CN211653429U - 无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，包括控制器、转接板和高频头，控制器用于采集无人机操控设备的运行数据，并将运行数据转换为GPIO波形文件输入转接板，转接板将GPIO波形数据转换为PPM信号数据或串口数据输入高频头，高频头将PPM信号数据或串口数据转换为射频信号，通过高频头天线发射出去；本实用新型能够实时采集无人机操控设备的运行数据，缩短无人机半实物仿真的响应时间，提高仿真效果，且扩展性和可维护性较好。

Description

无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置

技术领域

本实用新型属于无人机半实物飞行仿真技术领域，涉及一种无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置。

背景技术

无人机半物理仿真是指采用真实的控制器和实时数学模型进行系统仿真测试，也称为硬件在环仿真，在使用计算机进行无人机飞行控制时，虚拟空间内的飞行器不再是简单的立体图像，而是具有较高仿真程度的物理模型，包括重量、重心位置、重量分布、转矩、动力布置、启动特性等，飞行器的控制有实体飞控参与，能较为真实的模拟飞行和控制特性。

目前的无人机半物理飞行仿真系统中，主要采用人工、指令和自主三种操控方式，人工方式是借助油门杆、飞行杆和脚蹬等设备作为操纵装置，像飞行员驾驶飞机一样控制无人机的飞行；指令方式是借助快捷按钮、键盘或触摸屏等人机接口操控无人机，实现并保持平飞、下滑、爬升、侧滑等动作，此时无人机具有一定的自动控制能力；自主方式是通过编辑飞行航线，使无人机按照预先设定的任务计划飞行或返航，无人机在自主方式下具有最高的自动化程度；人工方式作为最基础的控制方式，能真实模拟无人机飞行操控特性，在无人机启动数据建模方面发挥着重要作用，当无人机出现故障或紧急情况时，人工方式还可以叠加其他操控方式，实现控制无人机安全飞行的目的，目前采用油门杆、飞行杆和脚蹬等设备作为操纵装置已成为无人机半物理飞行仿真系统的主流搭配。

然而现有的无人机半物理飞行仿真系统大多是基于windows平台开发的，油门杆、飞行杆和脚蹬等操控设备均通过USB接口接入仿真系统中，由于系统调度机制是多任务的，使得操控设备的数据采集实时性较差，响应时间较长，约为毫秒级，仿真系统偶尔会出现由数据采集不及时引起的仿真堵塞、系统卡滞等现象；同时现有仿真系统大都针对特定的操控设备定制采集和处理程序，升级新的操控设备需要修改仿真系统密码，系统扩展性和可维护性差。

发明内容

为了达到上述目的，本实用新型提供一种无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，解决了无人机半物理仿真过程中数据采集实时性差的问题，提高了飞行操控设备数据采集装置的扩展性和可维护性。

本实用新型所采用的技术方案是，无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，包括控制器、转接板和高频头；

所述控制器用于采集无人机操控设备的运行数据，并将运行数据转换为GPIO波形文件输入转接板；

所述转接板用于将GPIO波形文件转换为PPM信号数据或串口数据输入高频头；

所述高频头用于将PPM信号数据或串口数据转换为射频信号，并通过高频头天线发射出去。

进一步的，所述控制器包括USB接口、数据处理模块和第一GPIO接口，无人机的各操控设备通过所述USB接口将运行数据输入数据处理模块，所述数据处理模块将运行数据转换为GPIO波形文件输送至第一GPIO接口；

所述转接板上设有第二GPIO接口、PPM接口和高频头天线座，所述高频头天线座上焊接有高频头天线；所述第一GPIO接口通过第二GPIO接口将GPIO波形文件转输入PPM接口，所述PPM接口将GPIO波形文件转换为PPM信号数据输入高频头，所述高频头将PPM信号数据转换为射频信号，并通过高频头天线将射频信号发送至接收机。

进一步的，所述转接板上还设有串口作为PPM接口的备用接口，所述串口接收第二GPIO接口发送的GPIO波形文件，并转换为串口数据发送至高频头。

进一步的，所述转接板上还设有外接电源接口和高频头电源开关，5V直流电源与外接电源接口连接，外接电源接口依次与第二GPIO接口、第一GPIO接口连接，5V直流电源为控制器供电，控制器还将5V直流电降压为3.3V直流电，并依次通过第一GPIO接口、第二GPIO接口为高频头和高频头电源开关供电，高频头电源开关用于控制高频头的对频状态和工作状态。

进一步的，所述控制器选用ARM Cortex-A53处理器。

进一步的，所述高频头选用OpenTX多协议高频头或RadioBoss JP4in1模块、HD208P模块。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用控制器执行单任务实时调度机制，实时采集无人机操控设备的操控数据，将仿真过程中无人机的响应时间缩短至微秒级，避免了仿真堵塞或卡滞；本实用新型相对于仿真系统独立运行，在更新、维护时更易操作，系统能够根据需要接入、替换或维修飞行操控设备，本实用新型和仿真系统的扩展性和可维护性提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的仿真系统飞控图。

图2是应用本实用新型的仿真系统飞控图。

图3是本实用新型的结构图。

图4是转接板顶层的组成连接图。

图5是转接板底层的组成连接图。

图中，1.USB接口，2.数据处理模块，3.第一GPIO接口，4.转接板，5.高频头，6.5V直流电源，7.操控设备。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置包括控制器、转接板4和高频头5，所述控制器用于采集无人机各操控设备7的运行数据，将运行数据转换为PPM信号数据，并通过波形添加、创建波形、波形发送、波形删除等操作将PPM信号数据转换成GPIO波形文件输送至转接板4，转接板4将GPIO波形文件转换为PPM信号数据或串口数据输入高频头5，高频头5将转换获得的射频信号通过高频头天线发射出去。

如图3所示，控制器包括USB接口1、数据处理模块2和第一GPIO接口3，控制器的USB接口1分别与油门杆、飞行杆等操控设备7的信号输出端连接，以实时采集各操控设备7的运行数据，并将采集的运行数据输送至数据处理模块2，数据处理模块2将运行数据中的轴数据和按钮数据组合打包后转换为PPM信号数据，再将PPM信号数据转换为GPIO波形文件，并通过第一GPIO接口3输送至转接板4的第二GPIO接口，如图5所示，转接板4上设有2*20针的第二GPIO接口、3*5针的PPM接口，第二GPIO接口将接收到的GPIO波形文件转送至PPM接口，PPM接口将GPIO波形文件转换为PPM信号数据，并将PPM信号数据传输至高频头5，转接板4的高频头天线座上焊接有高频头天线，高频头5将PPM信号数据转换为射频信号通过高频头天线射频发射至接收机，以用于无人机半物理仿真飞行控制。

转接板4上还设有4针串口作为PPM接口的备份接口，在PPM接口故障时串口可接收第二GPIO接口发送的GPIO波形文件，并将其转换为串口数据输送至高频头5，高频头5将串口数据转换为射频信号输送至高频头天线（ATT）；转接板4上还设有外接电源接口（PW）和高频头电源开关（SW），5V直流电源6与外接电源接口连接，如图4所示5V直流电源6依次与第二GPIO接口、第一GPIO接口3连接，为控制器供电，控制器还将5V直流电降压为3.3V直流电，将3.3V直流电通过第一GPIO接口3、第二GPIO接口输入高频头电源开关和高频头5为其供电，高频头电源开关用于控制高频头5的工作状态和对频状态，高频头电源开关闭合时高频头5处于正常工作状态，首次使用高频头5时需要对高频头5和接收机对频，对频时先断开高频头电源开关，根据接收机类型选择高频头5的通信协议，然后打开接收机、按压高频头电源开关的对频按键，再关闭高频头电源开关，3秒后松开对频按键，高频头5指示灯闪烁表示高频头5进入对频模式，高频头5指示灯常亮表示对频结束。

控制器选用树莓派3B+开发板，主要指标为1.4G 64位四核ARM Cortex-A53处理器，1G LPDDR2内存，32G TF卡，40针GPIO，4个2.0 USB接口等，5V专用电源；控制器还可选用具有USB接口的操作系统为Linux的类似平台实现。

高频头5选用OpenTX多协议高频头，高频头5的主控芯片STM32F103、工作频率为2.4GHz、射频功率为+22dBm、工作电压为3.3V，支持PPM模式和串口模式，支持华科尔、地平线、富斯、睿思凯、Futaba等通信协议，高频头5还可选用RadioBoss JP4in1模块、HD208P模块等具有PPM工作模式的模块实现；工作时将高频头5的工作模式设置为PPM模式，高频头5依据仿真系统中常用的数据接收模块更改通信协议，通过高频头天线将数据射频发射至仿真系统中的接收机，以实现操控设备运行数据的实时采集。

如图1所示现有技术进行无人机半物理仿真飞行控制时，将飞行杆、油门杆等操控设备的输出信号经地面站转输入自动驾驶仪进行飞行控制，此时地面站采用多任务调度机制运行，很难保证飞行控制数据获取的实时性，无人机半实物仿真的响应时间为毫秒级，易出现卡滞或堵塞而影响仿真效果，仿真过程中若是更换、维修操控设备，则需要相应修改地面站的软件代码，仿真系统的扩展性和可维护性较差；应用本实用新型的无人机半物理仿真系统如图2所示，使用与地面站独立运行的采集装置实时采集操控设备的控制数据，并将控制数据处理后经高频头5输送至自动驾驶仪，进行三维仿真飞行控制操作，本实用新型采集操控数据的实时性较好，将仿真无人机的响应时间缩短至微秒级，避免了仿真系统卡滞或堵塞，且在操控设备更换、维护时能方便地进行扩展、维护。

本实用新型工作时打开飞行杆和油门杆等操控设备，初始化控制器的第一GPIO接口3，操控设备7通过USB接口1将操控数据输入数据处理模块2，数据处理模块2根据飞行摇杆的类型将摇杆状态的轴数据和按钮数据打包，所述飞行摇杆的类型为飞行杆或油门杆，数据处理模块2将打包好的数据转换成PPM信号数据，并通过波形添加、创建波形、波形发送、波形删除等操作将PPM信号数据转换成GPIO波形文件，再通过第一GPIO接口3将GPIO波形文件发送至第二GPIO接口，第二GPIO接口接收到GPIO波形文件后输入PPM接口进行转换，并将转换获得的PPM信号数据输入高频头5，高频头5通过高频头天线将射频信号发送至自动驾驶仪的接收机，进而实现操控数据的实时采集，转换板4还设有串口作为PPM接口的备用接口，在PPM接口故障时串口可接收第二GPIO接口输送的GPIO波形文件，并转换为串口数据输送至高频头5，高频头5将串口数据转换为射频信号，通过高频头天线发射至接收机。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，其特征在于，包括控制器、转接板（4）和高频头（5）；

所述控制器用于采集无人机操控设备的运行数据，并将运行数据转换为GPIO波形文件输入转接板（4）；

所述转接板（4）用于将GPIO波形文件转换为PPM信号数据或串口数据输入高频头（5）；

所述高频头（5）用于将PPM信号数据或串口数据转换为射频信号，并通过高频头天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，其特征在于，所述控制器包括USB接口（1）、数据处理模块（2）和第一GPIO接口（3），无人机的各操控设备（7）通过所述USB接口（1）将运行数据输入数据处理模块（2），所述数据处理模块（2）将运行数据转换为GPIO波形文件输送至第一GPIO接口（3）；

所述转接板（4）上设有第二GPIO接口、PPM接口和高频头天线座，所述高频头天线座上焊接有高频头天线；所述第一GPIO接口（3）通过第二GPIO接口将GPIO波形文件转输入PPM接口，所述PPM接口将GPIO波形文件转换为PPM信号数据输入高频头（5），所述高频头（5）将PPM信号数据转换为射频信号，并通过高频头天线将射频信号发送至接收机。

3.根据权利要求1所述的无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，其特征在于，所述转接板（4）上还设有串口作为PPM接口的备用接口，所述串口接收第二GPIO接口发送的GPIO波形文件，并转换为串口数据发送至高频头（5）。

4.根据权利要求1所述的无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，其特征在于，所述转接板（4）上还设有外接电源接口和高频头电源开关，5V直流电源（6）与外接电源接口连接，外接电源接口依次与第二GPIO接口、第一GPIO接口（3）连接，5V直流电源（6）为控制器供电，控制器还将5V直流电降压为3.3V直流电，并依次通过第一GPIO接口（3）、第二GPIO接口为高频头（5）和高频头电源开关供电，高频头电源开关用于控制高频头（5）的对频状态和工作状态。

5.根据权利要求1所述的无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，其特征在于，所述控制器选用ARM Cortex-A53处理器。

6.根据权利要求1所述的无人机半物理仿真用飞行操控设备实时采集装置，其特征在于，所述高频头（5）选用OpenTX多协议高频头或RadioBoss JP4in1模块、HD208P模块。

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