CN107908194A - 一种手掷式无人飞行系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种手掷式无人飞行系统，包括一手掷式无人飞行器及一遥控监视器，此手掷式无人飞行器包括飞行器本体、动力装置、飞行控制器及双模式无线收发器，此遥控监视器包括遥控监视模组及操控界面。手掷式无人飞行器可采用手掷方式以获得初步动力而脱离地面，利用飞行控制器控制动力装置以提供适当推力而飞行，无线收发器而与通控监视模组进行控制信号及资料的传输，利用操控界面经遥控监视模组而对手掷式无人飞行器进行远端遥控及监视，此手掷式无人飞行器不需起飞跑道而能很方便的进行飞行，因而改善使有的便利性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特指一种手掷式无人飞行系统。
背景技术
无人飞行载具(Unmanned Aeria1 Vehicle， UAV)的发展已经有几十年的历史，由最初具遥控功能之被动控制转向全方位的自主控制。一般包括固定翼机(Fixed wing)与旋翼机(Rotary wing)两类。随着相关科技的发展，无人飞行载具的功能愈趋多元化。无人飞行载具可用于气候观测、精密农业、电影拍摄、海岸巡防与科学实验等民生科技领域，以及侦査、监视、通讯、导航、欺敌、定位控制、 把机、搜救与全天候攻击等用途。
目前在航空载具及重要零组件具有完整的设计、生产、制造能力，且提供相当完整的产品线，比如伺服器、控制器等，基本上局限于远端遥控娯乐或竞技等用途。由于此类模型飞机系统多需要专业飞控技巧方能熟线飞行，因此使用对象较为固定。有些无人飞行载具的设计需仰赖使用者的操作技巧方能熟练飞行，比如需目视无人飞行载具以调整飞行姿态，但在目视不良的操作环境下很难正确的进行操控。例如，台湾专利号第226999号揭露一种无人载具飞控模拟及测系统架构，如图1范例所示，此系统架构100包括一飞行控制计算机110、一界面环境模拟系统120、一六自由度飞行模拟系统130、以及一视效显示系统 140。其可透过界面环境模拟系统120对飞行控制计算机110下达各种操控指令，并将六自由度飞行模拟系统 130所提供飞机动态资料经由界面环境模拟系统 120 的感测器元件模拟后送至飞行控制计算机110，飞控制计算机110及依据所设计的飞行控制率计算飞机各控制面及油门角度，并将各控制面及油门角度命令透过界面环境模拟系统 120 的各控制面及油门服务器模组模拟后，送至六自由度飞行模拟系统130以进行飞机姿态变化的计算，并从视效显示系统中了解飞行控制计算机是否能依照设计需求精准无误的控制飞机。
具自主飞行的无人飞行载具一般使用引擎当作动力来源，使用引擎当作动力来源之自主飞行载具虽可提高飞行速度，但整体重量过重，无法采用手掷抛射方式以进行离地飞行，进而需要起降跑道，大幅限制其应用领域。
目前前市面已有许多市售系统，如MicroPi1ot或Cap C1oud等公司产品，均提供完整导航方案，这些产品偏重于高阶控制，不适宜低阶的客制化调整，而且通常价格也不便宜，不适宜一般非专业或运动、娯乐等市场。商用市场上如智飞飞鱼系统，其飞控计算机采用自行开发的系统。其它自行设计载具因飞控系统采用 MicroPi1ot产品，则较无完整单一产品。因此，需要一种低成本的智能型具高整合性功能且能以手掷方式进行起飞的无人飞行系统，同时配合高度计、差压计、全球定位模组、陀螺仪、三轴加速感测模组，并由内建的单晶片以控制无入飞行载具的飞行姿势、飞行路径、飞行速度，同时具有短距离操作模式及长距离操作模式，达到省电并延长滞空飞行时间的目的，同时可接收由使用者采用遥控监视器所传送的飞行指令，来改变飞行方式的功能或传送所需资料或影像至遥控监视器 ，以解决上述已知技术的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种不需起飞跑道、可直接由使用者利用手掷力量以抛投方式而离地起飞手掷式无人飞行系统。
为实现上述目的本发明提供一种手掷式无人飞行系统，包括一手掷式无人飞行器，该手掷式无人飞行器还包括：一动力装置，包括至少一螺旋桨、一无刷高扭力马达及一高效能电池，其中该至少一螺旋桨由该无刷高扭力马达驱动，该高效能电池提供无刷高扭力马达所需之电力；一无线收发器，具有一短距离操作模式及一长距离操作模式，分别用以在短距离及长距离进行无线传输； 一感测模组，包括复数个感测器，分别用以产生个别的感测信号； 一制动模组，包括复数个制动器，分别用以调整该主翼及该副翼； 一飞行器本体，包括机体、主翼及副翼，该飞行器本体承载该动力装置，并包覆该飞行控制器、该无线收发器、该感测模组及该制动模组，以提供保护作用；以及一飞行控制器，执行所包含的一韧体程式，并接收该感测模组的感测信号，以控制该动力装置及该制动模组；一遥控监视器，该遥控监视器还包括：一操控界面，用以输入控制指令或控制信号；以及一遥控监视模组，用以将该操控界面的控制指令或控制信号，以一无线方式传送至该无线收发器，且该遥控监视模组具有一短距离操作模式及一长距离操作模式，分别用以在短距离及长距离对该无线收发器进行相对应的无线傅输；其中该手掷式无人飞行器以一手掷方式抛射而离地起飞，该飞行控制器、该无线收发器及该感测模组设置在一印刷电路板上，该手掷式无人飞行器在无人控制下进行飞行。
其中该机体及该副翼以碳纤维材质来制造，以玻璃纤维作为该主翼的材质，并以一种碳纤棒来加强该主翼及该副翼与该机体之间连接部分的强度。
其中该感测器包括至少两轴陀罗仪、一差压计、一高度计、一温度计、一湿度计、一全球定位模组及三轴加速感测模组，该感测信号包括飞行的姿势、气压、高度、温度、湿度、经纬度及三轴加速度。
其中该操控界面备有包括复数个摇杆或按键。
其中该短距离操作模式采用波段910至915MHZ，传送距离约300公尺以下，传输率为9600bps。
其中该长距离操作模式采用波段900至930MHZ，传送距离约32公里以下，传输率为115200bps。
其中该飞行控制器包括一单晶片，该单晶片具有一运算逻遥辑单元、一程式存储器、一资料存储器、一输出输入埠及一信号转换单元，该程序存储器储存该韧体程序，该资料存储器储存飞行参数，该运算逻辑单元执行该韧体程序，该输出输入埠提供用以传送的输出信号及用以接收的输入信号，该信号转换单元提供信号转换功能，且提供数位至类比转换、类比至数位转换及信号位准平移的至少其中至少一种功能。
其中该手掷式无人飞行器具有一种手自动切换模式。
此系统不需起飞跑道， 可直接由使用者利用手掷力量以抛投方式而离地起飞。此手掷式无人飞行系统包含一手掷式无人飞行器及一遥控监视器，其中手掷式无人飞行器包括一飞行器本体、一动力装置、一飞行控制器及一无线收发器 ，且动力装置、飞行控制器及无线收发器包覆在飞行器本体内。遥控监视器包括一遥控监视模组及一操控界面，飞行控制器控制动力装置提供适当推力而使飞行器本体飞行 ， 无线收发器可与遥控监视器的遥控监视模组进行控制信号及资料的传输，操控界面可让使用者对手掷式无人飞行器进行远端遥控及监视 。
由于手掷式无人飞行器不需起飞跑道而能很方便的进行飞行，较不受场地限制，因而能改善使用的便利性， 可适合短程飞行 。在手掷式无人飞行器中也可加装摄影装置或照像装置，来实现空拍、监看或记录远端目标物的功能，进行远距防灾、救助、搜寻等任务，例如是在大范围且地形崎岖的森林、河川周边等。
附图说明
图1为一种无人载具飞控模拟及测系统架构示意图。
图2为手掷式无人飞行系统的范例示意图。
图3是手掷式无人飞行系统的一个工作范例。
图4是一无人飞行器本体的一个范例示意图。
图5是关于单晶片导航软件的工作项目的一个范例示意图。
图6是关于单晶片与地面控制站传输软件的工作项目的一个范例示意图。
图1至图6中包括：100-系统架构；110-飞行控制电脑；120-界面环境模拟系统；130-六自由度飞行模拟系统；140-视效显示系统；201-手掷式无人飞行器；212-动力装置；214-飞行控制器；216-无线收发器；218-感测模组；219-制动模组；230-遥控监视器；231-操控界面；233-遥控监视模组；400-飞行器本体；410-机体；430主翼；450-副翼；470-螺旋桨；510-硬件检查及自校；520-飞行路径规划；530-手自动切换；540-启航模式；550-偏航导航及滚转与俯仰稳定模式；560-即时资料的回传与交换；610-硬件检查及自校；630-路径规划及导航显示；650-感测器资讯显示；670-及基地台控制。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2，本发明是手掷式无人飞行系统之范例示意图 。如图2所示 ， 手掷式无人飞行系统包含一手掷式无人飞行器210及一遥控监视器230，其中手掷式无人飞行器210可依据一些预设参数进行自主飞行，亦即在无人控制下进行飞行，同时具有接受遥控监视器230所传送的指令以改变飞行方式的功能，亦即受控飞行，或进一步传送资料，例如飞行姿势资料或飞行状态资料，至遥控监视器230 。
手掷式无人飞行器210为一自主导航单元，并且不需起飞跑道，可用一手掷起飞方式，例如直接由使用者利用手掷力量以抛投方式，而离地起飞，因此应用范围较不受场地限制 。
手掷式无人飞行器210包括一动力装置212、一飞行控制器2l4、一无线收发器2l6、一感测模组218、一制动模组219、以及一飞行器本体400，其中飞行器本体240承载动力装置212 ，并包覆飞行控制器214、无线收发器216、感测模组218及制动模组219 ，来提供保护作用 。飞行控制器214、无线收发器216及感测模组218 可设置在一印刷电路板上。
遥控监视器230为一地面控制单元，可包括一操控界面23l及一遥控监视模组233。使用者可通过操控界面231来输入控制指令或控制信号，并经遥控监视模组233与手掷式无人飞行器210的无线收发器216进行通讯传输，让使用者对手掷式无人飞行器210进行遥控或监视 。操控界面231可备有复数个揺杆或按键 。手掷式无人飞行器除了需提供资料截取、处理及与地面控制器的讯号通联，同时执行载具之飞操软件 。另包含类比与数位的输入界面以量测讯号，同时进行飞控命令运算 。也就是说， 手掷式无人飞行系统的整体架构主要部份为自主导航单元、地面控制单元及两者之间的通讯连结 。以下以一工作范例来说明。
图3是手掷式无人飞行系统的一个工作范例 。如图3所示，动力装置212可用一伺服马达与一伺服控制器来实现 。飞行控制器214可采用一资料记录器、一控制模组、一状态估测、一导航、一转速监测、一序列埠、一通讯协定(TCP/IP)·、一脉宽调变(Pulse WidthModulation-， PWM)通道、以及一多工器来实现 。无线收发器216可采用一 CCD负载、一Video发射器(例如使用波段2.4GHz)、一 R/C接收模组(例如使用波段40 MHZ) 、以及一 RF模组(例如使用波段900MHZ)来实现 。感测模组218可采用数个感测器来实现 。操控界面231可采用一序向协定(Seria1 Protoco1)、一通讯协定(TCP/IP)、一控制器(contro11er)、一差分全球卫星定位系统(Diffierential G1oba1 Positioning System， DGPS)、以及一使用者界面(User interface)来实现 。遥控监视模组233 可采用一 Video接收器(例如使用波段2.4GHz)、一 R/C 发射模组(例如使用波段40MHZ)、一 RF 模组(例如使用波段900MHZ)、以及天线来实现 。
上述的无线.收发器21 6及遥控监视模组233可具有短距离操作模式及长距离操作模式，分别用以在短距离及长距离进行无线.传输 。 短距离操作模式例如可使用波段910至915MHZ ，传送距离约300公尺以下，传输率为9600 bps 。长距离操作模式例如可使用波段900至930 MHZ ，传送距离的32公里以下，传输率为115200bps 。
因此，本发明可在传送短距离(例如约300 公尺以下) 时使用短距离操作模式 ，而在传送长距离(例如大于300 公尺且32公里以下)时使用长距离操作模式 。由于使用短距离操作模式的功率远低于使用长距离操作模式的功率，因此本发明可达到省电并延长滞空飞行时间的日的 。
感测模组218里的感测器例如是至少两轴陀螺仪、差压计、高度计、温度计、湿度计、全球定位模组及三轴加速感测模组，分别用来感测飞行姿势、气压、高度、温度、湿度、经纬度及三轴加速度，并提供飞行控制器214 ，据以控制动力装置212 ，进而调整飞行姿势及飞行状态，并实现自主导航飞行 。
手掷式无人飞行器210的飞行控制器214具有自主飞行功能，可依据飞行控制器2l4预设的飞行参数或由使用者输入的飞行参数，来控制动力装置212产生适当动力以推动手掷式无人飞行器210，并控制主翼430(图中无标示)及副翼 450(图中无标示)以使手掷式无人飞行器210转向以及调整至适当的飞行姿势，例如朝上或朝下，以进行爬升或下降 。
制动模组219由飞行控制器214控制，可包括复数个制动器，分别用以调整主翼430(图中无标示)及副翼450(图中无标示) ，进而实现手掷式无人飞行器210的转向、爬升、下降 。制动器可通过直流伺服马达实现 。
飞行控制器214可由双单晶片控制器实现，其一单晶片此晶片里可具有运算逻辑单元、程序存储器、资料存储器、输出输入埠及信号转换单元，程序存储器储存韧体程序，用于姿态及航向控制的操作，而飞行参数可储存于资料存储器，运算逻辑单元执行韧体程序，输出输入埠提供用以传送的输出信号及用以接收的输入信号，信号转换单元提供信号转换功能，可包括数位至类比转换、类比至数位转换及信号位准平移的至少其中之一 。
飞行控制器中另一单晶片控制器214可接收感测模组218所产生并传送的复数个感测信号，并执行程序存储器中所储存的韧体程序，进而控制动力装置212及制动模组219以实现自主飞行。此外，飞行控制器214可接收遥控监视器230所传送的控制指令或控制信号，借以控制动力装置212及制动模组219 ，实现受控飞行。受控飞行比自主飞行具较高优先权 。
由以上所述，本发明的一种手掷式无人飞行系统具有下列的特点 。(1)利用具短距离操作模式及长距离操作模式的无线收发器及遥控监视模组，分别用以在短距离及长距离进行无线传输，可省电并延长滞空飞行时间， (2)飞行器本体以碳纤维材质或玻璃纤维制造 ， 可减重及增加结构强度，同时配合重量轻的高效能电池与无刷高扭力马达以提供动力，降低整体手掷式无人飞行器的重量，进而可采用手掷方式使手掷式无人飞行器在不需起飞跑道下通过人力而起飞并飞行，改善使用的便利性，(3)利用飞行控制器以实现自主飞行功能， 同时可接收遥控监视器所传送的控制指令或控制信号，以调整飞行状态，因而能同时实现受控飞行功能 ，且受控飞行功能具有较高优先权 。
本发明之手掷式无人飞行系统也可加装如摄影装置、照像装置或其他影像记录装置，来进行空拍.、监看或记录远端目标物的功能，实现远距防灾监看、救助、搜寻等任务，尤其是大范围且地形崎岖的森林、河川周遥，甚至是具危险性的场合，比如有毒环境、火灾现场、土石流地点、争战交火场地，以避免人员伤亡，并提高处理效率 。
飞行控制器2l4里单晶片程序中，关于飞控的部分主要包含感测器的接收处理，伺服马达的运动控制及整合导航部份 。其中感测器的接收处理关于单晶片结合加速规、陀螺仪、电子罗盘等传感器的操作程序；伺服马达的运动控制关于单进片与地面控制站无线传输部分；整合导航部份关于单片导航及飞行控制。以下说明关于单晶片导航软件的部份以及单晶片与地面控制站传输软件的部份。
图4是一无人飞行器本体的一个范例示意图 。如图4的范例所示，飞行器本体400包括一机体410、一主翼430及一副翼450，其中机体410及副翼450可采用碳纤维材质制造，以玻璃纤维作为主翼430的材质， 并以碳纤棒加强主翼430及副翼450与机体410之间连接部分的强度，来达到减重目的及加结构强度的目的 。
图5是关于单晶片导航软件的工作项目的一个范例示意图 。在图5的范例中，单晶片导航软件的工作项目依序主要可包括硬件检査及自校510、飞行路径规划520、手自动切换530、启航模式540、偏航导航及滚转与俯仰稳定模式550、实时资料的回传与交换560等。其中硬件检查及自校510例如是配合飞行航电组装的说明、序列埠接晶片的项目检查(如手动模式检査、自动模式检査、微调伺服机及油门控制、调整设定中位点等)、序列埠接感测元件检査，以及无线模组结合 GPS的测试等 。飞行路径规划520例如是将5个定位点输入、交换检查资料及传回基地台并确认定位点后 ， 进入启航模式540 。偏航导航及滚转与仰府稳定模式550的检查中，也可以辅以侧风控制 ， 以交换载具速度以及获得载具实时GPS领航(heading)及对地速度 。实时资料的回传与交换560的检査中，也可以辅以低通滤波模式，来获得及显示姿态信息。
图6是关于单晶片与地面控制站传输软件工作项目的一个范例示意图 。在图6的范例中，单晶片与地面控制站传输软件的工作主要包括硬件检查及自校6l0、路径规划及导航显示630、感测器信息显示650及基地台控制670等 。硬件检査及自校610例如是手动模式检査、自动模式检査、感测器连接显示检査、以及舵机调整等 。路径规划及导航显示630例如是多点导航定位点设定、油门航向修正角设定、飞机位置的航向与路径与飞行时间显示、飞机航向的高度与俯仰角球显示。感测器信息显示650例如是显示仰俯角、滚转角、偏航角命令、加速规讯号、动压计速度、静压计高度、温度、湿度、资料纪录确认解除 。基地台控制670例如是蓝牙或 wi-fi 连接设定检査、内建正北及水平归正调整、机上摄影机讯号显示及追瞄摄影机影像讯号切换显示、以及航图 GPS显示 。
综合上述，本发明的一种手掷式无人飞行系统为一低成本的自主导航系统，结合飞控计算机单晶片控制界面技术于模型机姿态控制，本系统特色如下：具有起降容易、小区域范围使用及低成本、性能适切的设计；载具采用玻纤及碳纤复合设计，其外观为长滞空外型设计，其具有低阻力与低能耗的能力；动力系统优化选配并采用14.8伏特电池大电量设计；具备自主性飞行、导航功能，并采用硬品回路技术验证；数据资料(900 M hz)可达15公里、影像资料(2.4 Ghz)可达5公里(配合指向天线)；具备自主导航与稳定飞行的功能；结合地面控制站，做为地面站监控显示各项飞机实时信息与影像等。
以上所述，仅为本发明的实施范例而已，当不能依此限定本发明实施的范园。即凡与本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖之范围内。
Claims (8)
1.一种手掷式无人飞行系统，包括一手掷式无人飞行器，该手掷式无人飞行器还包括：一动力装置，包括至少一螺旋桨、一无刷高扭力马达及一高效能电池，其中该至少一螺旋桨由该无刷高扭力马达驱动，该高效能电池提供无刷高扭力马达所需之电力；一无线收发器，具有一短距离操作模式及一长距离操作模式，分别用以在短距离及长距离进行无线传输；一感测模组，包括复数个感测器，分别用以产生个别的感测信号； 一制动模组，包括复数个制动器，分别用以调整该主翼及该副翼； 一飞行器本体，包括机体、主翼及副翼，该飞行器本体承载该动力装置，并包覆该飞行控制器、该无线收发器、该感测模组及该制动模组，以提供保护作用；以及一飞行控制器，执行所包含的一韧体程式，并接收该感测模组的感测信号，以控制该动力装置及该制动模组；一遥控监视器，该遥控监视器还包括：一操控界面，用以输入控制指令或控制信号；以及一遥控监视模组，用以将该操控界面的控制指令或控制信号，以一无线方式传送至该无线收发器，且该遥控监视模组具有一短距离操作模式及一长距离操作模式，分别用以在短距离及长距离对该无线收发器进行相对应的无线傅输；其中该手掷式无人飞行器以一手掷方式抛射而离地起飞，该飞行控制器、该无线收发器及该感测模组设置在一印刷电路板上，该手掷式无人飞行器在无人控制下进行飞行。
2.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该机体及该副翼以碳纤维材质来制造，以玻璃纤维作为该主翼的材质，并以一种碳纤棒来加强该主翼及该副翼与该机体之间连接部分的强度。
3.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该感测器包括至少两轴陀罗仪、一差压计、一高度计、一温度计、一湿度计、一全球定位模组及三轴加速感测模组，该感测信号包括飞行的姿势、气压、高度、温度、湿度、经纬度及三轴加速度。
4.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该操控界面备有包括复数个摇杆或按键。
5.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该短距离操作模式采用波段910至915MHZ，传送距离约300公尺以下，传输率为9600bps。
6.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该长距离操作模式采用波段900至930MHZ，传送距离约32公里以下，传输率为115200bps。
7.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该飞行控制器包括一单晶片，该单晶片具有一运算逻遥辑单元、一程式存储器、一资料存储器、一输出输入埠及一信号转换单元，该程序存储器储存该韧体程序，该资料存储器储存飞行参数，该运算逻辑单元执行该韧体程序，该输出输入埠提供用以传送的输出信号及用以接收的输入信号，该信号转换单元提供信号转换功能，且提供数位至类比转换、类比至数位转换及信号位准平移的至少其中至少一种功能。
8.如权利要求1所述的手掷式无人飞行系统，其特征在于：其中该手掷式无人飞行器具有一种手自动切换模式。
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