CN109878758A - 一种浮空器飞行控制系统室内试验平台 - Google Patents

Abstract

高空浮空器飞行控制试验具有时间长、耗资巨、风险高、飞控技术迭代周期长等缺点。而室外低空浮空器飞行控制试验又具有不可控干扰，无法全天候试验从而无法控制项目周期等缺点。因此为了建立完整浮空器智能控制体系，并结合低空浮空器试验实际工况，设计了一种设备简化、可靠性高、移植性好、利用率高的浮空器飞行控制室内试验平台。缩比浮空器室内飞行控制算法验证平台室内定位设备、机载设备、远程网络与地面站四部分组成。室内定位系统由定位基站与位置解算软件构成，室内定位系统可以精确获取携带有定位标签的浮空器在定位区域内的位置；机载设备由定位标签、无线数传模块、执行机构驱动器与电源构成，可以传输并执行地面发来的控制指令。地面站由控制界面、数据处理模块与人工智能控制算法支持模块构成，在接收到由室内定位设备发来的位置数据后，进行处理解析得到飞控算法需要位置与姿态数据，经飞控算法计算出相应控制量并发送到机载端执行。通过上述设备，可实现控制闭环。同时系统可以通过远程网络技术对地面站软件进行远程控制算法输入与参数注入。

Description

一种浮空器飞行控制系统室内试验平台

技术领域

本发明提供一种浮空器飞行控制系统室内试验平台，它为通用浮空器室内飞行控制方法验证与模拟高空飞艇控制提供控制算法验证平台，属于浮空器飞行控制领域。

背景技术

随着现代科技的不断发展，各国对临近空间的竞争，全球范围内无线网络覆盖、地球遥感成像、大气测量、资源监控及军事侦察等方面的需求越来越强烈，发展平流层飞行器平台是解决以上问题的有效手段之一。因而平流层飞艇成为近年来各国争相发展的热点领域之一。同时低空载运飞艇相对其他飞行器具有载重量大、飞行稳定、成本低、巡航时间久等显著特点，成为现代物流行业的低成本运载工具。大型浮空器研制又在全球范围内掀起了新的浪潮。

飞行控制系统是浮空器的关键系统之一，飞行控制试验是浮空器研制过程中必不可少的验证试验之一。然而，大型浮空器飞行控制试验具有时间长、耗资巨、风险高、飞控技术迭代周期长等缺点。又由于其他系统的影响，无法真实完整地验证飞行控制率，容错性太低。因此，采用相同布局的等比缩放浮空器模型进行飞控缩比试验是比较好的选择之一。而室外低空浮空器飞行控制试验又具有不可控干扰，无法全天候试验从而无法控制项目周期等缺点。

由于人工智能近年来快速发展，智能控制技术已经逐步应用于飞行控制领域。浮空器全天候长航时的特点使得其飞控系统必须引入智能控制技术来降低控制人员的人力消耗。通信技术的快速发展，使得通过互联网远程监控浮空器飞行，并进行在线算法注入、参数调整，已成为可能。

因此为了建立完整浮空器智能控制体系，并结合低空浮空器试验实际工况，本发明设计了一种设备简化、可靠性高、移植性好、利用率高、具备远程重构算法与在线调参功能的缩比浮空器室内飞行控制算法验证平台。

发明内容：

以上述技术背景为基础，结合工程实际情况与设计了一种设备简化、可靠性高、移植性好、利用率高的缩比浮空器室内飞行控制算法验证平台。

本发明的基本原理为：

浮空器飞行控制系统室内试验平台由室内定位设备、机载设备与地面站三部分组成。其中，室内定位系统由定位基站与位置解算软件构成，室内定位系统可以精确获取携带有定位标签的浮空器在定位区域内的位置；机载设备由定位标签、无线数传模块、执行机构驱动器与电源构成，可以传输并执行地面发来的控制指令。地面端模块由普通地面站软件、远程网络控制系统、人工智能算法移植模块等组成。地面站软件可以通过网络远程注入算法、参数。同时地面软件具有飞控算法验证接口，可以根据不同的飞行状态模式调整智能控制算法。

本发明一种浮空器飞行控制系统室内试验平台由以下部分组成：

1.浮空器飞行控制系统室内试验平台控制闭环策略

如图1所示，浮空器飞行控制系统室内试验平台控制闭环策略由以下四个步骤组成：安装在浮空器上的数个定位标签将其位置信息发送至地面基站定位设备，数个地面定位基站进行数据融合与时间线统一，然后位置解算软件将数个定位标签位置信息解算出来；位置解算软件将数据以某种固定格式发送至地面站；模块化地面站将数据处理解析提取出需要的位置信息，进入飞控算法（飞控算法可以通过人工智能算法验证模块调整控制策略）并实现控制量分配，地面站控制界面对飞控参数在线调节，再将控制量通过PC串口无线传输至机载端；机载端接收控制量实现作动改变姿态位置，定位标签将新位置发送至地面基站。

浮空器位置与姿态解算算法

由于室内不支持GPS，且厂房中金属设备干扰而无法精确测出偏航等角度，本试验平台是基于室内定位系统研发的试验平台。室内定位系统只能测得某个定位标签的位置信息，因此将标签固定至飞艇首位中轴线，由两标签位置信息进行处理便可得到浮空器位置、速度、角度信息。同时，标签的增加可提升飞艇位置信息的维度，提高控制目标的灵活度。两标签相互独立导致发送的位置信息有时不能被同频接收，因此逻辑上设置收到两组数据时标签信息才是可用的。这就导致解算后的数据出现跳动。因此，在姿态解算时，将数据加入移动均值滤波进行过滤。

通过网络远程技术控制地面站软件达到算法与参数的远程注入

通过网络远程控制技术，只要知道现场地面站PC的IP地址，远程端地面站就可以访问现场地面端数据并修改控制参数与控制算法。现场地面站软件又通过TCP/IP协议接收定位解算软件解算后的数据信息，并将接收的数据进行筛选得到需要的信息。位置信息进入控制律计算，通过内外环控制计算得到控制量。由于控制的作动器是电机与舵机，则控制量为PWM波。控制量通过串口与无线传输模块连接。

人工智能算法支持模块

由于现代计算机计算能力的告诉发展，PC地面站具有很强的计算能力，可以应付很强的计算任务。而现代人工智能算法的发展，使得算法所需计算能力要求越来越高。因此，在地面站中设置人工智能算法支持模块。在改进现代控制算法的同时，摆脱由于机载飞控计算机计算能力不足导致控制效果不佳的问题。模块化地面站控制算法可以在不同工况和需求下实现不同智能算法的控制，增强了地面站软件系统的适应性。

高扩展性机载方案

机载端设备由无线接收模块、舵机控制板、电机与舵机构成。无线接收模块与地面站连接的无线模块配对并接收带有通讯协议的控制量信息。舵机板与无线接收模块硬件连接，解析接收数据控制舵机与舵机以改变浮空器姿态与位置。

本发明的优点是：

1）解决了高低空全尺寸浮空器飞行控制试验的时间长、耗资巨、风险高、飞行控制技术迭代周期长的问题。也解决了室外缩比浮空器飞行控制试验的不可控干扰，无法全天候试验，无法控制项目周期等缺点。因此室内缩比浮空器飞行控制试验有效地缩短飞行控制试验时间，更加方便地验证飞行控制算法，避免逻辑错误引起的飞行器毁坏的风险，降低资金损失，缩短研制周期；

2）基于地面定位设备与机载飞控系统数据不交互的特点，将飞行控制算法移植到地面端，大大简化了机载端设备的复杂程度，缩短了研制周期，提高了可靠性，降低了机载设备的复杂度。机载设备由于计算能力限制问题无法实现的一些算法，可以通过本室内试验平台进行验证，提升了飞控算法的多元性与控制效果的上限。

）利用网络远程控制技术，远程地面端可以对现场的地面站进行控制，实现参数调整和算法修改，很好地缓解了由于场地限制带来的时间成本浪费问题。这样实验可以在任何有网络连接的地方进行，极大得提高了实验效率。

）地面软件增加人工智能算法支持模块，极大提高了地面站智能控制算法种类。这样使得地面站软件原理上可以嵌套任何算法，提高了地面软件的控制算法的丰富性。

）本实验平台机载端由通用模块、通用设备构成。交接口，部件的依赖度低，方便系统的再次构建，也降低了试验成本，缩短因硬件问题而耽误的试验周期。

）定位标签的安放位置灵活，可获得不同部位在地面坐标内的位置信息，提升了平台的搭载可能性。

附图说明

图 1 浮空器飞行控制系统室内试验平台工作流程图

图 2 浮空器飞行控制系统室内试验平台工作示意图

图中标号含义如下：

1.室内缩比浮空器前端后端定位标签；2.浮空器前端舵机；3.浮空器推进电机；4.机载设备，包括舵机控制板和无线传输模块；

5.室内定位设备基站（共八台）；6.定位设备交换机；7.PC端地面站包括数据处理、人工智能算法支持模块、调参界面；8.定位标签信息无线发送到基站；

9.定位基站相互通讯，同步时间线；10.基站信息有线传输到交换机；11.交换机信息有线传输到PC；12.控制量从地面站无线传输至机载设备；13.远程网络技术实现远程控制现场地面软件；14.远程控制PC实现远程调参与控制算法调整。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。图1、2分别为本方案的实施流程框图与示意图

本发明中流程如图1、2所示。本发明共分六个步骤进行实施，其具体步骤如下：

步骤一：定位标签将浮空器运动信息发送至地面定位基站。

每个定位标签在定位系统中，都有唯一的位置信息与时间轴，其可将位置信息以最快10Hz的频率发送至PC。因此，在浮空器上固定不同位置的定位标签即可通过位置坐标计算角度坐标。

如图2中①所示，定位标签放置位置可以根据需求固定，示意图中由于只控制浮空器偏航方向运动，因此只放置在浮空器首尾中轴线附近位置，通过两个标签位置即可计算出偏航角。如果需要控制俯仰、滚装方向也可增加标签数量，以增加体轴系维度。

步骤二：地面定位系统解算位置信息。

）每个地面定位基站都能接收到标签到其的距离，通过数据融合算法与时间统一，将位置信息精确解算出来。

）如图1中②所示，解算完成的数据信息（x坐标，y坐标，时间t）通过TCP/IP协议传输到地面站。

步骤三：地面站数据处理。

）如图1中③所示，现场地面站接收了来自地面定位系统的位置信息。然而接收的数据必须经过解析才能进入控制律进行计算。因为两个标签是相对独立的，因此接收时无法保证同时接收两个标签的信息。地面站中设置同时接收两个标签时，数据才是可用的。

）如图1中③所示，地面站接收的信息包括x坐标，y坐标与时间t，可利用下次接收数据的时间差对x坐标，y坐标求微分，可得到两个方向的速度（vx，vy）。对两次数据的位置差计算出偏航角。

步骤四：地面站数据可视化与在线调试。

）如图1中④所示，地面站UI可对飞控算法中的参数进行在线调试，当前所需状态也可实时反应。

）UI作为控制算法中的控制参数的输入接口，将UI中的数据运用到飞控算法中即可实现在线调试参数与数据可视化。

步骤五：经过控制算法解算后分配控制量无线传输至机载设备。

如图1中⑤所示，地面定位信息与控制参数同时进入飞控算法进行计算。控制算法分为内外环，外环是位置控制，内环是姿态控制。

地面站处理过的数据包括：坐标x，坐标y，速度vx，速度vy，偏航角yaw，通过控制算法将期望位置姿态与当前位置姿态进行处理，得到具体控制量（舵机PWM波，电机PWM波）。

在地面站软件中编写舵机控制板可以解析的协议格式的数据包，按时按条发送。

步骤六：远程网络技术进行远程调参与控制算法输入。

）如图1中⑥所示，利用远程网络技术，远程计算机可以通过网络对现场地面计算机进行访问，同时获得现场地面站软件的控制权。

）远程计算机控制现场地面计算机软件，同时可以修改人工智能支持模块的控制算法，调整算法中的参数。

Claims (5)

1.一种浮空器飞行控制系统室内试验平台，其特征在于：

浮空器飞行控制系统室内试验平台的机载端采用无线接收模块与舵机控制板两种设备。无线接收模块将地面站的控制指令按照一定的协议解析出来直接控制舵机与电机，从而简化了机载设备。地面端将地面数据处理、人工智能算法支持模块、UI结合其中，从而实现了收发数据、数据解算、智能算法飞行控制、数据可视化等功能。因此控制算法模块化的地面端可以实现多种控制算法的验证，具有很高的移植性。机载双天线定位，去除机载端定位传感器与机载设备交互。双天线定位与机载设备相互独立，降低了开发难度与无线传输数据量，适用性好。

2.根据权利要求1所述的一种浮空器飞行控制系统室内试验平台，其特征在于：

机载端采用无线接收模块与舵机控制板两种设备实现控制。无线接收模块采用数据透传模式，其接收来自地面端的数据。不需要解析，直接通过连线传输至舵机控制板。舵机控制板从无线传输模块接收到的一串数据是以某种特定协议形式写成的，控制板可以对数据进行解析，剥离出所需的数据，包括通道数，脉宽等信息。以此方式，就可以在地面端写好带有特定协议的数据，规定好传输时间，定时发送到机载端。

3.根据权利要求1所述的一种浮空器飞行控制系统室内试验平台，其特征在于：

地面端人工智能支持模块的移植。地面站软件通过TCP/IP协议接收来自室内定位设备的位置信息，并进行数据解算，得到控制算法需要的坐标，速度，角度数据。将数据输入控制算法进行飞行控制。将控制算法写在地面站中也可以降低机载飞控计算机的运算压力，从而实现针对不同控制需求进行不同控制算法的验证，解除了因为硬件计算能力不足造成的控制效果不佳，计算误差较大的问题。控制算法的参数通过地面站软件UI进行可视化，如此，既能实现数据可视化，也能在线调节参数。飞控算法解算的控制量按照舵机控制板能识别的协议进行打包。并将数据通过串口发送至地面端无线传输模块，等待发送至机载端。

4.根据权利要求1所述的一种浮空器飞行控制系统室内试验平台，其特征在于：

机载双天线定位。机载双天线由室内定位设备的定位标签组成。定位标签将位置信息发送至定位基站，定位基站再将信息发送至Matlab地面端。双天线定位系统与机载设备相互独立，通过在浮空器的不同安放位置可得到不同的位置信息，适应性好。同时，可以减轻机载端数据处理的压力，使得位置信息无需通过机载计算机进行解算，也降低了开发难度与无线传输数据量。

5.根据权利要求1所述的一种浮空器飞行控制系统室内试验平台，其特征在于：

远程网络技术控制地面站软件实现算法与参数的远程注入。通过网络远程控制技术，只要知道现场地面站PC的IP地址，远程端地面站就可以访问现场地面端数据并修改控制参数与控制算法。极大地缓解了由于场地限制带来的时间成本浪费问题。这样实验可以在任何有网络连接的地方进行，极大得提高了实验效率。