CN107179778B - 具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机控制及监视领域,尤其是一种具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法及装置。本发明以GPS秒脉冲为基准随机产生震荡时间;将卫星发送的射频信号处理成NEMA0183格式的GPS报文,并对该GPS报文解析封装处理后存储在ADS‑B广播数组中;同时将该无人机通过空速计采集的速度信息以及该无人机的ID信息同时存储在ADS‑B广播数组中;根据L波段天线是否被L波段数传电台占用以及震荡时间产生触发信号根据触发信号控制射频开关切换,使得1090M发射机或L波段数传电台通过射频开关与L波段天线天线连接,在保障无人机飞行控制功能的前提下完成无人机自动相关监视功能。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制及监视领域,尤其是一种具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法及装置。
背景技术
无人机在军事打击、军事侦查、航空摄影、遥测遥感、资源勘探、农药喷洒等领域有着广阔的应用前景。而飞行控制系统是无人机最核心的部分,目前美国UAV FlightSystems公司开发出AP50飞行控制系统具有飞行增稳控制和导航任务控制两个主要的功能,Micropilot出产的世界上最小的自动驾驶仪MP2028,具有体积小、功耗低的优点。北京航空航天大学自行研制的iFLY40飞控系统内部集成了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计,内部采用捷联导航算法,提高了姿态控制精确性。
广播式自动相关监视(ADS-B)系统能够实时和准确的提供航空器位置、速度、航班号等状态信息,现已被ICAO确定为未来监视系统发展的主要方向。NASA的UTM项目中在Lancaster固定翼无人机上加装ADS-B OUT设备验证无人机监视功能。四川九洲空管科技有限责任公司生产便携式ADS-B终端设备已在无人机、直升机上加装,并进行了相关实验,实现地空监视功能。
由于无人机具有体积小、重量轻、带载能力有限的特点,因此需要降低配套的机载设备的体积、重量,同时需要减少舱内设备间交互的信号线。传统方案中飞行控制装置与ADS-B OUT设备作为的两个独立的设备安装在无人机上,增大机载设备的重量和体积。同时两套设备分别具有两套独立的电源模块、收发模块以及信号处理板模块增加了设备的成本。飞行控制装置采用数传电台与地面遥控端进行通信,为了保证飞机在转弯、俯仰等姿态变换过程中机体对信号的遮挡问题,往往对天线安装的位置有要求,而ADS-B发射装置的天线存在同样问题,所以两个分离天线的安装增加了设备布线的复杂性,影响了飞行控制装置和自动相关监视装置与地面设备的通信性能。无人机飞行控制装置信号处理软件在航迹规划、导航滤波等算法过程中需要GPS信号输入的位置、时间信息,同时将位置信息下发到地面遥控端。ADS-B发射装置广播本机位置、速度、航向、识别标识等飞机四维信息,需要高精度GPS信息。由于现有ADS-B发射设备与无人机飞行控制设备获取GPS信息源不同,造成地面航管监控系统与地面无人机控制系统获得的无人机位置、时间的不一致,这不利于无人机飞行管理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对针对无人机体积小、重量轻、带载能力有限等问题,提供一种具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法及装置。
本发明采用的技术方案如下:
一种具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法包括:
通过卫星发送的秒脉冲信号随机产生震荡时间;
将卫星发送的射频信号处理成NEMA0183格式的GPS报文,并对该GPS报文解析封装处理后存储在ADS-B广播数组中;同时将该无人机通过空速计采集的速度信息以及该无人机的ID信息同时存储在ADS-B广播数组中;
根据L波段天线是否被L波段数传电台占用以及震荡时间产生触发信号,根据触发信号控制射频开关切换,使得1090M发射机或L波段数传电台通过射频开关与L波段天线天线连接,对应实现无人机飞行控制的前提下完成无人机自动相关监视功能。
进一步的,所述震荡信号是处理单元的FPGA以秒脉冲信号为基准,以飞行器地址唯一标示S模式地址作为输入源,通过随机码生成算法得到的。
进一步的,所述GPS报文解析封装的过程是通过处理单元的微处理器进行。
进一步的,触发信号的产生过程是:
判断无人机飞行过程中,L波段数传电台是否正在通过L波段天线发射或接受数据,当L波段数传电台未通过L波段天线工作时且达到FPGA产生的震荡时间时,则FPGA产生触发信号;否则,无人机飞行控制参数通过处理单元微处理器处理后通过数传电台经由L波段天线发送给地面无人机控制站地面无人机控制站通过L波段天线将控制指令发送至L波段数传电台,同时FPGA不产生触发信号;无人机飞行控制参数包括ADS-B广播数组中的信息、无人机加速度信息以及姿态信息。
进一步的,无人机飞行控制参数通过L波段数传电台经由L波段天线输出至无人机底面控制站ADS-B广播数组通过1090M发射机经由L波段天线进行广播或者使得。
进一步的,ADS-B广播数组通过1090M发射机经由L波段天线进行广播之前,1090M发射机对该ADS-B广播数组信息进行PPM调制及放大。
进一步的,具有自动相关监视功能的无人机控制装置包括:
ADS-B自动相关监视数据采集模块,用于根据GPS模块及空速计采集相关参数;
无人机飞行控制参数采集模块,用于GPS模块、空速计采集的数据、加速度信息以及姿态信息形成的无人机飞行控制参数;
处理单元,用于通过微处理器接收ADS-B自动相关监视数据采集模块形成ADS-B广播数组;同时接收无人机飞行控制参数;并根据GPS模块接收的秒脉冲产生震荡信号;根据L波段天线是否被L波段数传电台占用以及震荡时间产生触发信号,根据触发信号控制射频开关切换,使得1090M发射机或L波段数传电台通过射频开关与L波段天线天线连接,对应实现无人机飞行控制的前提下完成无人机自动相关监视功能。
进一步的,触发信号的产生过程是:判断无人机飞行过程中,L波段数传电台是否正在通过L波段天线发射或接受数据,当L波段数传电台未通过L波段天线工作时且达到FPGA产生的震荡时间时,则FPGA产生触发信号;否则,无人机飞行控制参数通过处理单元微处理器处理后通过数传电台经由L波段天线发送给地面无人机控制站地面无人机控制站通过L波段天线将控制指令发送至L波段数传电台,同时FPGA不产生触发信号;无人机飞行控制参数包括ADS-B广播数组中的信息、无人机加速度信息以及姿态信息。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明中整个装置电源采用高性能、大电流开关电源,处理单元选用CPU+FPGA架构同时完成无人机飞行控制功能与ADS-B自动相关监视功能。
针对现有技术无人机机体对天线遮挡引起天线安装问题,本发明采用一体化L波段天线,利用1090M发射机(发射1090Mhz等航管信号的发射装置)的发射特点,通过切换射频开关使L波段天线能够接受和发射L波段数传电台射频信号,同时能够发射ADS-B广播数组信号。因为只有一个天线,天线可安装在飞机机头位置,能够有效避免飞机姿态变化所带来的信号遮挡问题。
针对传统方案中地面航管监控系统与地面无人机控制系统获得的无人机位置、时间的不一致问题,本发明采用高精度实时差分GPS模块同时作为ADS-B自动相关监视功能的信号源和无人机飞行控制功能导航信息处理的信号源,保证了地面航管监控站与地面无人机控制站位置、时间信息的一致性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是本装置原理框图。
图2为本发明中ADS-B自动相关监视功能的实现流程图;
图3为本发明ADS-B中自动相关监视功能中GPS报文处理实现流程图;
图4为本发明中的无人机飞行控制实现流程图;
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明相关说明:
1、GPS报文和空速计数据构成ADS-B自相关监视功能的外部数据源。
2、微处理器和FPGA实现ADS-B数据编码功能和飞行控制数据处理功能。微处理器和FPGA之间通过数据总线进行数据传递。
3、GPS模块是具有高精度实时差分的GPS芯片。其中GPS接收的射频信号,经过处理形成秒脉冲(所述秒脉冲是通过GPS模块采集卫星发送的,并通过处理单元的微处理器传输给处理单元的FPGA);设置低电平或者高电平有效;是GPS模块与微处理器通过离散线直连,传递给微处理器;GPS模块通过卫星接收包括无人机自动相关监视功能部分参数的射频信号,通过RS232等方式与微处理器连接,将包括无人机自动相关监视功能部分参数(该参数中包含速度信号,是相对于地面的运动速度,区别与空速计采集的速度信息)的射频数据发送给微处理器。
4、加速度计、陀螺仪、空速计、GPS模块采集的数据构成了无人机飞行控制功能的外部数据源,L波段数传电台完成了与地面无人机控制站的数据交互。微处理器和FPGA完成了数据处理与控制信号的输出功能。
GPS模块和空速计采集的数据构成了ADS-B自动相关监视功能的外部数据源。1090M发射机完成了基带信号的调制,微处理器和FPGA完成了数字信号的处理。
ADS-B数据编码功能是:通过采集各类传感器(GPS芯片、空速计等传感器)的数据,形成自相关监控参数。
飞行控制数据处理功能是:通过采集来自用户的无人机控制命令及各类传感器(GPS芯片、空速计、陀螺仪以及加速度计等传感器)的数据。
工作过程:
1、本发明设备中自动相关监视功能的实现流程图,如图2所示,包括以下步骤:
步骤101、高精度实时差分GPS模块接收射频信号,经过处理形成秒脉冲,低电平有效;
步骤102、FPGA以秒脉冲作为基准,以无人机地址唯一标示(地址唯一标示就是S模式地址)作为输入源,采用m序列随机码生成算法在1s内随即产生震荡时间,其中位置、速度报文震荡时间0.4~0.6秒/次、飞机识别号和其他状态报文震荡时间4.8~5.2秒/次;
步骤103、由于1090M发射机与L波段数传电台共用L波段天线,而且具有自动相关监视功能的无人机飞行控制功能与地面无人机控制站的通信优先级高于自动相关监视功能,所以1090M发射机进行ADS-B广播数组广播需在L波段电台通信完成后产生触发信号后,使用L波段天线;
步骤104、FPGA根据触发信号,以外部中断的方式,采用高速数据总线从微处理器获得ADS-B原始报文数据,并对原始报文数据进行CRC校验,把校验结果添加在GPS报文数据后端,形成112bit原始报文;
步骤105、对FPGA原始112bit的原始报文数据进行PPM调制,使用功放管进行小型化二级线性放大,使得1090M发射机的发射端口信号功率达到14.8dbw;
步骤106、通常情况下,L波段天线端口与L波段数传电台射频端口相连,当1090M发射机发射时需要FPGA产生触发信号,控制射频开关切换,将L波段天线与1090M发射机射频端相连发射ADS-B广播数组中的数据;
2、GPS报文解析封装的过程是通过处理单元的微处理器进行。具体过程是:
步骤107、GPS模块采集卫星发送的射频信号,经过基带信号处理形成标准NEMA0183格式GPS报文以串口的方式进行输出;
步骤108、微处理器通过判断报文头的方式,筛选出“GGA”报文和“RMC”报文并将结果存储到缓冲区内;
步骤109、对“GGA”报文格式进行解码,计算出本机经度、纬度、高度信息;
步骤110、对“RMC”报文格式进行解码,计算出本机东西速度、南北速度信息;
步骤111、根据无人机的经纬度编码数据的高位比特总是保持不变原则,采用CPR编码算法,将无人机位置信息编码分为偶编码、奇编码两种格式,并交替发送这两种编码格式,此时的经纬度位置数据项减少为35bits(包括17bits经度数据项、17bits纬度数据项和1bitCPR奇偶性标志位数据);
步骤112、高度数据采用雷达高度编码格式。D2D4A1A2A4B1B2B4C1C2C4,如果无人机高度小于50175英尺,Q位为1,采用增量为25英尺的编码方式;如果无人机高度大于50175英尺,Q位为0,采用100英尺的增量方式。
步骤113、具有速度分量信息的编码要求把速度拆分为东西速度分量和南北速度分量,编码方式采用二进制编码,每个分量占12个bit位。
步骤114、将经纬度、高度、速度、S模式地址等编码信息存储在下ADS-B广播数组中,等待FPGA产生外部中断,触发ADS-B广播数组下传。
3、无人机飞行控制过程是:
步骤115:建立无人机运动学模型:利用地面坐标系、机体坐标系和速度坐标系来描述飞行器飞行状态以及受力和力矩的关系。通过分析飞行器的受力和力矩旋转关系,推导力学公式和力矩公式,分别在纵轴、横轴和竖轴方向进行分解,建立无人机运动学模型;CPU对加速度计、陀螺仪、气压计、GPS传感器进行上电配置,完成初始化及校准相关工作。
步骤116:处理单元的微处理器对无人机飞行控制参数进行处理滤波处理(滤波处理指的是卡尔曼滤波消除传感器的信息的常值漂移和随机漂移),然后通过四元数法建立四个线性微分方程组,对无人机飞行过程中姿态信息(陀螺仪采集的姿态信息,因为陀螺仪的角速度是个电压信息,则需要进行结算)进行解算;
对解算后无人机飞行控制参数(无人机飞行控制参数包括结算后的姿态信息、速度信息、加速度信息以及位置信息)下发,并接收地面无人机控制站的操控命令;(具体L波段数传电台通过射频开关与L波段天线连通,向地面无人机控制站上报无人机控制参数信息,同时接收地面无人机控制站的操控指令;即微处理器中无人机飞行控制参数通过FPGA、L波段数传电台(L波段的数传电台)、射频开关以及L波段天线传递给地面无人机控制站);
根据所述无人机运动学模型以及飞行控制参数,采用PID控制算法对横行控制、纵向控制以及转弯控制进行计算;(运动的物体都具有惯性,所以控制上要不断依据反馈来调整控制参数,即PID控制;自动驾驶仪需要接受地面控制站的命令:例如保持直线飞行,爬升或下降。算法根据运行学模型的控制规律根据当前状态和操作命令控制舵机);
根据控制计算结果及地面控制指令生成对驼机控制的PWM信号。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法,其特征在于包括:
通过GPS模块采集的秒脉冲信号随机产生震荡时间;
将卫星发送的射频信号处理成NEMA0183格式的GPS报文,并对该GPS报文解析封装处理后存储在ADS-B广播数组中;同时将该无人机通过空速计采集的速度信息以及该无人机的ID信息同时存储在ADS-B广播数组中;
根据L波段天线是否被L波段数传电台占用以及震荡时间产生触发信号,根据触发信号控制射频开关切换,使得1090M发射机或L波段数传电台通过射频开关与L波段天线连接,对应实现保障无人机飞行控制功能的前提下完成无人机自动相关监视功能;
触发信号的产生过程是:
判断无人机飞行过程中,L波段数传电台是否正在通过L波段天线发射或接受数据,当L波段数传电台未通过L波段天线工作时且达到FPGA产生的震荡时间时,则FPGA产生触发信号;否则,无人机飞行控制参数通过处理单元微处理器处理后通过数传电台经由L波段天线发送给地面无人机控制站,地面无人机控制站通过L波段天线将控制指令发送至L波段数传电台,同时FPGA不产生触发信号;无人机飞行控制参数包括解析后的GPS报文信息、空速计采集的无人机速度信息、无人机加速度信息以及姿态信息。
2.根据权利要求1所述的具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法,其特征在于所述震荡时间是处理单元的FPGA以秒脉冲信号为基准,以飞行器地址唯一标示S模式地址作为输入源,通过随机码生成算法得到的。
3.根据权利要求1所述的具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法,其特征在于所述GPS报文解析封装的过程是通过处理单元的微处理器进行。
4.根据权利要求1所述的具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法,其特征在于无人机飞行控制参数通过L波段数传电台经由L波段天线输出至无人机地面控制站,ADS-B广播数组通过1090M发射机经由L波段天线进行广播。
5.根据权利要求1所述的具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法,其特征在于ADS-B广播数组通过1090M发射机经由L波段天线进行广播之前,1090M发射机对该ADS-B广播数组信息进行PPM调制及放大。
6.基于权利要求1至5之一所述具有自动相关监视功能的无人机飞行控制方法的控制装置,其特征在于包括:
ADS-B自动相关监视数据采集模块,用于根据GPS模块及空速计采集相关参数;
无人机飞行控制参数采集模块,用于GPS模块、空速计采集的数据、加速度信息以及姿态信息形成的无人机飞行控制参数;
处理单元,用于通过微处理器接收ADS-B自动相关监视数据采集模块形成ADS-B广播数组;同时接收无人机飞行控制参数;并根据GPS模块接收的秒脉冲产生震荡信号;根据L波段天线是否被L波段数传电台占用以及震荡时间产生触发信号,根据触发信号控制射频开关切换,使得1090M发射机或L波段数传电台通过射频开关与L波段天线连接,对应实现保障无人机飞行控制功能的前提下完成无人机自动相关监视功能。
7.根据权利要求6所述的控制装置,其特征在于触发信号的产生过程是:判断无人机飞行过程中,L波段数传电台是否正在通过L波段天线发射或接受数据,当L波段数传电台未通过L波段天线工作时且达到FPGA产生的震荡时间时,则FPGA产生触发信号;否则,无人机飞行控制参数通过处理单元微处理器处理后通过数传电台经由L波段天线发送给地面无人机控制站,地面无人机控制站通过L波段天线将控制指令发送至L波段数传电台,同时FPGA不产生触发信号。
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