CN1167576C - 一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统，它由地面发射系统和机载接收系统构成。地面发射系统包括飞行控制台、指令编码器、遥控发射机、测控天线、差分GPS设备、地面监控计算机和一辅助遥控发射设备；机载接收系统包括测控天线、遥控接收机、码同步器、遥控机载处理系统和一辅助遥控接收设备。遥控工作模式由主遥控工作模式和备份遥控工作模式组成。数据采集器将采集到的数据传送给指令编码器进行处理，处理后的信息经遥控发射机发送给机载遥控接收设备。该遥控系统设计简练、灵敏度高、抗干扰强、遥控距离较远。

Description

一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统

本发明涉及一种遥控系统，特别是指一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统。

无人驾驶直升机是一种利用无线遥控控制飞行的直升机，与固定翼飞机相比，无人驾驶直升机飞行的稳定性差、飞行状态变化迅速、地面操纵控制比较复杂，因此，无人驾驶直升机对无线电遥控控制系统提出了更加苛刻的要求。

遥控系统的性能好坏、可靠与否，对于保证无人驾驶直升机安全飞行、顺利完成任务有着重要的意义。

本发明人设计的遥控系统能实时地调整无人驾驶直升机的姿态、飞行航迹和对机载设备进行控制。例如，可以完成无人驾驶直升机的开车、关车、主/备份遥控设备的切换、无人驾驶直升机纵横向姿态的调整，还可以通过遥控系统提供的上行链路完成航迹点数据的注入。

本发明的目的是这样实现的：一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统，它由地面发射系统和机载接收系统构成。(a)地面发射系统包括飞行控制台、指令编码器、遥控发射机、测控天线、差分GPS设备、地面监控计算机和一辅助遥控发射设备，飞行控制台连接操纵设备、显示设备、地面监控计算机和遥控发射机，遥控发射机连接测控天线；数据采集器和差分GPS设备传送信息给指令编码器，指令编码器输出信号给遥控发射机；(b)机载接收系统包括测控天线、遥控接收机、码同步器、遥控机载处理系统和一辅助遥控接收设备，测控天线连接在遥控接收机上，遥控接收机联接码同步器，码同步器同遥控机载处理系统联接，辅助遥控接收设备连接在遥控机载处理系统上。

所述的遥控工作模式由主遥控工作模式和备份遥控工作模式组成。

所述的自主遥控(程序控制)模式是按编制好的软件程序遥控的。

所述的指令编码器对传送来的信号进行编码、加密、编帧处理。

所述的比例型指令有纵向、横向、航向、总距和油门。

所述的开关型指令有开车、关车、发动机转速自主切换开关、高度、横向、航向遥控/自主切换开关、主/备份遥控切换开关。

所述的航迹数据为差分GPS修正信号、导航经纬高数据。

所述的指令编码器对处理后的数据一方面传送给地面监控计算机进行监视，另一方面将数据统一编帧传送给遥控发射机。

所述的码同步器对遥控接收机接收到的数据进行码同步处理。

所述的遥控机载处理系统对码同步器传送的数据进行解码、解密、解帧处理。

所述的主/备份遥控的切换通过备份切换控制器自动完成。

所述的主/备份遥控的切换通过备份切换控制器人为操作完成。

所述的主/遥控切换指令由机载遥控设备给出，在自动稳定系统中完成。

本发明的优点是设计简练、灵敏度高、抗干扰强、遥控距离较远。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的地面系统的组成框图。

图2是本发明的机载系统的组成框图。

图3是本发明的飞行控制流程图。

图4是本发明的主/备份遥控切换流程图。

图5是本发明的指令编码器编帧格式示意图。

本发明设计的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统，它由地面发射系统和机载接收系统构成，请参看图1、图2所示。地面发射系统包括飞行控制台、指令编码器、遥控发射机、测控天线、差分GPS设备、地面监控计算机和一辅助遥控发射设备，飞行控制台连接操纵设备、显示设备、地面监控计算机和遥控发射机，遥控发射机连接测控天线，数据采集器和差分GPS设备传送信息给指令编码器，指令编码器输出信号给遥控发射机；机载接收系统包括测控天线、遥控接收机、码同步器、遥控机载处理系统和一辅助遥控接收设备，测控天线连接在遥控接收机上，遥控接收机联接码同步器，码同步器同遥控机载处理系统联接，辅助遥控接收设备连接在遥控机载处理系统上。遥控工作模式由主遥控工作模式和备份遥控工作模式组成，自主遥控(或称程序控制)模式是按编制好的软件程序遥控的，并配合主遥控设备来控制飞行的。主/备份遥控的切换通过备份切换控制器自动或人为地完成。而自主/遥控切换指令由机载遥控设备给出，在自动稳定系统中完成。

本发明设计的无人驾驶直升机遥控系统属于微波统一测控系统的一部分，它和其它分系统共用统一的射频信道和跟踪设备。在下面的叙述中，将遥控系统称为遥控分系统是就无人驾驶直升机的整个控制系统而言的。

本发明设计的无人驾驶直升机遥控分系统的功能包括开关型指令控制、比例型指令控制和航迹数据注入。其中开关型指令有开车、关车、发动机转速自主切换开关、高度、横向、航向遥控/自主切换开关、主/备份遥控切换开关等，比例型指令有纵向、横向、航向、总距和油门五路，航迹数据包括差分GPS修正信号、导航经纬高数据等。

遥控分系统地面设备与差分GPS设备、地面监控计算机相配合，共同完成指令采集、显示、编码、加密、发送以及记录等功能。

数据采集器负责采集操纵设备与设置开关的开关指令、比例指令和航迹注入数据，一方面送显示设备显示，另一方面送指令编码器进行编码，加密、编帧。指令编码器将飞行控制台和差分GPS设备的数据统一编帧后一边送遥控发射机发送，一边将所有编帧前原始遥控数据送地面监控计算机供监测显示。

机载设备与自动稳定系统、导航控制计算机相配合共同完成无人驾驶直升机飞行姿态控制、状态切换和自主导航控制等。

主遥控模式用于实现无人驾驶直升机的遥控飞行，完成姿态控制、状态切换和航迹数据注入等各项功能。备份遥控模式工作于与主遥控模式不同的频段，是主遥控的备份，用于完成无人驾驶直升机的姿态控制、简单的状态切换等功能。当主遥控频段受到敌方干扰时，可切换到备份遥控模式，能起到抗电子干扰的作用。自主模式用于使无人驾驶直升机按预先编制好的程序自主地飞行，因此也可称之为程序飞行。所有操纵量可以全部转自主，也可部分转自主。这里自主有两个含义：一是自动地达到预定的目标；二是自动地稳定在预定的目标。

在无人驾驶直升机飞行过程中，为了减轻控制手的负担，往往采用遥控与自主相互交链的方式控制无人驾驶直升机。以一个无人驾驶直升机的起、落来说明，如图3所示。从图中可以看出在遥控起飞时，发动机转速操纵量处于自主状态，而此时的操纵设备纵向、横向量仍处于遥控状态。

备份遥控模式是在主遥控模式出了故障后自动或人为切换过去的。切换过程如图4所示。当主遥控出现故障时，地面监控计算机将显示出，并告知是/否切换，选择是，系统转入完全自主遥控模式，待故障修复后自动转换到主遥控；选择否，系统进行延时等待，自动切换到完全自主遥控模式。

为了使无人驾驶直升机在切换过程中不致于因为操纵量或状态的跳变而失控，飞行中，主和备份遥控的操纵量、状态设置始终要保持一致，这通过比较地面监控计算机显示的备份遥控数据和遥测回传主遥控数据来实现。同样，在切换过程中加入完全转自主也是保证无人驾驶直升机在备份遥控模式没有正常接入时，可暂时处于自主遥控模式。

共轴式无人驾驶直升机飞行控制台主要完成地面控制指令(开关和比例指令)和航迹数据的采集，并发送到指令编码器的任务。采集的准确、及时与否直接关系到能否正确地控制无人驾驶直升机。同时，飞行控制台作为控制手与飞机的操纵界面，在设计上还必须考虑人机工效性，即控制手应能有效地操纵输入设备，减少由于控制手疲劳而引起的失误。飞行控制台分四个部分：操纵设备、设置开关、数据采集器和显示设备。在设计过程中，参照了有人直升机的控制平台。

操纵设备由五路(纵向、横向、航向、总距和油门)信号产生设备构成。纵向和横向设计在同一个操纵杆上，有前后和左右两个自由度，分别控制无人驾驶直升机纵向和横向舵机。总距和油门设计在一个拉杆上，有上下和沿轴旋转两个自由度，分别控制总距和油门舵机。航向设计在一副联动的踏板上，左踏和右踏都作用于航向舵机，分别控制无人驾驶直升机航向左和航向右。

操纵设备在设计过程中考虑了人机工效性，如操纵杆的摆动范围，手放置的位置等。通过控制手实际操纵无人驾驶直升机进行飞行实验，取得了满意的结果。

设置开关包括开关量、航迹数据的设置。它与显示设备(完成开关量、操纵量的显示)一起由数据采集器中的控制芯片Intel8279来控制。数据采集器采集操纵设备和设置设备来的数据，一方面送显示设备显示，另一方面通过并口通迅(为提高数据传输率)传输到指令编码器进行编码、加密。

无人驾驶直升机遥控上行信息包括遥控指令(开关指令和比例指令)和航迹数据两大类。

遥控指令是地面控制无人驾驶直升机及其有效载荷运作的一种命令。它是一种立即指令，即指令译码器译出指令后立即送机载各设备执行。遥控指令包括开关和比例指令，开关指令主要是为改变无人驾驶直升机状态而设置，如开车、关车、转速及纵向等的自主/遥控切换等，而比例指令则用于精确地控制无人驾驶直升机姿态，如纵向、横向、航向、总距和油门等。

航迹数据是为了在无人驾驶直升机飞行过程中，实时改变无人驾驶直升机的航迹，需要通过遥控上行信道向无人驾驶直升机上导航计算机发送的信息。这些数据包括导航经纬高数据、导航指令、飞行高度数据以及差分GPS数据等。

因为帧序列之间的间隔很短，译码不需要预先建立码同步，所以不需要加前导码。这里将遥控上行信息(包括遥控指令和航迹数据)全部编入一帧中，其中对较长的航迹数据采用加副帧的方法。请参看图5所示。

假定以9.6Kbps速率传输，采用三发两判的前向纠错方式：

则((2+1+2+5+1+2)×3×8)÷9.6K＝32.5ms

若选用35ms为帧发送周期，则遥控数据有28.6Hz的更新率，能够满足无人驾驶直升机控制的要求。

无人驾驶直升机的各种操纵量之间并不是相互独立，当一个操纵量变化时，另一个操纵量也需进行相应改变，否则无人驾驶直升机将失去控制，如总距和油门之间。

对于无人驾驶直升机，有以下一组关系：

功率∝油门；

转速²∝功率×K(K为比例因子)；

升力∝总距×转速²

如果想操纵无人驾驶直升机上升，需要提总距杆，使总距增加，桨叶角增大，阻力也增大，造成转速下降，此时升力是否增大是未知的，但转速稳定在一个值时，则升力与总距成正比。因此，通过增大油门，进而增大发动机功率，即动力增加，则可使转速上升，因此当总距增大时，需要找到一个油门值，使动力与阻力的增大大致相同，则转速稳定。这样的话，总距和油门就有一个对应的关系，这个关系通过实验可得，近似于一个2次曲线。显然操纵手在无人驾驶直升机飞行过程中是很难做到在提或压总距杆时能准确地调节好油门，因此，最好在总距、油门指令形成时，这种关系已确定好。

在设计时，根据实验得到的曲线制定成查找表，在形成总距指令同时，通过查找表中对应的油门值，叠加上采集来的油门值，形成油门指令，再将总距、油门一起发送。

本发明的遥控分系统是共轴式双旋翼无人驾驶直升机的一个重要组成部分，通过它能实时地控制无人驾驶直升机飞行姿态，并在飞行过程中进行状态切换和航迹数据注入，对于保证无人驾驶直升机正常的飞行，顺利地完成飞行任务有着重要意义。

Claims (7)

1、一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控系统，其特征在于：它由地面发射系统和机载接收系统构成，(a)地面发射系统包括飞行控制台、指令编码器、遥控发射机、测控天线、差分GPS设备、地面监控计算机和一辅助遥控发射设备，飞行控制台连接操纵设备、显示设备、地面监控计算机和遥控发射机，遥控发射机连接测控天线；数据采集器和差分GPS设备传送信息给指令编码器，指令编码器输出信号给遥控发射机；(b)机载接收系统包括测控天线、遥控接收机、码同步器、遥控机载处理系统和一辅助遥控接收设备，测控天线连接在遥控接收机上，遥控接收机联接码同步器，码同步器同遥控机载处理系统联接，辅助遥控接收设备连接在遥控机载处理系统上；(c)遥控工作模式为自主遥控工作模式和备份遥控工作模式，所述的自主遥控(程序控制)工作模式是按编制好的软件程序遥控。

2、根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于：指令编码器对传送来的信号进行编码、加密、编帧处理。

3、根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于：飞行控制台中设置开关的比例型指令有纵向、横向、航向、总距和油门；开关型指令有开车、关车、发动机转速自主切换开关、高度、横向、航向遥控/自主切换开关、主/备份遥控切换开关。

4、根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于：飞行控制台中设置开关的航迹数据为差分GPS修正信号、导航经纬高数据。

5、根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于：指令编码器对处理后的数据一方面传送给地面监控计算机进行监视，另一方面将数据统一编帧传送给遥控发射机。

6、根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于：码同步器对遥控接收机接收到的数据进行码同步处理。

7、根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于：遥控机载处理系统对码同步器传送的数据进行解码、解密、解帧处理。

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