固定翼自動導航飛行控制系統及其使用方法
2023-05-13 20:04:16 1
專利名稱：固定翼自動導航飛行控制系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及飛行控制系統，具體是一種固定翼自動導航飛行控制系統及其使用方法。
背景技術：
固定翼自動導航飛行控制系統在近幾年的國際軍事領域中扮演著重要的角色。該系統工作穩定，造價成本相對低，非常容易實現起飛和降落，並且在執行任務的過程中，收集地面信息大，能夠實現遠距離通信，也能夠攜帶較多的偵查設備，對敵對環境偵查詳細等優點；而且隨著無人機應用範圍越來越廣泛，它所完成的任務也越來越複雜，對該系統的機動性要求也越來越高，這就要求固定翼自動導航飛行控制系統的控制核心向高集成度和小 型化方向發展。因此固定翼自動導航飛行控制系統具有非常大的應用市場。在國際上，以美國為首的西方國家充分認識到該自動導航飛行控制系統在戰爭中發揮了巨大作用，競相把高科技技術應用到自動導航飛行控制系統的研製與發展上。裝備了自動飛行控制器的無人機雖然不是戰場上空執行空中任務的主力，但也成為不可缺少的重要組成部分。裝備了自動導航飛行控制系統的固定翼飛機，通過上位機控制軟體設定好導航路線和飛行參數，實現無人的駕駛飛行，可以執行高危險的偵查任務，所以深受各國在軍事應用方面的青睞。在民用方面，裝備有自動導航飛行控制器的固定翼飛機可以實現地理測繪測量，航拍，自然災情監測等多方面應用，可以節約人力和成本，因此也具有廣泛的市場應用。固定翼自動導航飛行控制器在國內外呈現蓬勃發展的趨勢，我國也不例外，自動飛行控制器的研究主要有三類一、採用工控機作為處理核心，存在的不足之處有整個模塊體積較大、多層模塊之間的結構不夠緊湊；二、以單片機和DSP為核心的設計設計方案，缺點是設計工藝複雜，開發周期長，工作量大，不容易實現系統集成；三、採用ARM技術應用到自動飛行控制器中，在ARM晶片中嵌入作業系統，在作業系統的平臺上，實現多任務的協同工作，真正實現高集成度、高速數據處理和運算自動飛行控制器的任務。可以分為數據處理和設備控制相分離結構，使得算法上更加精簡，同時在自動航線飛行上更加的精確。
發明內容
本發明的目的是提供一種固定翼自動導航飛行控制系統及其使用方法，該系統可以在複雜環境條件下，能夠準確的完成預先設定的飛行任務，還可以通過遙控轉接控制裝置，延長飛機的控制距離和範圍，保證了飛行的高可靠性和高穩定性。實現本發明目的的技術方案是
一種固定翼自動導航飛行控制系統，主要由飛行器上的自動導航飛行控制儀和地面站的遙測數據監控軟體組成，自動導航飛行控制儀由中央處理器和分別與中央處理器連接的三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、三軸磁場傳感器、GPS模塊、氣壓傳感器、通信接口組成；無線收發裝置與中央處理器通過通信接口互相通信；地面站遙測數據監控軟體由信號轉接板和分別與信號轉接板連接的數據無線傳輸收發裝置、遙控器接收機裝置、USB轉接串口通信裝置組成；地面站遙測數據監控軟體通過USB轉接串口通信裝置與信號轉接板連接；自動導航飛行控制儀與地面站遙測數據監控軟體通過無線數據傳輸電臺連通。所述中央處理器有自己的通信協議，將自行定製的無線傳輸協議通過無線收發裝置與地面站遙測數據監控軟體進行相互通信，保證了通信過程中信號傳輸的安全性和完整性。所述的信號轉接板由遙控轉接收發模塊與數據無線傳輸埠、地面計算機通信接口、遙控器接收機信號埠連接組成，信號轉接板有兩種功能一種是將遙控器接收機信號轉換成定製的傳輸協議；另一種是信號轉換板將地面站遙測數據監控軟體中用戶自行設定的自動導航信息傳送到自動導航飛行控制儀，信號轉接板將自動導航飛行控制儀所發送回來的位置信息和姿態信息送回地面計算機，並在計算機上顯示。
所述的自行定製的無線傳輸協議包含有姿態測量數據、飛行控制參數、GPS位置數據、三軸磁場數據及磁航向角。本自動導航飛行控制系統的控制信號，不僅可以通過遙控器直接控制，還可以通過遙控轉接裝置把遙控信號轉換成特製的傳輸協議，利用無線數據收發電臺與導航飛行控制系統進行通信，延長了傳輸距離、保證了信號收發的可靠性。本發明固定翼自動導航飛行控制系統的工作過程是
1、地面上
(1)打開電腦，運行地面站軟體；
(2)接通轉接板電源，轉接板指示燈正常慢速閃爍，在GCS軟體，選擇正確的通訊埠連接，波特率19200 ；
(3)開RC遙控器；
(4)接通飛控電源；
(5)如一切正常，應該在地面站軟體看到接收到遙測數據，氣壓高度為0米左右(自動初始開機高度為0米)，控制遙控器舵面，應該能在舵面顯示錶內看到舵面的輸出。說明地面站已經和自動駕駛儀連通了；
2、飛機上
(1)將自動駕駛儀平行安裝在固定翼飛機上，與飛機基本保持一個水平面，並把自動駕駛儀做相應的減震措施；
(2)接通電源，把遙控器切換到平衡模式；
(3)調試飛機，左右、上下、翻滾飛機，觀察飛機對應的舵機是否給出相應的控制效果；
(4)啟動自動起飛功能，飛機則會按照預先設定的航線進行飛行，完成任務後，會根據預先設定的路線進行自動降落。本發明的積極效果是
1、本發明採用了ARM處理器技術實現數據採集和實時智能專家PID控制相分離結構，實現多任務的協同工作，保證了數據採集、數據融合準確性和實時控制精確性；
2、固定翼飛行控制系統集成三軸微機械陀螺、三軸加速度計、三軸磁傳感器、高精度氣壓計；在該系統中使用慣性捷聯姿態解算，結合卡爾曼數字濾波和數據融合算法，提供高精度姿態；3、固定翼飛行控制系統集成高性能GPS接收機，IOHz數據刷新速率，35秒快速定位時間，2. 5米CEP精度，GPS帶電池可記憶定位參數，二次定位時間大幅提高；
4、分不同速率的控制，對調整飛機的飛行姿態進行IOOHz內環姿態控制，對飛機的舵機實施IOHz外環導航控制；
5、此控制系統可以實現多種通道混控控制輸出，非常方便調整混控。實用各種不同類型的固定翼飛機；
6、自動控制和手動遙控融合，更高的可靠性和實用性，兼容所有RC遙控設備，並提供舵機輸出檢查功能；
7、系統可以在通信中斷的情況下，實現自動返航狀態；
8、本發明支持定距自動照相和定時間自動照相，配合POS信息記錄模塊可以記錄拍照 點經緯度、高度、速度、拍照時飛行姿態等信息，便於後期圖像數據處理；
9、本發明地面站軟體包含電子地圖功能，可以在線修訂航線和發布飛行命令，可以實時進行半自主式遙控，並實時記錄飛行數據和支持離線回放；遙控器接收機裝置可以通過遙控轉接模塊實現數據轉換，用無線傳輸模塊將遙控信號轉成特殊格式的電臺控制信號，延長傳輸距離；並可以在線調整和保存所有飛行控制參數，附帶使用方便獨立的參數調整軟體。
圖I是本發明自動導航飛行控制系統原理框 圖2是本發明控制系統的數據採集與融合系統連接框 圖3是本發明控制系統的主控制系統框 圖4是本發明控制系統的地面站連接框 圖5是本發明控制系統的流程示意 圖6為本發明自動導航飛行控制系統硬體結構框圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。如附圖I所示，本飛行控制裝置共分為姿態數據測量以及導航控制信號執行部分和遙控信號轉換以及遙測信號監測部分。三軸姿態測量傳感器裝置包括三軸微機械陀螺儀、三軸加速度傳感器、三軸磁場傳感器，連接到姿態方位參考系統中進行數據採集以及各個軸向數據的校準；GPS位置信息獲取裝置所測量出來的位置信息和高精度傳感器裝置信息以及姿態數據進行卡爾曼濾波算法，取其所處，避其所短。智能專家PID控制裝置連接融合後的位置和姿態數據、舵機控制裝置，根據無線數據傳輸電臺所接收到的導航信息，對固定翼飛機進行飛行控制，並將位置信息，拍照信息進行記錄並保存。同時提供當前動力電池電壓和電流的監測，同時還將導航狀態信息一起回傳給地面站；遙控信號轉換以及遙測信號監測部分包括無線數據傳輸電臺收發裝置、遙控轉接系統裝置、遙控接收機裝置、USB轉串口通信裝置和地面站監測與遙測數據設置的計算機系統。地面站監測與遙測數據設置的計算機系統可以由用戶自動設定飛行航線，實際飛行的飛行參數等內容，並通過USB轉串口裝置將數據傳送到遙控轉接系統裝置中，遙控轉接系統將這些信息轉換成定製好的協議格式，通過無線數據傳輸電臺進行發送。遙控器接收機裝置所發送出的舵機控制信號，經過遙控轉接系統後，轉換成特殊的電臺控制信號通過無線數據傳輸電臺進行傳輸，對固定翼飛機進行實時控制。參照圖2，飛行控制系統數據採集與融合系統連接有三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸磁場傳感器、三軸磁場傳感器、GPS位置信息獲取裝置，各個裝置的工作原理為
1、慣性捷聯姿態計算處理器對三軸加速度傳感器裝置進行數據採集和濾波算法，計算出三個軸向的線性加速度數據；
2、慣性捷聯姿態計算處理器對三軸陀螺儀進行數據採集和濾波算法，並根據三軸加速度數據和磁場傳感器裝置的數據進行分析和處理，並進行四元素姿態解算，解算出穩定的姿態數據，並通過實際校準值對各種傳感器進行基準值的校準和補償。 3、慣性捷聯姿態計算處理器對線性加速度進行積分，並且從GPS位置信息獲取裝置中測量到的速度信息，把加速度傳感器積分後得到的速度值和GPS得到的速度值進行卡爾曼濾波濾波。修正和校正固定翼飛機的飛行數據和測量精度；
4、慣性捷聯姿態計算處理器通過姿態和位置數據發送裝置將飛行數據和姿態數據傳送給自動導航飛行控制系統主控制系統。參照圖3，該系統通過獲取數據採集與融合系統中的姿態數據、飛行數據、地面控制系統的導航數據控制固定翼飛機按照預先設定的路線進行運動。其工作原理為由GPS位置信息與用戶所規定的目標航點規劃信息進行比對，得到需要控制的目標航向數據，又根據當前飛機所處的一個航向角度，最終得到一個需要控制轉動的航向角度，主控系統計算機將需要控制轉動的航向角度轉換成實際的舵機控制量，對相應方向的舵機進行實時PID專家智能控制；對飛機高度的鎖定也與航向控制方式一致。參照圖4，其工作原理是遙控器接收機裝置將操作者的控制信號傳輸到遙控轉接系統接收裝置中，把遙控器信號經轉接系統後轉換成電臺控制信號，控制飛機的飛行姿態；店面站監控計算機系統，用戶可以自行編輯航點信息和飛行參數通過USB轉串口裝置傳送到轉接系統中，轉接系統再把數據通過電臺發送到飛機的控制系統中。地面站監控計算機系統一方面能夠實現數據的發送，另外一方面能夠接收飛行控制系統下傳的各種飛行數據和監測信息。參照圖5，該控制系統的流程圖包括如下步驟
5501:開始，中央處理器上電開始工作，啟動看門狗復位系統；
5502:系統準備內部參數校準參數讀取；
5503:讀取上位機陀螺初始化、磁場校準指令，以便於對微機械傳感器進行校準；
5504:讀取內部FLASH校準參數；採用出廠時默認參數值進行姿態計算；
5505:開啟處理器定時器中斷，啟動ARM處理器內部的系統中斷，進行內部數據融合，姿態計算等工作；
S506:信號採集以及濾波算法，根據微機械傳感器數據的輸出特性，採用卡爾曼濾波技術進行濾波；並對高精度氣壓傳感器的輸出數據中夾帶有高頻噪聲，採用差分方式對氣壓傳感器進行濾波處理；
S507:數據融合與姿態解算，對三軸微機械陀螺儀，三軸加速計傳感器，三軸磁場傳感器採用四元素法求解姿態方位角；5508:遙測數據編解碼，將CPU採集的姿態數據和位置數據進行編碼，並且將地面站數據發回的數據進行解碼並執行相應的指令；
5509:飛行控制指令獲取，如果飛行控制指令獲取成功，則繼續10姿態、高度、位置導航控制，否則就回到8遙測數據編解碼繼續獲取地面站數據發回的數據；
5510:姿態、高度、位置導航控制，獲取數據成功，根據用戶自行設定的高度和導航數據，實時調整飛行的飛行姿態，達到設定的控制效果；
5511:姿態、高度、位置智能PID控制解算，將當前姿態數據、位置數據與目標姿態數據、位置數據進行專家智能PID控制；
5512:舵機控制量輸出，將11中得出的PID控制量，實際轉換成控制飛機各個舵面的舵機控制量，執行後回到7數據融合與姿態解算。
參照圖6，本發明包括中央微處理器8，姿態傳感器包括三軸陀螺儀I、三軸加速度傳感器2和三軸磁場傳感器3，GPS模塊、氣壓傳感器、通信接口 4與無線收發裝置5連接，並負責與中央微處理器8進行數據交互。中央微處理器8內部帶有A/D轉換接口，負責採集三軸陀螺儀1，、三軸加速度傳感器2和三軸磁場傳感器3的數據，並將傳感器數據進行濾波和數據融合，得出精準的三維姿態方位角；
中央微處理器8利用內部的串口收集GPS模塊6的位置信息數據，並在中央微處理器8計算出精確的導航參數；
中央微處理器8採用SPI通信接口協議採集氣壓傳感器7，在中央微處理器8內對其數據進行低通濾波，並根據實時氣壓數數據換算成高度和速度；
中央微處理器8利用通信接口 4與無線收發裝置5進行數據交互，發送自動導航飛行控制的實時控制參數和飛行參數。本發明研究實驗結果表明同時對相同仿真步長條件下，應用以上方法在高動態角運動環境下的解算精度高，由圓錐運動引起的俯仰角算法漂移誤差也得到了有效抑制。用最優估計理論的數據處理方法和卡爾曼濾波器對速度信息進行融合，保證了測量精度的精準性和實時性。並且採用線性卡爾曼濾波器為慣導系統誤差提供最小方差估計，然後利用這些誤差的估計值去修正姿態控制系統。使用遙控轉接系統不僅提高了信號傳輸的距離，還大大的提高了信號在傳輸過程中的可靠性，也保證信號傳輸的實時性。
權利要求
1.ー種固定翼自動導航飛行控制系統，其特徵是該系統主要由飛行器上的自動導航飛行控制儀和地面站的遙測數據監控軟體組成，自動導航飛行控制儀由中央處理器和分別與中央處理器連接的三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、三軸磁場傳感器、GPS模塊、氣壓傳感器、通信接ロ組成；無線收發裝置與中央處理器通過通信接ロ互相通信；地面站遙測數據監控軟體由信號轉接板和分別與信號轉接板連接的數據無線傳輸收發裝置、遙控器接收機裝置、USB轉接串ロ通信裝置組成；地面站遙測數據監控軟體通過USB轉接串ロ通信裝置與信號轉接板連接；自動導航飛行控制儀與地面站遙測數據監控軟體通過無線數據傳輸電臺連通。
2.根據權利要求I所述的固定翼自動導航飛行控制系統，其特徵是所述的信號轉接板由遙控轉接收發模塊與數據無線傳輸端ロ、地面計算機通信接ロ、遙控器接收機信號端ロ連接組成，信號轉接板有兩種功能一種是將遙控器接收機信號轉換成定製的傳輸協議；另ー種是信號轉換板將地面站遙測數據監控軟體中用戶自行設定的自動導航信息傳送到自動導航飛行控制儀，信號轉接板將自動導航飛行控制儀所發送回來的位置信息和姿態信息送回地面計算機，並在計算機上顯示。
3.根據權利要求2所述固定翼自動導航飛行控制系統，其特徵是所述的自行定製的無線傳輸協議包含有姿態測量數據、飛行控制參數、GPS位置數據、三軸磁場數據及磁航向角。
4.根據權利要求I所述的固定翼自動導航飛行控制系統，其特徵是本自動導航飛行控制系統的控制信號，不僅可以通過遙控器直接控制，還可以通過遙控轉接裝置把遙控信號轉換成特製的傳輸協議，利用無線數據收發電臺與導航飛行控制系統進行通信。
全文摘要
本發明公開的一種固定翼自動導航飛行控制系統及其使用方法，由飛行器上的自動導航飛行控制儀和地面站的遙測數據監控軟體組成，自動導航飛行控制儀由中央處理器和分別與中央處理器連接的三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、三軸磁場傳感器、GPS模塊、氣壓傳感器、通信接口組成；無線收發裝置與中央處理器通過通信接口互相通信；地面站遙測數據監控軟體由信號轉接板和分別與信號轉接板連接的數據無線傳輸收發裝置、遙控器接收機裝置、USB轉接串口通信裝置組成；地面站遙測數據監控軟體通過USB轉接串口通信裝置與信號轉接板連接；自動導航飛行控制儀與地面站遙測數據監控軟體通過無線數據傳輸電臺連通。該系統能準確完成預先設定的飛行任務，通過遙控轉接控制裝置，延長飛機的控制距離和範圍，保證了飛行的高可靠性和高穩定性。
文檔編號G05D1/10GK102707725SQ201210192290
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月12日 優先權日2012年6月12日
發明者魏承贇 申請人:桂林飛宇電子科技有限公司