CN110531787A - 一种无人机自动驶入驶出控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机控制技术领域，公开了一种无人机自动驶入驶出控制系统。传感器及导航定位装置实时采集无人机位置和姿态信息，为无人机提供导航和定位信息；飞控计算机用于接收传感器及导航定位装置的定位信息，解算控制律，并向舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C发送控制指令；舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C用于接收飞控计算机的控制指令，构成伺服舵回路，舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C分别用于完成对刹车舵机、前轮转向舵机、方向舵机的闭环控制；所述刹车压力传感器主起落架刹车压力，反馈至飞控计算机。上述方案使无人机按照预定路线驶出(由停机坪自动滑行至起飞点)和驶入(由着陆点自动滑行至停机坪)。

Description

一种无人机自动驶入驶出控制系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，特别是一种无人机自动驶入驶出控制系统。

背景技术

随着物流行业的快速发展，企业对物流运输的速度、覆盖范围等提出了更高的要求，尤其是我国西部山区等交通欠发达地区。物流无人机能够提升流转效率、降低运营成本、打破道路限制、助推产业转型，越来越多企业开始采用无人机作为物流运输的工具，而AT200货运无人机具备短距起降、有效载荷大、续航能力强、夜间飞行能力、全自主起降与飞行等特点，非常适用于物流行业作支线运输工具。

为提高货运无人机使用效率，减少跑道占用，满足装货-自动驶出-起飞-航线飞行-降落-自动驶入-卸货整个流程全自动一体化要求，必须设计自动驶入驶出控制系统，实现无人机沿预定航线驶出(由停机坪自动滑行至起飞点)和驶入(由着陆点自动滑行至停机坪)的功能。

目前，多数无人机采取传统的方式，由人工牵引至起飞点并对准跑道中心线，降落后再由人工牵引回到停机坪。当机场较繁忙时，进驻飞机较多，依靠人工牵引既占用机场资源，又影响无人机使用效率。同时，大型货运无人机发展刚刚起步，国内几个型号还停留在设计研制阶段，大型货运无人机前三点起落架布局的自动驶入驶出控制系统设计尚属空白，为研制出切实可用，使用效率较高的货运无人机产品，设计自动驶入驶出控制系统有着十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了解决无人机需要人工牵引、自动化程度低、占用机场资源和使用效率不高的技术问题，提供了一种无人机自动驶入驶出控制系统。

本发明采用的技术方案如下：一种无人机自动驶入驶出控制系统，包括：至少一套传感器及导航定位装置、飞控计算机、舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C、刹车舵机、前轮转向舵机、方向舵机、刹车压力传感器；所述传感器及导航定位装置实时采集无人机位置和姿态信息，为无人机提供导航和定位信息；所述飞控计算机用于接收传感器及导航定位装置的定位信息，解算控制律，并向舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C发送控制指令；所述舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C用于接收飞控计算机的控制指令，构成伺服舵回路，所述舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C分别用于完成对刹车舵机、前轮转向舵机、方向舵机的闭环控制；所述刹车压力传感器主起落架刹车压力，反馈至飞控计算机。

进一步的，所述传感器及导航定位装置包括卫星天线、基准站GNSS接收机、差分数据链传电台，卫星天线获取卫星数据，基准站GNSS接收机获得卫星数据并进行解算，获得定位修正量，传输给差分数据链传电台，并通过高增益天线发送给机载接收机。

进一步的，所述飞控计算机通过RS-422、RS-232总线接口与传感器及导航定位装置连接，所述飞控计算机通过数据链和地面控制站连接，将从传感器及导航定位装置获取的无人机位置信息与从地面控制站装订的驶入/驶出航路信息对比得到侧偏指令；并将侧偏指令与从传感器及导航定位装置获取的侧偏距进行对比，再结合速度、航偏角、航偏角速度进行控制律解算得到控制指令，控制指令通过RS-485总线接口传输给伺服舵回路，伺服舵回路输出方向舵控制信号、前轮转向舵控制信号、刹车舵控制信号给对应的无人机动力学组实现方向、前轮转向和刹车的控制。

进一步的，所述舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C的通道数N≥1，每个通道用于控制一个舵机，各个通道的舵机独立控制。

进一步的，舵机控制器的每一个通道采用双余度，包括主余度和备余度，工作方式为：正常工作于主余度，备余度处于热备份状态，只监测伺服舵回路状态以及实时采集及处理舵机传感器信号，但不输出舵机驱动控制信号。

进一步的，所述舵机控制器A分别连接左刹车舵机和右刹车舵机，左刹车舵机和右刹车舵机分别连接左刹车液压伺服系统和右刹车液压伺服系统，左刹车液压伺服系统和右刹车液压伺服系统连接压力传感器，压力传感器采集左刹车和右刹车的压力差信号反馈给飞控计算机，得到差动刹车压力值，差动刹车协同前轮转弯舵机一起控制无人机偏航运动，以修正侧偏距。

进一步的，所述左刹车舵机、右刹车舵机按照同轴对称的安装方式，通过左刹车舵机、右刹车舵机输出轴上的方形键槽与输出摇臂连接，输出摇臂带动左刹车液压伺服系统、右刹车液压伺服系统作动筒的活塞杆产生刹车压力。

进一步的，所述前轮转向舵机依次连接操作机构和减摆器，前轮转向舵机支座通过螺栓与前轮转向舵机底板固联，前轮转向舵机前端通过双耳片与卡箍组件连接，卡箍组件与转向操纵机构固联，将扭矩传递给无人机转向操纵机构，实现对前轮的偏转控制。

进一步的，所述方向舵机连接推拉杆，方向舵机支座通过螺栓与舵机底座相连，方向舵机前端输出轴通过螺栓与推拉杆相连，控制方向舵的偏转。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

本发明针对现有型号的大型货运无人机，充分考虑大型无人机运行场景和使用流程，利用飞控计算机、传感器及导航定位装置、舵机控制器以及分别控制刹车、方向转向的舵机，提出了自动驶入驶出功能架构和控制系统方案，经过多次试验和试飞验证，本发明系统设计合理、切实可行、控制精度较高，满足大型无人机产品功能需求；

本发明的一种大型无人机自动驶入驶出控制系统，能提高大型无人机运行效率，无需机务人员牵引，节省机场资源，能够完成驶出至起飞点、驶入至停机坪的全自主一体化过程。

本发明的一种大型无人机自动驶入驶出控制系统，能够实现滑行过程中的亚米级高精度导航与定位，航路跟踪精度为±0.3m，满足机场标线跟踪、调度的要求；

本发明的一种大型无人机自动驶入驶出控制系统，能够通过视距数据链与无人机控制站实现交互，完成驶入驶出航路规划和装订、驶入驶出滑行过程监视和控制，节省人力成本，而且航路编辑修改方便，可以结合界面考虑人机工程学因素。

附图说明

图1为本发明的一种无人机自动驶入驶出控制系统架构图；

图2为本发明的一种地面差分GPS基站系统架构；

图3为本发明的一种旋转舵机俯视图及其输出轴键槽；

图4为本发明的一种自动驶入驶出控制流程图；

图5为本发明所述的一种自动驶入驶出控制系统的航迹跟踪效果；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

针对大型货运无人机的产品需求。本实施例的自动驶入驶出技术方案思路为是：采用传感器、飞控计算机、伺服控制部件分散的分布式系统架构，可降低飞控计算机功耗，如图1所示，通过传感器与导航定位装置1实时获取高精度无人机位置信息、姿态信息，将实时获取的无人机位置信息、姿态信息与无人机地面控制站装订的驶入驶出航路进行对比，得到侧偏距误差信息，并结合速度、偏航角、偏航角速率等反馈一起输入飞控计算机2，完成自动驶入驶出控制律解算，输出得到控制指令，送至对应的电动舵机控制器A 5、电动舵机控制器B 6、电动舵机控制器C 7，经过各自的舵回路，输出信号驱动电动伺服舵机(左刹车舵机8、右刹车舵机9、前轮转向舵机10.方向舵机11)，带动相应操纵机构，完成对飞机的实时控制。

本发明公开的一种实施例中，传感器和导航定位装置采取主备惯导+地面DGPS基站(差分GPS定位系统)，为无人机提供亚米级高精度导航和定位信息。DGPS基站的系统架构如图2所示，DGPS基站通过卫星天线11和基准站GNSS接收机12获得卫星数据并完成解算，获得定位修正量，通过RS232接口传送给差分数据链电台13，并通过高增益全向天线14发送给机载接收电台，为飞机提供动态高精度导航。

本发明公开的一种实施例中，飞控计算机2通过C2视距数据链3与无人机地面站4实现交互，接收无人机控制站上传的驶出-驶入航线，完成驶入驶出航路、飞机参数、场高等装订，实时监控无人机驶入驶出控制过程。在执行驶入驶出功能时，接收地面站发出的“驶入”、“驶出”、“暂停”，“继续”等控制指令。同时，飞机前起落架处安装摄像头，并将视频数据通过C2数据链路传回至无人机地面站，机组人员可清楚查看驶入驶出滑行过程中飞机前方状况，一旦出现紧急情况，可及时采取措施，中止滑行或改变滑行航路躲避危险。

本发明的飞控计算机2是自动驶入驶出控制系统的核心，采用3余度CPU对控制解算进行监控表决，同时具备供2余度供电单元，具备设备监控与BIT(机内自检测，机内自检是指对本设备内部硬件、通信等故障检测)、故障申报与隔离功能。它通过RS-422、RS-232总线接口与传感器和导航定位装置1相连，接收其定位和姿态信息，完成控制律解算，并通过RS-485总线接口向电动伺服系统(电动舵机控制器A 5、电动舵机控制器B 6、电动舵机控制器C 7)输出控制指令，控制流程图如图4所示。外回路中，通过将飞机位置信息与装订航路对比，得到侧偏指令，结合传感器和导航定位装置1提供的侧偏距、速度、偏航角等反馈信息，指令成形后外环位置控制输出侧偏控制指令，并根据具体跑道等级和自身尺寸设置侧偏控制阈值。内回路中，侧偏控制指令输入控制律模块，控制律模块结合速度、偏航角、偏航角速率等，得到控制指令，控制指令输入到典型舵回路；典型舵回路中，舵控器接收到控制律模块的控制指令，结合舵机反馈回来的信息，对舵机进行控制，获取方向舵输出、前轮转向输出、左刹车输出、右刹车输出；内环实现不同侧偏范围内的侧偏距PD控制、航向控制权限分配，通过前轮转弯和差动刹车协同控制偏航角，实现对驶入驶出航线的跟踪控制。低速情况下，方向舵效率不高，为简化控制律结构，保留其转向时的协同偏转控制。

本发明公开的一种实施例中，电动舵机控制器A 5、电动舵机控制器B 6、电动舵机控制器C 7三个电动伺服控制器通过RS-485总线接口分别与飞控计算机2相连，接收控制指令，综合电动舵机传感器反馈信号，实现对电动舵机的闭环控制，如图4中所示的舵回路。舵控器的安装位置和数量与舵机的相对位置、舵控器通道数等进行分配与组合，各电动伺服舵控器的通道数N≥1，在一个电动伺服控制器内可实现同时对各通道的作动器(舵机)分别控制。此外，三个舵机控制器均采用双余度，具备故障检测、主备余度管理、故障处理及上报功能。主备工作方式为正常工作于主余度，备余度处于热备份状态，只监测舵回路状态以及实时采集及处理舵机传感器信号，但不输出舵机驱动控制信号。

电动舵机控制器A 5用于差动刹车控制，调整主起落架左右刹车压力差，获得偏航力矩，协同前轮转向舵机一起控制无人机偏航运动，以修正侧偏距。电动舵机控制器B 6用于前轮转向控制，前轮控制模式为减摆模式，该模式针对特定带有减摆器装置的前轮具有保护作用，通过接收飞控计算机速度信息完成前轮转向舵机10的指令输出通断切换，同时根据飞机状态信息完成纠偏控制。电动舵机控制器C 7用于方向舵机的控制，一个电动舵机控制器可以控制2个电动舵机，考虑到舵面位置和布局，前轮转向和副翼舵机共用电动舵机控制器B，方向舵机和升降舵机共用电动舵机控制器C，此处在图中未列出。

本发明公开的一种实施例中，4个电气双余度电动伺服舵机(左刹车舵机8、右刹车舵机9、前轮转向舵机10、方向舵机11)，分为直线舵机和旋转舵机，用于差动刹车控制的左刹车舵机8、右刹车舵机9采用摇臂旋转舵机、用于前轮转向的前轮转向舵机10采用直线舵机和用于方向舵控制的方向舵机11采用直线舵机。所述的4个电动伺服舵机内部结构包括直流无刷电机、减速器和传动机构、RVDT及输出部件，输出直线或角位移，带动相应操纵机构完成对无人机的控制。其中，左右刹车舵机按照同轴对称的安装方式，通过其输出轴上的方形键槽31与输出摇臂32连接，带动左刹车液压伺服系统12、右刹车液压伺服系统13作动筒的活塞杆产生刹车压力，如图3所示；前轮转向舵机10支座通过螺栓与转向舵机底板固联，转向舵机前端通过双耳片41与卡箍组件连接，卡箍组件与转向操纵机构固联，将扭矩传递给无人机转向操纵机构14，实现对前轮的偏转控制；与前轮转向舵机类似，方向舵直线舵机11支座通过螺栓与舵机底座相连，前端输出轴通过螺栓与推拉杆16相连，控制方向舵的偏转。

本发明公开的一种实施例中，2个刹车压力传感器17，一端分别与左刹车液压伺服系统12、右刹车液压伺服系统13连接，另一端通过电缆与飞控计算机2相连，采集左、右刹车液压伺服系统压力，转化为电信号，反馈至飞控计算机。

本发明公开的一种实施例中，自动驶入驶出控制系统可通过视距链路与上位机(如无人机地面控制站交互)，人机界面可实时监控自动驶入驶出控制系统运行状态、驶入驶出轨迹显示、驶入驶出应急视频传输、设备故障并设置滑行速度，转弯半径等驶入驶出参数。

本发明公开的一种实施例中，自动驶入驶出控制系统运行参数、滑行速度数据能够被机载飞行参数记录器实时记录，方便后续数据分析和回放。

本发明公开的一种实施例中，减摆器为有人机原型P750XL的部件，作为本系统的交联接口。

本发明公开的一种实施例中，所述无人机为P750XL无人化改装的AT200货运无人机。

如图5所示，本发明的无人机自动驶入驶出控制系统实现无人机沿预定航线驶出(由停机坪自动滑行至跑道起飞点)和驶入(由跑道着陆点自动滑行至停机坪)的功能。

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。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，包括：至少一套传感器及导航定位装置、飞控计算机、舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C、刹车舵机、前轮转向舵机、方向舵机、刹车压力传感器；所述传感器及导航定位装置实时采集无人机位置和姿态信息，为无人机提供导航和定位信息；所述飞控计算机用于接收传感器及导航定位装置的定位信息，解算控制律，并向舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C发送控制指令；所述舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C用于接收飞控计算机的控制指令，构成伺服舵回路，所述舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C分别用于完成对刹车舵机、前轮转向舵机、方向舵机的闭环控制；所述刹车压力传感器主起落架刹车压力，反馈至飞控计算机。

2.如权利要求1所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述传感器及导航定位装置包括卫星天线、基准站GNSS接收机、差分数据链传电台，卫星天线获取卫星数据，基准站GNSS接收机获得卫星数据并进行解算，获得定位修正量，传输给差分数据链传电台，并通过高增益天线发送给机载接收机。

3.如权利要求1所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述飞控计算机通过RS-422、RS-232总线接口与传感器及导航定位装置连接，所述飞控计算机通过数据链和地面控制站连接，将从传感器及导航定位装置获取的无人机位置信息与从地面控制站装订的驶入/驶出航路信息对比得到侧偏指令；并将侧偏指令与从传感器及导航定位装置获取的侧偏距进行对比，再结合速度、航偏角、航偏角速度进行控制律解算得到控制指令，控制指令通过RS-485总线接口传输给伺服舵回路，伺服舵回路输出方向舵控制信号、前轮转向舵控制信号、刹车舵控制信号给对应的无人机动力学组实现方向、前轮转向和刹车的控制。

4.如权利要求3所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述飞控计算机采用3余度CPU对控制解算进行监控表决。

5.如权利要求1所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述舵机控制器A、舵机控制器B、舵机控制器C的通道数N≥1，每个通道用于控制一个舵机，各个通道的舵机独立控制。

6.如权利要求5所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，舵机控制器的每一个通道采用双余度，包括主余度和备余度，工作方式为：正常工作于主余度，备余度处于热备份状态，只监测伺服舵回路状态以及实时采集及处理舵机传感器信号，但不输出舵机驱动控制信号。

7.如权利要求5所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述舵机控制器A的两个通道分别连接左刹车舵机和右刹车舵机，左刹车舵机和右刹车舵机分别连接左刹车液压伺服系统和右刹车液压伺服系统，左刹车液压伺服系统和右刹车液压伺服系统连接压力传感器，压力传感器采集左刹车和右刹车的压力差信号反馈给飞控计算机，得到差动刹车压力值，差动刹车协同前轮转弯舵机一起控制无人机偏航运动，以修正侧偏距。

8.如权利要求7所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述左刹车舵机、右刹车舵机按照同轴对称的安装方式，通过左刹车舵机、右刹车舵机输出轴上的方形键槽与输出摇臂连接，输出摇臂带动左刹车液压伺服系统、右刹车液压伺服系统作动筒的活塞杆产生刹车压力。

9.如权利要求5所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述前轮转向舵机依次连接操作机构和减摆器，前轮转向舵机支座通过螺栓与前轮转向舵机底板固联，前轮转向舵机前端通过双耳片与卡箍组件连接，卡箍组件与转向操纵机构固联，将扭矩传递给无人机转向操纵机构，实现对前轮的偏转控制。

10.如权利要求5所述的无人机自动驶入驶出控制系统，其特征在于，所述方向舵机连接推拉杆，方向舵机支座通过螺栓与舵机底座相连，方向舵机前端输出轴通过螺栓与推拉杆相连，控制方向舵的偏转。