CN201551845U - 固定翼航模飞行辅助系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固定翼航模飞行辅助系统，其特征是：设有中央微处理器和与其连接的参数设置模块、姿态测量模块、状态监测模块、GPS定位模块以及视频叠加模块，所述的中央微处理器还与控制通信设备和控制执行设备连接。通过调整参数设置模块设定方向舵、副翼舵和升降舵的控制灵敏度；通过姿态测量模块监控航模的飞行姿态，实现操纵失控时的智能平衡；通过GPS定位模块，规划航模航线并使之按航线飞行，在信号丢失时使其自动返航；通过视频叠加模块把飞行数据叠加到下传的模拟视频数据上，为FPV飞行操纵提供实时参考。本实用新型具有结构简单、成本低廉、使用简便、安全性高、趣味性强、功能丰富的优点。

Description

固定翼航模飞行辅助系统

技术领域

本实用新型涉及航模控制系统，尤其是固定翼航模飞行辅助系统。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，航模活动逐渐在我国一些城市普及开来，航模飞行安全性与操纵趣味性等问题越来越受关注，催生了各式各样的飞行辅助系统。目前航模飞行辅助系统最主要的功能需求是智能平衡、自动返航与视频叠加。

在广大航模遥控初学者中，由于操作不熟练、气流变化等原因不可避免的会发生摔机现象，轻则损坏航模，重则伤及周围人员，由此产生了在操控失控时使航模恢复平稳飞行的使用需求。此外，由于遥控器失灵等原因，也会造成航模的丢机现象，同样需要适当的预防措施，使航模能随时自动返航。

经过多年发展，航模有了多种玩法，目前最流行的一种就是FPV(First Person View，即第一人称视角)飞行操纵。FPV基于无线视频监控技术，在航模上装载模拟摄像头及无线图传发射机，把飞行数据叠加在航拍图像上传回地面，这样，操纵者就能像真正的飞行员一样，看着地面监视器上的图像来操纵航模，即使在视线无法看到的地方也能应付自如，给他们带来非常真实的虚拟驾驶感受。

目前已有的固定翼航模飞行辅助系统功能相对单一，一般需要分别采买多个系统回去重新搭配安装，才能满足较高的固定翼航模飞行辅助需求，但这样做的话，一来增加成本，二来也增加了设备安装的复杂性。

此外，现有固定翼航模飞行辅助系统还存在姿态测量易受环境影响、舵机控制参数设置步骤复杂等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低廉、使用简便、安全性高、趣味性强、功能丰富的固定翼航模飞行辅助系统。

实现本实用新型目的所采用的技术方案是：

一种固定翼航模飞行辅助系统，与现有技术不同的是：设有中央微处理器和与其连接的参数设置模块、姿态测量模块、状态监测模块、GPS定位模块以及视频叠加模块，所述的中央微处理器还与控制通信设备和控制执行设备连接。

所述的姿态测量模块为与所述的中央微处理器连接的三轴陀螺仪和三轴加速度计的组合或三轴正交陀螺仪组与三轴正交加速度计组的组合或惯性测量单元。

所述的参数设置模块为分别与所述的中央微处理器连接的三个电位器。

所述的状态监测模块为分别与所述的中央微处理器连接的温度传感器、电压传感器、高度传感器和空速传感器。

所述的GPS定位模块为与所述的中央微处理器连接的GPS接收机以及与所述GPS接收机连接的GPS天线。

所述的视频叠加模块为与所述的中央微处理器连接的视频叠加芯片，该视频叠加芯片还分别与模拟摄像头和无线图传发射机连接。

所述的视频叠加芯片型号为6453系列。

所述的控制通信设备为分别与所述的中央微处理器连接的机载遥控接收机和机载数传电台。

所述的控制执行设备为分别与所述的中央微处理器连接的方向舵舵机、副翼舵舵机、升降舵舵机和发动机舵机。

所述的中央微处理器型号为ARM Cortex-M3。

本实用新型提出了一种多功能的固定翼航模飞行辅助系统，可实现固定翼航模操纵失控时的智能平衡、信号丢失时的自动返航以及用于FPV飞行航拍时的视频叠加，能简易设置舵机控制参数，能快速规划航模航线并使之按航线飞行。

本实用新型结构简单、成本低廉；简化了航模操纵的复杂性，通过调整参数设置模块的三个电位器能简易设定方向舵、副翼舵和升降舵的控制灵敏度，操作简单，使用简便；本实用新型保障了固定翼航模飞行的安全性，其中由惯性角速率传感器和线加速度传感器组成的惯性姿态测量模块，能不受环境限制，通过中央微处理器实时解算并检测航模的飞行姿态，一旦出现操纵失控现象，只要简单更改地面控制命令，就能让航模智能地恢复水平飞行状态，安全性高。

本实用新型还利用视频叠加技术，把完整的飞行数据叠加到下传的模拟视频数据上，可以为FPV飞行操纵提供实时参考，增加航模操纵的趣味性。

本实用新型利用GPS定位技术实现丰富的导航功能，包括自动返航、预设航线和航线飞行。开机即记录一个回家点，通过中央微处理器对地面控制信号进行实时监控，能在信号丢失的瞬间让航模自动返航，或在飞行过程中随时更改地面控制命令使航模自动返航。在地面控制点的电脑软件上设定一条航线，把航线数据经由地面上的数传电台上传至机载数传电台，送到中央微处理器中储存起来，在必要时驱使航模按该预设航线飞行。

因此，本实用新型具有结构简单、成本低廉、使用简便、安全性高、趣味性强、功能丰富的优点。

附图说明

图1为本实用新型系统组成图；

图2为本实用新型的结构示意图。

图中，10.参数设置模块 20.姿态测量模块 30.状态监测模块 40.GPS定位模块 50.中央微处理器 60.视频叠加模块 70.控制通信设备 80.控制执行设备 11.方向舵灵敏度调整电位器12.副翼舵灵敏度调整电位器 13.升降舵灵敏度调整电位器 21.三轴陀螺仪 22.三轴加速度计31.温度传感器 32.电压传感器 33.高度传感器 34.空速传感器 41.GPS天线 42.GPS接收机61.视频叠加芯片 62.模拟摄像头 63.无线图传发射机 71.机载遥控接收机 72.机载数传电台81.方向舵舵机 82.副翼舵舵机 83.升降舵舵机 84.发动机舵机 91.电池组 92.空速管

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步的非限定性阐述。

实施例：

如图1图2所示，本实用新型固定翼航模飞行辅助系统设有中央微处理器50和与其连接的参数设置模块10、姿态测量模块20、状态监测模块30、GPS定位模块40以及视频叠加模块60，中央微处理器50还与控制通信设备70和控制执行设备80连接。中央微处理器50的型号为ARM Cortex-M3。

其中参数设置模块10负责提供固定翼航模舵机灵敏度数据，姿态测量模块20负责实时提供固定翼航模三轴角速率与线加速度数据，状态监测模块30负责提供固定翼航模状态数据，GPS定位模块40负责实时提供固定翼航模三维位置及时间数据，视频叠加模块60负责把飞行数据与视频数据叠加起来。中央微处理器50接收固定翼航模的舵机灵敏度、三轴角速率与线加速度、状态、位置和时间数据，并输出整理过的飞行数据。中央微处理器50从控制通信设备70接收地面控制数据，据此对相关传感器数据计算分析后，向控制执行设备80发送相关控制命令，实现固定翼航模的姿态控制与速度控制。

参数设置模块10为与中央微处理器50连接的三个电位器，即方向舵灵敏度调整电位器11、副翼舵灵敏度调整电位器12和升降舵灵敏度调整电位器13，将三个方向上的舵机灵敏度数据发送给中央微处理器50。

姿态测量模块20为与中央微处理器50连接的三轴陀螺仪21和三轴加速度计22的组合，或者采用其他三轴正交陀螺仪组(例如一个双轴陀螺仪和一个与之正交安装的单轴陀螺仪)和三轴加速度计组(例如一个双轴加速度计和一个与之正交安装的单轴加速度计)的组合，或者采用现有的惯性测量单元(IMU)，测量三个正交轴向上的三个角速率和三个线加速度一共六个惯性物理量，将固定翼航模三轴角速率和线加速度数据发送给中央微处理器50。

状态监测模块30为分别与中央微处理器50连接的温度传感器31、电压传感器32、高度传感器33和空速传感器34，将固定翼航模的状态数据发送给中央微处理器50。

高度传感器33和空速传感器34分别与空速管92连接，分别通过空速管92的静压、动压数据测量固定翼航模的高度和速度数据；电压传感器32与固定翼航模动力电池组91连接，测量固定翼航模的电池组电压数据，电池组由3个4.2V电池串联而成，总电压为12.6V。

GPS定位模块40为与中央微处理器50连接的GPS接收机42以及与该GPS接收机连接的GPS天线41，将固定翼航模三维位置及时间数据发送给中央微处理器50。视频叠加模块60为视频叠加芯片61，一个输入端与中央微处理器50连接，接收整理过的飞行数据，另一个输入端与模拟摄像头62连接，接收采集到的模拟视频数据，把飞行数据和视频数据叠加在一起，再从输出端传到与其连接的无线图传发射机63。视频叠加芯片60的型号为6453系列，采用NEC6453。

中央微处理器50与控制通信设备70连接，该控制通信设备为分别与中央微处理器50连接的机载遥控接收机71和机载数传电台72，接收来自地面控制点的控制数据。机载遥控接收机71通过方向通道、副翼通道、升降通道、发动机通道和开关切换通道这5个信号通道(数据连接线)向中央微处理器50发送数据。

中央微处理器50还与控制执行设备80连接，该控制执行设备为方向舵舵机81、副翼舵舵机82、升降舵舵机83和发动机舵机84，接收来自中央微处理器50的控制命令数据，驱动相应舵面的角度摆动。

具体地，中央微处理器50通过自带的模数转换器(ADC)与方向舵灵敏度调整电位器11、副翼舵灵敏度调整电位器12、升降舵灵敏度调整电位器13、三轴陀螺仪21、三轴加速度计22、温度传感器31、电压传感器32、高度传感器33和空速传感器34连接，接收数字化后的各种模拟测量数据；中央微处理器50也与GPS接收机42、机载遥控接收机71和机载数传电台72连接，接收相应数字数据；此外，中央微处理器50还与视频叠加芯片61，方向舵舵机81、副翼舵舵机82、升降舵舵机83和发动机舵机84连接，输出相应数字数据。

根据本实用新型中的姿态测量模块中的三轴陀螺仪21的安装位置标记x、y和z轴，固定翼航模以其重心位置O为坐标原点建立三维坐标系，机头方向为X轴，右机翼方向为Y轴，Z轴则垂直于XOY平面，指向下方，与本实用新型配装。

本实用新型按以下步骤工作：

1、系统安装：把本实用新型固装在固定翼航模中央相对平坦的地方，连通连线后上电调试；

2、预设舵机控制参数：通过方向舵灵敏度调整电位器11、副翼舵灵敏度调整电位器12和升降舵灵敏度调整电位器13，分别设置方向舵舵机81、副翼舵舵机82和升降舵舵机83的舵量方向和控制量的大小；

3、系统初始化：

1)设置舵机参数：中央微处理器50读取方向舵灵敏度调整电位器11、副翼舵灵敏度调整电位器12和升降舵灵敏度调整电位器13的数据，记录方向舵舵机81、副翼舵舵机82和升降舵舵机83的舵量方向和控制量的大小；

2)设定三轴陀螺仪21的基准：把飞行辅助系统静置5秒钟，中央微处理器50读取x、y和z三个轴向上的陀螺角速率数据，取其平均值作为相应轴向上的陀螺角速率基准；

3)计算初始姿态：在飞行辅助系统静置的5秒钟内，中央微处理器50读取三轴加速度计22的数据，取其三个轴向上的读数均值来计算固定翼航模的初始姿态；

4)记录返航点：系统上电后，中央微处理器50马上监控GPS接收机42传来的定位信号，当首次接收到5颗或5颗以上卫星的信号时，就把当前位置记录为返航点；

5)启动视频叠加：系统一上电，视频叠加芯片61就开始接收来自中央微处理器50的完整飞行数据和来自模拟摄像头62的模拟视频数据，把两种数据叠加起来，传到无线图传发射机63，经由无线图传数据链路传回地面控制点，视频叠加独立于其他系统功能，只要系统一直在正常工作，就不会间断叠加的过程；

4、中央微处理器50分析从机载遥控接收机71和机载数传电台72传来的地面控制数据，按相应工作模式驱动系统工作。期间一旦监控到地面控制信号丢失，立即自动进入返航模式。其中，工作模式一至三的切换命令可由机载遥控接收机71或机载数传电台72传送，而工作模式四和五的切换命令则只能由机载数传电台72传送；

5、工作模式一，本实用新型只提供视频叠加功能，允许地面操纵者通过手动操纵来遥控航模飞行；

6、工作模式二，实现航模的自动返航：中央微处理器50经过计算分析后，向控制执行设备80，即方向舵舵机81、副翼舵舵机82、升降舵舵机83和发动机舵机84发送相应控制命令，以模式切换时的飞行高度为返航的定高高度，以系统初始化时记录的返航点为目标点，驱使固定翼航模自主飞行返回。返航后航模将在以返航点经纬度坐标点为圆心，50米为半径的圆形轨迹上自动盘旋飞行。返航成功之后，操纵者可以把控制方式切换到工作模式一，手动降落航模；

7、工作模式三，实现航模的智能平衡：中央微处理器50通过分析三轴陀螺仪21和三轴加速度计22的读数，解算出航模当前的飞行姿态，发送相应控制命令到控制执行设备80，即方向舵舵机81、副翼舵舵机82、升降舵舵机83和发动机舵机84，以稳定平飞为目的，控制航模的飞行状态；

8、工作模式四，实现航模的预设航线：在地面控制点的电脑软件上设定一条航线，把航线数据经由地面上的数传电台发射至机载数传电台72，然后送到中央微处理器50中储存起来；

9、工作模式五，实现航模的航线飞行：把中央微处理器50上预存的航线调出来，经过实时计算分析，驱使控制执行设备80工作，进入相应的飞行过程。

Claims (3)

1.固定翼航模飞行辅助系统，其特征是：设有中央微处理器和与其连接的参数设置模块、姿态测量模块、状态监测模块、GPS定位模块以及视频叠加模块，所述的中央微处理器还与控制通信设备和控制执行设备连接，所述的姿态测量模块为与所述的中央微处理器连接的三轴陀螺仪和三轴加速度计的组合或三轴正交陀螺仪组与三轴正交加速度计组的组合或惯性测量单元，所述的参数设置模块为分别与所述的中央微处理器连接的三个电位器，所述的状态监测模块为分别与所述的中央微处理器连接的温度传感器、电压传感器、高度传感器和空速传感器，所述的GPS定位模块为与所述的中央微处理器连接的GPS接收机以及与所述GPS接收机连接的GPS天线，所述的视频叠加模块为与所述的中央微处理器连接的视频叠加芯片，该视频叠加芯片还分别与模拟摄像头和无线图传发射机连接，所述的控制通信设备为分别与所述的中央微处理器连接的机载遥控接收机和机载数传电台，所述的控制执行设备为分别与所述的中央微处理器连接的方向舵舵机、副翼舵舵机、升降舵舵机和发动机舵机。

2.根据权利要求1所述的固定翼航模飞行辅助系统，其特征是：所述的视频叠加芯片型号为6453系列。

3.根据权利要求1所述的固定翼航模飞行辅助系统，其特征是：所述的中央微处理器型号为ARM Cortex-M3。

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