CN215181587U - 一种手持便携式无人机地面控制显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种手持便携式无人机地面控制显示设备,包括无人机显示单元(1)、连接线缆(2)、电源(3)、数据传输模块(4)；本实用新型充分考虑人体学规律与人体运动学规律，以人体工程学为背景，将人体学运动规律与无人机运动特征相结合，通过操作CDU模块各个轴的不同转动方向来无人机的运动状态，使得其科学、易用。

Description

一种手持便携式无人机地面控制显示设备

技术领域

本实用新型涉及无人机领域，具体是一种手持便携式无人机地面控制显示设备。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序装置操纵的不载人飞机。无人机手柄是无人机飞行状态的重要设备，为了便于监控无人机摄像头拍摄画面、方便用户操控无人机，无人机手柄上通常会设置有显示屏。

然而，目前市面上大部分的显示屏是固定在无人机手柄上的，这会导致显示屏不易从手柄上拆卸下来，或者拆卸过程较为繁琐的问题。

同时，现有遥控手柄无人机的过程中，遥控手柄通常利用摇杆或者按钮无人机的飞行左右方向，当无人机需要大幅度转向时，按钮无法立刻实现，操作不便；摇杆可以无人机大幅转向，但是摇杆伸出手柄外，容易折断，因此携带时需要特别保护，由此带来不便。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种手持便携式无人机地面控制显示设备，包括无人机显示单元、连接线缆、电源、数据传输模块和环状袖带。

所述无人机显示单元包括显示设备、手柄和芯片。

所述显示设备包括显示设备主体和延伸部。

所述显示设备主体为矩形壳体。

所述显示设备主体的一侧向外延伸形成延伸部。

所述显示设备主体上设有显示屏、若干指控站交互按键和接线口。

若干指控站交互按键位于显示屏的两侧。

所述接线口供连接线缆插入。

所述芯片安装在显示设备主体内部，接收指控站交互按键和无人机按键的信号，并生成无人机行动信号。

所述芯片通过连接线缆将无人机行动信号传输至数据传输模块的中转模块。

所述手柄包括固定轴、转弯轴、弹性轴、直行轴和手握杆。

所述固定轴的一端嵌入显示设备的延伸部，另一端嵌入转弯轴。

所述转弯轴通过弹性轴与直行轴连接。

所述转弯轴在水平方向上可转动。转弯轴的转动方向决定无人机转弯方向。

所述弹性轴缓冲转弯轴转动时产生的力。

所述直行轴的一侧向下延伸形成手握杆。

所述直行轴在水平方向上可转动。直行轴转动方向决定无人机直行前进或直行后退。

所述手握杆的侧壁设有若干无人机按键。

所述无人机按键包括刹车按键、直行按键和转弯按键。

所述指控站交互按键和无人机按键均为透光型按键。

所述无人机显示单元通过连接线缆连接数据传输模块。

所述电源通过连接线缆连接数据传输模块，将电压传输至数据传输模块的变压器。

所述数据传输模块包括变压器和中转模块。

所述变压器和中转模块通过电缆连接。

所述变压器将电源输出的电压传输至中转模块。

所述中转模块通过连接线缆将电压传输至无人机显示单元。

所述中转模块通过连接线缆与无人机连接。

所述中转模块将无人机行动信号传输到无人机。

环状袖带粘接在无人机显示单元上。所述手持便携式无人机地面控制显示设备通过袖带佩戴在使用者手臂上。所述袖带的长度可调。

本实用新型的技术效果是毋庸置疑的，本实用新型提供的无人机控制显示单元(CDU)根据无人机的实际需求，综合考虑CDU与指控站的从属关系和人体学规律与人体运动学规律，以人体工程学为背景，将人体学运动规律与无人机运动特征相结合，通过操作CDU模块各个轴的不同转动方向来无人机的运动状态，使得其科学、易用。本实用新型利用按键确保无人机在地面运动的安全性，防止操控员因误操作发生危险。

附图说明

图1为CDU与指控站信号交联图；

图2为CDU系统组成图；

图3为CDU模块设计效果图；

图4为CDU面板设计效果图；

图5为CDU手柄设计效果图；

图6为电源模块示意图；

图7为无线调制解调器模块示意图；

图8为数据传输模块示意图；

图9为CDU系统硬件配置图；

图中：无人机显示单元1、连接线缆2、电源3、数据传输模块4、无线调制解调器5、显示设备主体101和延伸部102、指控站交互按键103、接线口104、显示屏105、转弯轴106、弹性轴107、直行轴108、手握杆109、无人机按键1091。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图9，一种手持便携式无人机地面控制显示设备，包括无人机显示单元1、连接线缆2、电源3、数据传输模块4和环状袖带。

所述无人机显示单元1包括显示设备、手柄和芯片。

所述显示设备包括显示设备主体101和延伸部102。

所述显示设备主体为矩形壳体。

所述显示设备主体的一侧向外延伸形成延伸部102。

所述显示设备主体上设有显示屏105、若干指控站交互按键103和接线口104。

若干指控站交互按键位于显示屏105的两侧。

按压指控站交互按键，显示界面产生交互控制信号。

所述接线口104供连接线缆2插入。

所述芯片安装在显示设备主体101内部，接收指控站交互按键103和无人机按键1091的信号，并生成无人机行动信号。

所述芯片通过连接线缆2将无人机行动信号传输至数据传输模块4的中转模块。

所述手柄包括固定轴、转弯轴106、弹性轴107、直行轴108和手握杆109。

所述固定轴的一端嵌入显示设备的延伸部102，另一端嵌入转弯轴106。

所述转弯轴106通过弹性轴107与直行轴108连接。

所述转弯轴106在水平方向上可转动。转弯轴106的转动方向决定无人机转弯方向。

所述弹性轴107缓冲转弯轴106转动时产生的力。

所述直行轴108的一侧向下延伸形成手握杆109。

所述直行轴108在水平方向上可转动。直行轴108转动方向决定无人机直行前进或直行后退。

所述手握杆109的侧壁设有若干无人机按键1091。

所述无人机按键1091包括刹车按键、直行按键和转弯按键。

所述指控站交互按键103和无人机按键1091均为透光型按键。

所述无人机显示单元1通过连接线缆2连接数据传输模块4。

所述电源3通过连接线缆2连接数据传输模块4，将电压传输至数据传输模块4的变压器。

所述数据传输模块4包括变压器和中转模块。

所述变压器和中转模块通过电缆连接。

所述变压器4将电源3输出的电压传输至中转模块。

所述中转模块通过连接线缆2将电压传输至无人机显示单元1。

所述中转模块通过连接线缆2与无人机连接。

所述中转模块将无人机行动信号传输到无人机。

环状袖带粘接在无人机显示单元1上。所述手持便携式无人机地面控制显示设备通过袖带佩戴在使用者手臂上。所述袖带的长度可调。

实施例2：

参见图1至图9，一种手持便携式无人机地面控制显示设备，包括无人机显示单元1、连接线缆2、电源3、数据传输模块4、无线调制解调器5和环状袖带。

所述无人机显示单元1包括显示设备和手柄。

在无人机地面转运过程中，CDU担任操控员终端的角色，以主控站为中转，通过无线信道监视与命令无人机。在转运过程中，无人机在线数据从机载系统传输到地面站，地面站将数据通过无线调制解调器传输到CDU系统，CDU软件部分的任务就是提供一个友好、真实的界面给操控员，监视转运过程，实现不同的数据可视化方法。

所述无人机显示单元1直接与无人机操控员交互，提供一个简单易用、界面友好的图形化用户界面。方案中设计了三种视图模式，其中：命令视图，分为命令选择和命令显示面板，显示命令历史和通信回应结果；状态视图，显示无人机状态变量名称(如位置与速度)和数值；视频、图像视图，当无人机按照规划好的路径自主进行转运时，可调用该视图以图像形式显示无人机真实动作、转运路径点及当前无人机位置。

所述显示设备包括显示设备主体101、延伸部102和芯片。

所述显示设备主体为矩形壳体。

所述显示设备主体的一侧向外延伸形成延伸部102。

所述显示设备主体上设有显示屏105、若干指控站交互按键103和接线口104。

所述显示屏105显示指控站交互信号和接收自指控站的指控站反馈信号携带的信息。

VGA显示屏105选用非过滤性背光和兼容NVIS(Night VisionImaging System，夜视成像系统)B背光的广视角液晶显示器，可供操控员在多种天气条件、不同时间段下工作。

无人机按键1091和芯片信号线连接；指控站交互按键103和芯片信号线连接。

所述指控站交互按键103和无人机按键1091均为透光型按键。

所述指控站交互按键位于显示屏105的两侧。

所述接线口104供连接线缆2插入。

按压指控站交互按键103后，无人机显示单元1的芯片产生指控站交互信号。

芯片集成在显示设备主体内部。

CDU(显示组件)是飞行管理系统进行人机联系的一个重要部件。它相当于普通电子计算机的键盘和终端显示器的集合体，建立无人机操控人员和无人机飞行管理系统之间的联系。

表1 CDU基本参数表

显示方式	VGA，彩色显示
		尺寸	长：400mm，宽：140mm，高：200mm
重量	不大于3.0kg
		供电电压	5V，12V
最大功耗	10W

屏蔽设计是要最小化由电磁干扰(EMI)与射频干扰(RFI)导致的有害影响，对于CDU系统而言，这些干扰引起的副作用包括：1)EMI、RFI导致的传感器测量偏差；2)缩短无线电操控与无线通信的距离或者是误报等。

因此，CUD使用铝制箱子或者其他材料隔离EMI/RFI源削弱甚至消除上述副作用。

所述手柄包括固定轴、转弯轴106、弹性轴107、直行轴108、手握杆109若干无人机按键1091。

所述固定轴的一端嵌入显示设备的延伸部102，另一端嵌入转弯轴106。

所述转弯轴106通过弹性轴107与直行轴108。

所述转弯轴106在水平方向上可转动。

所述弹性轴107缓冲转弯轴106转动时产生的力。

所述直行轴108的一侧向下延伸形成手握杆109。

所述直行轴108在水平方向上可转动。

所述手握杆109的侧壁设有若干无人机按键1091。

使用者可手握住手握杆109，无人机按键1091位于使用者手指接触一侧。

按压无人机按键1091后，无人机显示单元1的芯片产生无人机信号。

所述无人机信号包括刹车信号、直行信号和转弯信号。无人机按键1091包括刹车按键、直行按键和转弯按键。

按压刹车按键时，无人机显示单元1的芯片产生刹车信号，进而无人机停留在原位置。

按压直行按键时，无人机显示单元1的芯片产生直行信号，进而无人机直行。

按压直行按键后，顺时针转动直行轴108，则无人机直行前进，逆时针转动直行轴108，则无人机直行倒退。直行速度与直行轴108转动角度正相关。

按压转弯按键时，无人机显示单元1的芯片产生转弯信号，进而无人机转弯。

按压直行按键后，顺时针转动转弯轴106，则无人机向左转弯，逆时针转动转弯轴106，则无人机向右转弯。转弯速度与转弯轴106转动角度正相关。

所述指控站交互信号和指控站反馈信号携带的信息包括无人机指令、无人机位置和无人机速度。所述无人机指令包括刹车、转弯和直行。

所述无人机显示单元1通过连接线缆2连接数据传输模块4。

所述电源3通过连接线缆2连接数据传输模块4，为无人机显示单元1供电。

所述数据传输模块4包括变压器和中转模块。

所述变压器4调节电源3输出的电压，并通过中转模块将调节后的电压传输至无人机显示单元1。

所述中转模块接收无人机信号后，通过连接线缆2通过线缆传输至无线调制解调器5。

所述无线调制解调器5将无人机信号通过线缆传输至无人机。

所述无线调制解调器5将指控站交互信号通过线缆传输至指控站，并接收指控站通过线缆传输的指控站反馈信号。

所述无线调制解调器5通过数据传输模块4将指控站反馈信号通过线缆传输至无人机显示单元1。

环状袖带粘接在无人机显示单元1。所述手持便携式无人机地面控制显示设备通过袖带佩戴在使用者手臂上。所述袖带的长度可调。环状袖带具有魔术贴，通过魔术贴实现长度的调节。

为了增强转运系统的稳定性与容错性，在转运过程中，为每架无人机配备两套手持便携式无人机地面控制显示设备，(一套为主CDU，一套为副CDU)，两名操控员(一名为主操控员，一名为副操控员)。主CDU能够与地面指控站完成指令上传与信息接收功能，副CDU可以接收指控站信息，但不能上传指令。在特定情况下，主、副CDU可以实现动态切换，交换角色。

主、副CDU是两套完全相同的设备，只是在实际使用中通过软件选择，设定为主或副。当设置为副CDU时，无线通过线缆传输功能暂时关闭，只接收来自指控站的信息，且主、副CDU接收信息相同；当实际需要，由副CDU转换为主CDU时，无线通过线缆传输指令功能生效，充当主CDU角色。

实施例3：

一种手持便携式无人机地面控制显示设备，主要结构见实施例1，其中，该设备的功能如下：

1.地面转运功能：地面转运功能是利用CDU实现无人机着陆后由着陆点驶入机库的过程功能。是无人机进行转运的重要手段。主要包括以下几个方面：

1)根据地面实时情况动态规划转运路径及实时引导功能；2)无人机地面滑行及进出机库功能；3)无人机挂钩脱离功能；4)无人机转运时机翼折放功能；5)地面各位置信息实时显示功能。

2.地检完毕后的飞行前最终检查功能：在无人机进行地检完毕引导至指定地点时进行发射前最后检查，以确认无人机状态是否具备放飞条件。1)无人机襟副翼调节功能；2)无人机发动机风门调节功能；3)与飞控计算机进行应答的功能。

3.与地面指控站信号交联：CDU对无人机转运的是通过指控站给无人机的飞控计算机发出指令实现的，通过与指控站实时交换信息，及时掌握地面情况及无人机的状态信息，安全可靠地转运无人机。1)能够与指控站进行实时数据与语音通信能力；2)飞行权限接管功能；3)信息传输调制解调功能。

实施例4：

一种手持便携式无人机地面控制显示设备的按键操作如下：

刹车按键：当无人机到达指定位置或者发生意外情况需要停止运动时，用力按下按键1(刹车键)，可以使无人机紧急制动，停留在原位置。在按键1按下过程中，CDU或者主控站发出的任何驱动无人机运动的指令，均不能起作用，同时按键2和按键3均不能被按下。“按键2”为直行键，操控员在无人机前进时，需要先按住按键2，再转动相应的杆，实现无人机的直行前进或者后退动作。“按键3”为转弯键，操控员在无人机左转或者右转时，需要先按住按键3，再转动相应的杆，实现无人机的左转或者右转动作。“刹车”指令具有最高优先级，在任何需要的情况下均可按下“刹车”键使飞机紧急制动。当操控员对CDU操作不熟练或者地面转运环境比较复杂时，禁止同时按下按键2和按键3，进行两个运动方向的操作。

手柄上三个轴的作用如表所示。

表2转动轴作用表

类型	功能
		1转弯轴	前轮左转、右转
2弹性轴	不影响无人机运动
		3直行轴	直行(前进)

结合示意图，弹性轴能够在上、下、左、右四个方向作小角度弯曲以及前、后作小距离伸缩。轴2主要用于增强CDU的通用适用性，能够根据不同操控员的习惯作适当改变。在地面使用CDU无人机转运时，为了更好地观察无人机状态，操控员需要面对无人机或者在无人机前侧方向站立。下面举例阐述操控员通过CDU操控无人机运动的使用过程。

直行按键：当操控员面对无人机站立时，如果操控员想让无人机向前直行前进，则需要按下按键2(直行键)，之后握住手柄向身体内侧转动轴(直行轴)。无人机行进速度与转动轴3的角度成正相关，转动轴转动的角度越大(此时操控员需较大用力才能转动较大角度)，无人机的行进速度越快。

转弯按键：当操控员面对无人机站立时，以右手为例，如果操控员想让无人机向左转弯，则需要按下按键3(转弯键)，之后握住手柄手臂用力向身体右侧转动轴1(转弯轴)，则无人机前轮左转；如果操控员想让无人机向右转弯，则需要按下按键3(转弯键)，之后握住手柄向身体左侧转动轴1(转弯轴)，则无人机前轮右转。无人机转弯角度与转动轴1的角度成正相关，转动轴转动的角度越大(此时操控员需较大用力才能转动较大角度)，无人机的前轮转弯角度越大。

实施例5：

一种手持便携式无人机地面控制显示设备，主要结构见实施例1，其中，电源模块、无线调制解调器模块、数据传输模块不参与对无人机运动的操作，在实际工作中，操控员只需要把上述模块合理佩戴在身上，正确连接线缆即可。所述设模块的尺寸信息如下：

表3各模块连线及尺寸信息

其中，数据传输模块左右两侧均设有3个接口(如图9所示)，左右接口分别对称，功能及连线信息相同。此设计的用途是，无论无人机操控员是左利手(CDU模块佩戴在左手上)还是右利手(CDU模块佩戴在右手上)，与CDU模块的连接线缆都能就近连接，不用过多弯折。第一行接口A为与CDU模块的连接接口，第二行接口B为备用接口，第三行接口C为与电源模块连接接口，在数据传输模块底部具有4个接口，为与无线调制解调器模块的连接接口。

变压器模块中间接口为备用接口，可以用来连接外部电脑，对CDU存储的无人机信息、指令等内容进行转储；也可用来连接仿真机或者模拟器进行无人机模拟操控训练。

实施例6：

一种手持便携式无人机地面控制显示设备的选型如下：

1)芯片：CPU器

CPU器是整个CDU系统的大脑，其基本功能包括：

a)采集由手握杆按键和面板按键发来的指令，采集转弯轴和直行轴的转动角度；b)对指令进行分析；c)显示无人机状态信息及指令信息；d)与主控站通信；e)记录无人机状态及指令信息，存储于存储卡中，用于后期分析。

由于CDU系统的独有特点，选择器时要特别注意其尺寸、重量、输入/输出端口配置、可扩展能力、防震特性以及功耗。

本实施例最终选择嵌入式计算机PC104 ATHENAⅢ。

此机型按照PC104协会制订的PC104标准生产，通常用于嵌入式系统。因为具有以下特点，PC104 ATHENAⅢ非常适合本设计应用。

a)尺寸小：PC104为掌上型计算机板卡，其标准尺寸为96mm×90mm×10mm；

b)重量轻：包括连接线、接头和散热器，ATHENAⅢ总重只有249克；

c)足够的处理速度：ATHENAⅢ的处理速度为1.0GHz，足以满足系统需求；

d)丰富的I/O接口：ATHENAⅢ提供丰富的I/O端口与外部设备通信，包括4个RS-232/422/485串行口，4个USB端口，1以24位数字I/O端口，1个16通道模拟I/O端口，以及一个100Mbps的以太网端口，这些特点为选择传感器和与简化在线程序调试提供了足够的灵活性,而且足以满足CDU系统中数字/模拟接口、通信接口等需求；

e)防震能力：PC104标准采用独特的多针孔连接器，具有良好的连接可靠性与防震能力；

f)显示支持：VGA(1600×1200)；

g)低功耗：ATHENAⅢ供电电压为5V，在满负荷工作条件下功耗大约为9.4W。

2)无线调制解调器

无线调制解调器用来建立CDU与主控站之间的通信，完成在线飞行状态下载与命令及轨迹上传。选择无线调制解调器最重要的因素是通信范围与可靠性，方案最终选择IM-500。IM-500只有手掌大小(127mm×61mm×15mm)，重量为75g，其他特点如下：

a)超长的传输距离：在视线无遮挡条件下最大通信距离为32km；

b)串行通信协议：采用RS-232串行通信协议；

c)足够的数据吞吐率：115.2Kbps的数据吞吐率足以满足系统需求。

3)电池选择

电池通常有三种选择，锂聚合物电池(Lithium-polymer，简称Li-Po)、镍氢电池(Nickel-metal hydride，简称Ni-Mh)和镍镉电池(Nickel-cadmium，简称Ni-Cd)。与另外两种相比，锂聚合物电池的性能在以下方面远远胜出：a)能力密度；b)充放电效率；c)自放电率；d)使用寿命；e)循环寿命。

因此，方案中选用锂聚合物电池。更具体地，选择四块锂聚合物电池，其中两块7.4V/1300mAh，单体重量70g，为CPU及逻辑电路部分供电；两块11.1V/2100mAh，单体重量为190g，为无线调制解调器及VGA模块供电。

电池1与电池2的容量为7.4V/1300mAh，通过一个高效的DC-DC变换器转换，将原始电压调制5V，为PC104板、按键扫描电路以及数据中转电路供电。为了避免数据无线通过线缆传输接收模块(无线调制解调器)与PC104模块供电之间的潜在冲突，方案中使用电池3与电池4并联，通过DC-DC变换器将原始电压调制12V，为VGA显示器和两个无线调制解调器供电。电池3和电池4的容量为11.1V/2100mAh。电池1与电池2并联，电池3与电池4并联，目的用于增强安全裕度。

采用PC/104作为硬件平台核心，在PC/104周边配置按键、显示器、按键扫描电路等外设，搭建整个CDU系统。

Claims (4)

1.一种手持便携式无人机地面控制显示设备，其特征在于：包括无人机显示单元(1)、连接线缆(2)、电源(3)和数据传输模块(4)；

所述无人机显示单元(1)包括显示设备、手柄和芯片；

所述显示设备包括显示设备主体(101)和延伸部(102)；

所述显示设备主体为矩形壳体；

所述显示设备主体的一侧向外延伸形成延伸部(102)；

所述显示设备主体上设有显示屏(105)、若干指控站交互按键(103)和接线口(104)；

若干指控站交互按键位于显示屏(105)的两侧；

所述接线口(104)供连接线缆(2)插入；

所述芯片安装在显示设备主体(101)内部，接收指控站交互按键(103)和无人机按键(1091)的信号，并生成无人机行动信号；

所述芯片通过连接线缆(2)将无人机行动信号传输至数据传输模块(4)的中转模块；

所述手柄包括固定轴、转弯轴(106)、弹性轴(107)、直行轴(108)和手握杆(109)；

所述固定轴的一端嵌入显示设备的延伸部(102)，另一端嵌入转弯轴(106)；

所述转弯轴(106)通过弹性轴(107)与直行轴(108)连接；

所述转弯轴(106)在水平方向上可转动；转弯轴(106)的转动方向决定无人机转弯方向；

所述弹性轴(107)缓冲转弯轴(106)转动时产生的力；

所述直行轴(108)的一侧向下延伸形成手握杆(109)；

所述直行轴(108)在水平方向上可转动；直行轴(108)转动方向决定无人机直行前进或直行后退；

所述手握杆(109)的侧壁设有若干无人机按键(1091)；

所述无人机显示单元(1)通过连接线缆(2)连接数据传输模块(4)；

所述电源(3)通过连接线缆(2)连接数据传输模块(4)，将电压传输至数据传输模块(4)的变压器；

所述数据传输模块(4)包括变压器和中转模块；

所述变压器和中转模块通过电缆连接；

所述变压器将电源(3)输出的电压传输至中转模块；

所述中转模块通过连接线缆(2)将电压传输至无人机显示单元(1)；

所述中转模块通过连接线缆(2)与无人机连接；

所述中转模块将无人机行动信号传输到无人机。

2.根据权利要求1所述的一种手持便携式无人机地面控制显示设备，其特征在于：还包括粘接在无人机显示单元(1)上的环状袖带；所述手持便携式无人机地面控制显示设备通过袖带佩戴在使用者手臂上；所述袖带的长度可调。

3.根据权利要求1所述的一种手持便携式无人机地面控制显示设备，其特征在于：所述无人机按键(1091)包括刹车按键、直行按键和转弯按键。

4.根据权利要求1所述的一种手持便携式无人机地面控制显示设备，其特征在于：所述指控站交互按键(103)和无人机按键(1091)均为透光型按键。

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