施中琐碎细节问题，以上具体实施案列只是为更清晰的介绍系统架构的实现方法，因为针对本发明的系统架构和控制方法，不同的开发者可以根据自己的经验和技术储备选择很多种具体型号的器件和软件编程风格，而且新的传感器和微处理器等器件也日新月异层出不穷，在此说明中没有必要也不可能一一罗列其具体型号。显然，本领域技术人员可以不脱离本发明的系统架构和控制方法在多种具体型号微处理器、传感器及执行机械设备以至于程序编程代码风格、人机界面画面这些方面选择组合出很多很多种实施实例，类似这类情况都不构成对本发明权利要求范围的限制。

另外特别申明，虽然本发明是基于车载系统的阐述，也还没有进行过其他载具（比如舰/船）上的实施实验，但倘若本领域技术人员在没有进行任何其他创造性改进而直接把本方案实施于其他载具并且有效，则这种载具的不同也不应构成对本发明本质性技术的改变。

通过本说明的公开，相信有从事车载系留多旋翼开发能力的本领域研发人员已获得充分的实施本专利权利要求范围内的技术信息。

Claims (10)

1.一种车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：

所述车载系留多旋翼控制系统架构，分为空中子系统(1)和地面子系统(2)两大部分，它们之间通过有线通信介质(15)相连接；

其中，空中子系统(1)包括：空中综合控制器(10)、机上电源(11)、机载备用遥控接收机(12)、多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)、机载通信模块(14)、有线通信介质(15)和系留线缆多维受力传感器(16)组成；

所述的空中综合控制器(10)，包括机壳(100)和装在它里边的机载电路板(101)；

所述的机载电路板(101)，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Α(102)和它内部固化的机载控制固件(103)、机上板载电源(104)、机上遥控输入口(105)、机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)、机上第二串口(108)和机上传感器接口(109)；

其中，地面子系统(2)包括：地面综合控制器(20)、地面电源(21)、线轮伺服电机驱动器(22)、滑环连接器(23)、地面通信模块(24)、地面站及车载控制器(25)、地面遥控接收机(26)、系留线缆张力传感器(27)组成；

所述的地面综合控制器(20)，包括机壳(200)和装在它里边的地面电路板(201)；

所述的地面电路板(201)，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Β(202)和它内部固化的地面控制固件(203)、地面板载电源(204)、地面第一串口(205)、地面第二串口(206)、地面第三串口(207)、地面遥控输入口(208)和地面传感器接口(209)；

上面所述电路板上的与微处理器Α(102)或微处理器Β(202)直接相连接的各接口电路部件，也可能集成到所述微处理器芯片的内部而实现同样的接口功能；

所述的系留线缆多维受力传感器(16)，它是一个三维拉力传感器及其配套变送器的组合，它的静态固定基座刚性连接在多旋翼飞行器的底部，而测力端与系留线缆连接器件刚性连接在一起，从而在系留线缆有一定张力绷紧时，此拉力传感器相互垂直的几个力分量的比例关系可以计算出系留线缆受力的矢量方向，空中综合控制器(10)通过它感知系留线缆在空间的方位角从而提供一种在飞行高度低于线缆倾斜敏感高度Hj时测量飞行器和地面系留点偏移方位和偏移大小的手段；

所述的系留线缆张力传感器(27)，它是一个线绳张力传感器及其配套变送器的组合，它安装在地面系留缆线轮前端用来测量系留线缆的实时张力，地面综合控制器(20)通过它感知系留缆绳的绷紧程度；

所述的线轮伺服电机驱动器(22)，它是一个具有串行通信接口的智能伺服电机控制驱动器，可以根据串口通信协议接受对伺服电机的参数设置和实时控制，地面综合控制器(20)通过它实时控制线轮的收放方向、速度和转矩。

2.根据权利要求1所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：

所述的系统架构中各部件间电(或光)信号连接关系是：

在机载电路板(101)上，机上板载电源(104)、机上遥控输入口(105)、机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)、机上第二串口(108)、机上传感器接口(109)分别与微处理器Α(102)相电路连接;

在地面电路板(201)上，地面板载电源(204)、地面第一串口(205)、地面第二串口(206)、地面第三串口(207)、地面遥控输入口(208)和地面传感器接口(209)分别与微处理器Β(202)相电路连接;

在空中子系统(1)中，系留线缆多维受力传感器(16)和机上传感器接口(109)相连接；机上电源(11)和机上板载电源(104)相连接；机载备用遥控接收机(12)和机上遥控输入口(105)相连接；多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)分别和机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)相连接；机载通信模块(14) 和机上第二串口(108)相连接；

在地面子系统(2)中，线轮伺服电机驱动器(22)和地面第一串口(205)相连接；地面电源(21)和地面板载电源(204)相连接；地面光端机(24)和地面第二串口(206)相连接；地面站及车载控制器(25)和地面第三串口(207)相连接；地面遥控接收机(26)和地面遥控输入口(208)相连接；系留线缆张力传感器(27)和地面传感器接口(209)相连接；

除了以上电信号连接关系外，地面通信模块(24)还经由滑环连接器(23)连接有线通信介质(15)的地面端，有线通信介质(15)的空中端连接机载通信模块(14)，从而完成连接空中子系统(1)和地面子系统(2)的有线通信链路。

3.根据权利要求1或2所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：

所述的多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)，它是个具有遥控接口和串行通讯接口，具有自主定点悬停能力的通用多旋翼自动驾驶仪，但它的遥控接口不是直接接遥控接收机，而是通过机上遥控输出口(106)接收空中综合控制器(10)的遥控指令，它的串行通讯接口不是通过类似数传电台等远程通信设备接地面站，而是通过连接机上第一串口(107)与空中综合控制器(10)的微处理器Α(102)双向交互信息，这种连接结构使得空中综合控制器(10)可以完全替代人工自动的控制多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)，也可以完全透明的转发人工控制指令和反馈信息。

4.根据权利要求1或2所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：

所述的地面遥控接收机(26)和机载备用遥控接收机(12)，是通用的无人机无线遥控接收机，这两个接收机使用相同或兼容的型号，使得两者可以同时和同一个遥控器对频同时接收遥控指令；

机载备用遥控接收机(12)通过与其连接的机上遥控输入口(105)将其接收的遥控指令传送给微处理器Α(102)；

地面遥控接收机(26)通过与其连接的地面遥控输入口(208)将其接收的遥控指令传送给微处理器Β(202)，并由微处理器Β(202)将其打包到有线通信传送的数据包内转发到微处理器Α(102)；

微处理器Α(102)通过上述电路连接关系同时取得经两路不同传输信道接收的同一遥控指令并对其优选后进一步处理。

5.根据权利要求3所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：

所述的地面遥控接收机(26)和机载备用遥控接收机(12)，是通用的无人机无线遥控接收机，这两个接收机使用相同或兼容的型号，使得两者可以同时和同一个遥控器对频同时接收遥控指令；

机载备用遥控接收机(12)通过与其连接的机上遥控输入口(105)将其接收的遥控指令传送给微处理器Α(102)；

地面遥控接收机(26)通过与其连接的地面遥控输入口(208)将其接收的遥控指令传送给微处理器Β(202)，并由微处理器Β(202)将其打包到有线通信传送的数据包内转发到微处理器Α(102)；

微处理器Α(102)通过上述电路连接关系同时取得经两路不同传输信道接收的同一遥控指令并对其优选后进一步处理。

6.一种车载系留多旋翼控制系统控制方法，其特征在于：

所述的车载系留多旋翼控制系统中的多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)本身不需有控制系留多旋翼跟随车辆飞行和自主精准起飞、降落并同步自动收放系留线缆的功能，上述功能是由空中综合控制器(10)通过自动驾驶仪(13)上的串口和遥控口与其通信并智能控制它，同时通过有线通信与地面综合控制器(20)实时通信协同合作实现的，具体控制方法是：

空中综合控制器(10)有手动模式、自动模式和地面站模式三种工作模式，在自动模式下又分为自主起飞、自主降落、自动跟随和地面静止等四种工作状态，上述工作模式和工作状态可通过监视遥控输入的两个既定通道的值由遥控器设定：遥控器上的一个三档开关K1对应通道用于切换手动模式、自动模式和地面站模式，另一个三档开关K2对应通道用于切换自主起飞、自主降落和自动跟随工作状态(地面静止状态是在系统上电初始化完成或自主降落完成后自动进入），只有在K1为自动模式时K2才起作用，并且在飞行器正在空中飞行时切换到自主起飞无效，正在地面静止状态时切换到自主降落无效，在丢失遥控信号时默认K1在地面站模式；

在所述的手动模式下，微处理器Α(102)透明的转发仲裁优选后的遥控指令到自动驾驶仪(13)，透明的双向转发地面站到自动驾驶仪(13)的通信数据，从而实现纯手动的人工操控系留飞行器，此时地面综合控制器(20)根据系留线缆张力传感器(27)的值按恒定张力控制算法同步的收放线缆；

在所述的地面站模式下，微处理器Β(202)用接收自地面站摇杆的横滚、俯仰、偏航和油门通道的数据替代地面遥控接收机(26)的相应通道数据通过有线通信发送给微处理器Α(102)并直接透明转发到自动驾驶仪(13)，从而实现用地面站摇杆纯手动的人工操控系留飞行器，其他同手动模式；

在所述的自动模式下，微处理器Α(102)按一定周期动态查询三档开关K2对应通道的状态值，当发现本次查询的状态值与上次查询不同时，就切换进入本次查询值对应的工作状态；

在所述的自动模式下，微处理器Α(102)把自己仿真为一个地面站通过串口与多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)双向交换数据，取得当前自驾状态并发送诸如设置目标高度、目标位置、设置切换航点、返航等地面站控制指令且接收结果数据反馈，，同时还把自己仿真为一个遥控接收机，向自动驾驶仪(13)的遥控接收口发送根据一定算法自动生成的遥控指令实现小范围内对飞行器位置姿态的微调，从而实现控制飞行器的跟随车辆飞行和自主精准起飞、降落；

在由微处理器Α(102)进行高度和位置跟随控制的同时，由微处理器Β(202)根据系留线缆张力传感器(27)采集的数据，使用传统的恒张力控制算法，控制线轮同步收放线，使系留缆线绷紧并维持一定张力。

7.根据权利要求6所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法，其特征在于：

进入自动跟随工作状态的流程和控制方法是：

如果是自主起飞或自主降落未完成而通过切换K2提前进入，则捕获当前高度作为新的飞行目标高度，中止原来起飞或降落流程提前转入自动跟随工作状态；

在自动跟随工作状态其飞行高度控制方法是：

自动驾驶仪(13)保持在自主悬停的工作模式，由自动驾驶仪(13)自动维持飞行器在飞行目标高度悬停，微处理器Α(102)监测反馈回的实际高度值，当发现实际高度与飞行目标高度偏差超过既定值后微调油门遥控量进行修正；

其位置跟随控制方法是：

在实际飞行高度大于线缆倾斜敏感高度Hj时，主要使用传统的GPS坐标定位跟踪办法，即每隔一定周期通过地面站及车载控制器(25)取得车的GPS坐标并经由微处理器Β(202)由有线通信信道传给微处理器Α(102)，作为飞行器的新目标位置，而从自驾取得的飞行器当前GPS坐标为起始位置，由微处理器Α(102)按传统算法解算出横滚和俯仰应给的遥控量，控制飞行器在保持高度情况下向车的位置移动；

在实际飞行高度不大于线缆倾斜敏感高度Hj时，主要使用线缆倾斜判断对飞行器水平位置进行调整，这时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的倾斜方向和水平方向力的相对大小，根据在实验中实际测得的经验数值调整遥控输出的俯仰、横滚通道的控制量，控制飞行器向系留线缆倾斜减小的方向移动，宏观效果上看就像飞行器被系留线缆拖拽着跟随车飞。

8.根据权利要求6或7所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法，其特征在于：

进入自主起飞工作状态的流程和控制方法是：

先判断是否从地面静止状态进入的，如果不是就直接返回原工作状态，如果是就向地面站及车载控制器(25)发指令进行起飞前的车载设备初始化化并取得起飞点坐标、飞行目标高度、默认上升速率等起飞参数，同时与自动驾驶仪(13)通信取得GPS定位状况等参数；

在车载设备和自驾都满足起飞条件后，向自动驾驶仪(13)发遥控指令解锁，并切换到自主悬停模式，然后逐渐加大油门，使飞行器起飞，并根据反馈回的高度和上升速率动态调节油门量保持飞行器平稳上升，同时通过线轮伺服电机驱动器(22)控制线轮同步放线，并使线缆绷紧保持放线张力Ff，同时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的垂直程度，如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直；

在监测到飞行器上升超过线缆倾斜敏感高度Hj后，关闭线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调，在监测到飞行器上升到既定的飞行目标高度后，控制线轮停止放线，同时微调油门的大小，使系留缆线绷紧并维持悬停张力Fx，待飞行器悬停稳定后完成自主起飞，切换到自动跟随工作状态。

9.根据权利要求6或7所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法，其特征在于：

进入自主降落工作状态的流程和控制方法是：

先判断是否从地面静止状态进入的，如果是就仍然保持地面静止状态不变，否则就向地面站及车载控制器(25)发指令进行降落前的车载设备准备并取得降落点坐标、降落点高程、默认下降速率等降落参数；

在车载设备满足自动降落条件后，向自动驾驶仪(13)发遥控指令逐渐减小油门，使飞行器下降，并根据反馈回的高度和下降速率动态调节油门量保持飞行器平稳回落，同时通过线轮伺服电机驱动器(22)控制线轮同步收线，此时线缆仍保持悬停张力Fx；

在监测到飞行器下降到低于线缆倾斜敏感高度Hj后，开启线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调，并使线缆进一步绷紧保持收线张力Fs，同时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的垂直程度，如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直；

在尽力保持线缆垂直的情况下继续微调油门控制飞行器按设定下降速率降低高度，直到检测到下降速率持续为零，并且车载设备发出着陆到位反馈后，向自动驾驶仪(13)发遥控指令收油停桨加锁完成自主降落，切换到地面静止状态。

10.根据权利要求9所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法，其特征在于：

进入自主起飞工作状态的流程和控制方法是：

先判断是否从地面静止状态进入的，如果不是就直接返回原工作状态，如果是就向地面站及车载控制器(25)发指令进行起飞前的车载设备初始化化并取得起飞点坐标、飞行目标高度、默认上升速率等起飞参数，同时与自动驾驶仪(13)通信取得GPS定位状况等参数；

在车载设备和自驾都满足起飞条件后，向自动驾驶仪(13)发遥控指令解锁，并切换到自主悬停模式，然后逐渐加大油门，使飞行器起飞，并根据反馈回的高度和上升速率动态调节油门量保持飞行器平稳上升，同时通过线轮伺服电机驱动器(22)控制线轮同步放线，并使线缆绷紧保持放线张力Ff，同时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的垂直程度，如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直；

在监测到飞行器上升超过线缆倾斜敏感高度Hj后，关闭线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调，在监测到飞行器上升到既定的飞行目标高度后，控制线轮停止放线，同时微调油门的大小，使系留缆线绷紧并维持悬停张力Fx，待飞行器悬停稳定后完成自主起飞，切换到自动跟随工作状态。