專利名稱：無人飛艇的半自主飛行控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種飛行器的控制系統及其控制方法，特別是一種無人飛艇的半自主飛行控制系統及其控制方法。
背景技術：
飛艇是一種輕于空氣(Lighter Than Air，LTA)的飛行器，其主要組成部分有充滿輕質氣體的氣囊、一臺或數臺產生推力的發動機、吊艙、尾翼和操縱系統等。與重于空氣的飛行器的主要不同在于飛艇依靠密封于氣囊內的輕于空氣的氣體(如氫氣、氦氣或熱空氣等)提供全部或絕大部分升力，將飛艇及其載荷支持在空中，該升力與飛行速度無關。飛艇與其他輕于空氣飛行器的主要不同在于飛艇是有動力、可操控的，發動機為其提供動力，通過操縱尾翼上的升降舵和方向舵控制飛艇的俯仰和方向運動。無人飛艇的特征尺寸約為20m以下，可以攜帶一定的任務負載，續航時間一般在2h以內。
與無人固定翼飛行器和無人旋翼飛行器相比，無人飛艇具有制造維護成本低、商載-自重比大、續航時間長、操縱性強、控制簡單安全、可實現低空低速飛行等優點。自20世紀80年代，許多國家開展了無人飛艇的研究，主要目的是以其為平臺，開展交通監視、城市規劃、電線與管道架設與檢測、礦場或考古地點勘測與保護、法律實施、通訊中繼、以及環境、生物多樣性、氣候監測和研究等。近年來，超小型無人飛艇得到了越來越多的應用，正成為國際上的一個研究熱點。
無人飛艇的絕大多數采用遙控方式，遙控距離一般為視距范圍以內。顯然，遙控方式存在不足，如遙控距離有限，當目標地點處于遙控者難以到達的地方(如大森林、沼澤)時，無人飛艇無法飛行；遙控者勞動強度大，遙控者一直仰頭邊看飛艇邊操作，尤其在一些長時間飛行情況下容易疲勞等。
半自主/自主無人飛艇飛行控制系統的目的在于部分地取代人工操縱，使飛艇具有一定的自主性。在這方面，巴西的AURORA計劃項目、法國國家科學研究中心系統結構與分析實驗室等研究機構做了大量的工作，但其研究是基于高成本傳感器組的，不利于實現商業化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種無人飛艇的半自主飛行控制系統及其控制方法，提高無人飛艇飛行的自主性能，減輕遙控操作者的勞動強度，拓寬無人飛艇的應用范圍。
為達到上述目的，本發明的構思是本無人飛艇的半自主飛行控制系統包括機載系統和地面系統兩部分，其中機載系統由傳感器組(包括位置傳感器和姿態傳感器)、單片機、遙控信號接收機、模擬多路開關、致動器、機載數傳模塊組成。單片機信號和遙控信號接收機信號經模擬多路開關與致動器信號線相連，單片機引腳與模擬多路開關的控制端相連；單片機通過串行通信接口和(或)模/數轉換接口獲取傳感器組信號；單片機的通用I/O引腳與遙控信號接收機相關控制通道的信號線相連；單片機通過串口與數傳模塊相連。地面系統包括遙控信號發射機、PC機、地面數傳模塊；遙控信號發射機由遙控者操作；地面數傳模塊通過串口與PC機相連。
為了使該控制系統能滿足多種用戶需求，按如下幾點設計了該系統的控制方法。
1.單片機通過對接收機模式通道信號進行識別，通過控制模擬多路開關的控制端，使控制系統在人工遙控、局部人工遙控及自主飛行這三種模式進行切換，從而既能實現無人飛艇的自主飛行，又可在特殊情況下及時切換到遙控模式下，提高了無人飛艇的安全性。
2.單片機通過中斷程序采集無人飛艇的姿態、位置、速度、方向等傳感信號，經處理后依控制算法計算出當前飛行控制模式下所要求控制的各通道的控制量，由I/O口發出、經模擬多路開關至致動器控制無人飛艇的相關舵面，從而控制飛艇的飛行。
3.通過預先設置或在飛行過程中實時設定航路點，使自主地按設定的路徑飛行。
4，為了避免因數據模塊數據出錯而帶來的不利影響，對數傳模塊所傳送的數據設定嚴格的格式并設置校驗，使機載系統和地面系統能方便地辨別傳送數據是否正確。
根據上述構思，本發明采用下述技術方案一種無人飛艇的半自主飛行控制系統，包括機載系統和地面系統，其特征在于機載系統的系統結構為傳感器組的輸出由串行通訊接口和/或模/數轉換接口連接單片機的輸入口，單片機的輸出由I/O引腳與模擬多路開關輸入端連接，模擬多路開關的輸出端連接致動器組的輸入端，單片機通過串口與機載數傳模塊相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機，遙控信號接收機的輸出口連接模擬開關；地面系統有PC機通過串口連接一個地面數傳模塊，并有一個遙控信號發射機；機載系統的機載數傳模塊和遙控信號接收機分別通過射頻信號與地面系統的地面數傳模塊和遙控信號機聯系。
上述的傳感器組、單片機和模擬多路開關制作于一塊印刷電路板上，由印刷電路板上的數傳電臺接線頭、遙控信號接收機接線頭和致動器組接線頭分別通過電纜連接機載數傳模塊，遙控信號接收機和致動器組。
上述的單片機電路由一塊C8051F020型單片機、一塊雙排5×2標準插口、一個24M型晶振、十一個電容和一個電阻構成。
上述的傳感器組由一塊MAX3232型串口通信接口芯片、四個電容、一個HMR3000型數字羅盤和一塊RGM3000型GPS接收機模塊構成。
上述的模擬多路開關為一塊MAX333型芯片。
上述的數傳電臺接線頭采用單排四針標準插口、遙控信號接收機接線頭采用單排三針標準插口，致動器組接線頭采用單排三針標準插口。
上述的傳感器組包含有位置傳感器和姿態傳感器，致動器組為舵機。
一種用于權利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統的控制方法，其特征在于控制步驟為a.在機載系統中將傳感器組感知無人飛艇的姿態與位置的信號傳送至單片機處理；b.在地面系統中，有遙控者操縱遙控信號發射機發送遙控信號，包括飛行模式切換信號；c.地面數傳模塊接收機載系統中單片機傳給機載數傳模塊的數據轉換成的射頻信號，送至地面PC機處理；d.地面數傳模塊接收PC機的飛行控制指令，并將其轉換為射頻信號送出；e.機載數傳模塊接收飛行控制指令傳送至單片機處理，包括切換飛行模式；f.機載系統中的單片機通過控制與模擬多路開關的控制端連接的I/O引腳電平，在遙控信號接收機接收地面遙控信號發射機的遙控信號和單片機發送的飛行控制信號兩者之間選一，對致動器組舵機進行控制，實現姿態控制與導航。
在上述的控制方法中，通過機載單片機對遙控信號接收機模式通道的狀態識別，改變模擬多路開關相關通道的控制端電平，使對應致動器組信號在遙控信號接收機信號或單片機信號中選一，從而使飛行控制系統在人工遙控飛行、局部人工遙控飛行與自動遙控飛行三種模式之間切換。
在上述的自主飛行模式中，通過在單片機中預先設置飛行航路點，或在飛行過程中實時設定飛行航路點，使無人飛艇按航路點飛行。
本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出特點和顯著特優點在本發明設計的控制系統中，單片機對遙控接收機模式通道信號進行識別，使遙控系統能在人工遙控、局部人工遙控及自主飛行三種模式進行切換；能通過預先設置或在飛行過程中實時設定航路點，使自主地按設定路線飛行，執行預設任務；地面可通過遙控信號發射機發送指令無人飛艇，操空方便；可通過地面數傳模塊獲得無人飛艇的各種飛行數據，便于實時遙控。本發明提高了飛艇的自主性能，減輕了遙控者的勞動強度，同時可拓寬無人飛艇的應用范圍。
圖1是本發明一個實施例的系統結構框2是圖1示例的系統結構示意3是圖2中印刷電路板的電路原理4是單刀雙擲模擬開關的原理示意5是圖1示例中單片機的程序流程6是圖1示例中飛行模式切換程序流程7是圖1示例中的控制框8是圖1示例中數傳模塊傳送數據的格式圖具體實施方式
本發明的一個優選實施例如下詳述參見圖1和圖2，本無人飛艇的半自主飛行控制系統，包括機載系統2和地面系統1，機載系統2的系統結構為傳感器組3的輸出由串行通訊接口和/或模/數轉換接口連接單片機4的輸入口，單片機4的輸出由I/O引腳與模擬多路開關5輸入端連接，模擬多路開關5的輸出端連接致動器組6的輸入端，單片機4通過串口與機載數傳模塊7相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機8，遙控信號接收機8的輸出口連接模擬開關5；地面系統1有PC機11通過串口連接一個地面數傳模塊9，并有一個遙控信號發射機10；機載系統2的機載數傳模塊7和遙控信號接收機8分別通過射頻信號與地面系統1的地面數傳模塊9和遙控信號機10聯系。上述的傳感器組3、單片機4和模擬多路開關5制作于一塊印刷電路板12上，由印刷電路板12上的數傳電臺接線頭14、遙控信號接收機接線頭15和致動器組接線頭13分別通過電纜連接機載數傳模塊7，遙控信號接收機8和致動器組6。傳感器組3包含有位置傳感器和姿態傳感器，位置傳感器采用RoyalTek公司的RGM3000型GPS接收機，姿態傳感器為HoneyWell公司的HMR3000數字羅盤，這兩個傳感器均通過串口與單片機4通信，另外，由于數傳電臺和數字羅盤的串口為RS232電平，故需利用串口接口芯片將其轉換為單片機4可接受的TTL電平，本例中采用了MAX3232作為傳感器的接口芯下以實現此功能；單片機4為Cygnal公司出品的C8051F020型單片機；模擬多路開關5為MAXIUM公司制造的Max333型元件；遙控信號接收機8為Futaba公司出品的R149DP型9通道接收機；致動器6為Futaba公司出品的Futaba S9204型舵機。地面系統1中遙控信號發射機10為Futaba公司出品的T9CAP型發射機，地面PC機11可為通用的便攜式膝上機。地面系統1和機載系統2中的數傳模塊7、9為泰達鑫公司出品的TDX-230型雙工數傳電臺，均通過串口與單片機4或PC機11相連。為了提高系統的集成度，在該實例中將傳感器組及其接口3電路、單片機模塊4、模擬多路開關5等集成在一印刷電路板12中，并在該電路板上留出了與機載數傳電臺的串口的接線頭14，留出了與遙控信號接收機8的第二、三、四、六、八通道信號接口的接線頭15，留出了與四個舵機6的接口13。
參見圖4，上述印刷電路板12電路的各部分分別為單片機模塊4含有U2-Cygnal公司出品的C8051F020型單片機；Y1-24M晶振；C14與C15-27pF電容；C1~C9-0.1uF電容；HDR1-雙排5×2標準插口，單片機程序燒寫JTAG插口。
遙控信號接收機接頭8含有CON1~CON5-單排三針標準插口，分別連至接收機的通道2、通道3、通道4、通道6、通道8，CON5與單片機P3.4引腳連接。模擬多路開關5含有U1-模擬多路開關MAX333，其各路的連接關系如表1所示。
舵機接線頭13含有CON7~CON10-單排三針標準插口，分別連至無人飛艇升降舵舵機、左發動機風門舵機、方向舵舵機、右發動機風門舵機。
傳感器組及其接口電路3含有U3-串行通信接口芯片MAX3232；U4-GPS接收機模塊RGM3000；U5-數字羅盤HMR3000；C10~C13-1.0uF鉭電容。
數傳電臺接線頭14含有CON6-單排四針標準插口。
圖2是單刀雙擲型模擬開關的示意圖。當控制端為低電平時，公共端與常合端導通；否則當控制端為高電平時，公共端與常合端導通。在本實施例中采用的MAXIUM公司制造的Max333型元件有四路這樣的獨立的模擬開關，把遙控信號接收機的第二、三、四、六通道(分別對應飛艇的升降舵、左發動機風門舵、方向舵、右發動機風門舵)分別與Max333的常合端連接，其常開端、控制端分別與相應的單片機的引腳連通，公共端與致動器信號線連通。故通過改變控制端的電平，單片機可以控制致動器信號的來源。
表1模擬開關各路連接情況
本無人飛艇的半自主飛行控制系統的控制方法如下所述本控制方法的控制步驟為a.在機載系統2中將傳感器組3感知無人飛艇的姿態與位置的信號傳送至單片機處理；b.在地面系統中，有遙控者操縱遙控信號發射機10發送遙控信號，包括飛行模式切換信號；c.地面數傳模塊9接受機載系統中單片機4傳給機載數傳模塊7的數據轉換成的射頻信號，送至地面PC機11處理；d.地面數傳模塊9接受PC機11的飛行控制指令，并將其轉換為射頻信號送出；e.機載數傳模塊7接受飛行控制指令傳送至單片機4處理，包括切換飛行模式；f.機載系統2中的模擬多路開關5在遙控信號接收機8接受地面遙控信號發射機10的遙控信號和單片機4發送飛行控制信號，對致動器組舵機6進行控制，實現姿態控制與導航。
上述的控制方法中，通過機載單片機4對遙控信號接收機8模式通道的狀態識別，改良模擬多路開關5相關通道的控制端電平，使對應致動器組6信號在遙控信號接收機8信號或單片機4信號中選一，從而使飛行控制系統在人工遙控飛行、局部人工遙控飛行與自動遙控飛行三種模式之間切換。
上述的自主飛行模式中，通過在單片機中預先設置飛行航路點，或在飛行過程中實時設定飛行航路點，使無人飛艇按航路點飛行。
圖5給出本無人飛艇飛控系統機載單片機的程序流程圖。程序初始化后，通過與人工交互設置無人飛艇的飛行航路點，然后進行循環控制中。在循環控制中，利用單片機4的中斷程序處理經串口傳入的GPS和數字羅盤3的信號語句以及地面PC機11上傳的控制指令，如果一個語句接收并處理完畢，則寫對應的標識。在一個循環中，首先判斷無人飛艇的飛行模式；然后查詢中斷處理是否完成的標識，如果某傳感器信號處理完畢標識為1，則將該傳感器數據按一定的格式傳送至地面，然后將對應的標識清0；地面PC機11控制指令接收及處理后，與傳感器數據一起被用于控制算法中，控制算法通過當前飛行狀態和目標狀態，計算出各舵機6所需的控制量，發送給多路開關5。
圖6的虛線框中是飛行模式切換程序流程圖。在本實施例中P3.4引腳與遙控信號接收機8的通道8連通，由于所有通道的信號均是脈寬調制(PWM)信號，因此單片機4通過定時器/計數器計算一個周期內PWM波的高電平時間t，即可獲知遙控者設定的飛行模式。在實施例中，設定當700＜t≤1200時，表明操作者希望無人飛艇處于遙控飛行模式，此時，單片機4控制P2.0、P2.1、P2.2、P2.3即模擬開關5的四個通道的控制端的電平均為低，使各路常合端與公共端導通，即所有致動器6的輸入信號為接收機8的信號，從而遙控者可遙控輕于空氣飛行器的所有通道。當1200＜t≤1800時，表明操作者希望無人飛艇處于局部人工遙控飛行模式，此時，單片機控制P2.0、P2.1、P2.3被置為高電平，P2.2被置為低電平，從而遙控者可以遙控無人飛艇的方向舵，而其它通道則由單片機4控制。當1800＜t或t≤700時，表明操作者希望無人飛艇處于自主飛行模式，此時，單片機4控制P2.0、P2.1、P2.2、P2.3即模擬開關5的四個通道的控制端的電平均為高，使各路常開端與公共端導通，即所有舵機6均由單片機4控制。這樣，遙控者通過操作通道8以實現飛行模式之間的切換，一般情況下，設置通道8為三檔開關。
圖7是各個通道的控制框圖。各個通道的控制基本過程為設置控制量的目標值，該目標值與傳感器3所測得的值進行比較得到誤差e，由算法算得控制量至舵機6，從而控制無人飛艇的運動，如此循環。在無人飛艇中所需控制的量有速度、高度、航向三種，分別通過對發動機風門舵機、升降舵舵機、方向舵舵機進行控制。由于飛艇的特性，質量較大的吊艙一般設在囊體底部，故不必對橫滾通道進行控制；飛艇其升力主要是空氣浮力，與速度無關，故飛艇不存在失速的問題，因此在控制中不必考慮各通道之間的耦合關系，故速度、高度、航向三種量可以單獨控制，從而簡化控制算法；采用實現方便、控制可靠的PID控制算法。具體而言，速度通過調整發動機風門舵機進行控制，由GPS提供的地速表示飛艇的速度，若地速與設定飛行速度有差距，則通過控制算法，計算出風門舵機的調整量，不斷修正風門從而實現速度控制。高度通過調整升降舵機進行控制，由GPS提供的高度與設定的飛行高度進行比較，通過控制算法計算出升降舵舵機的調整量，不斷調整從而實現高度控制。航向通過調整方向舵舵機進行控制，由羅盤提供的艇首方向角與方向目標值進行比較，通過控制算法計算出方向舵舵機的調整量，不斷調整從而實現方向控制；其中方向目標值通過當前GPS位置與下一航路點GPS位置計算得出。
圖8為數傳模塊傳送數據的格式。其中傳送的數值及其名稱是可變的部分，校檢碼HH是這兩部分各個字符與0的異或結果。通過這種方式，可保證機載系統和地面系統能方便地識別正確或錯誤的數據，以避免數傳模塊受到干擾而造成的不利影響。
本控制系統及控制方法用于上海箭微機電技術有限公司研制的長12米充氦飛艇的半自主控制，效果良好。
權利要求
1.一種無人飛艇的半自主飛行控制系統，包括機載系統(2)和地面系統(1)，其特征在于機載系統(2)的系統結構為傳感器組(3)的輸出由串行通訊接口和/或模/數轉換接口連接單片機(4)的輸入口，單片機(4)的輸出由I/O引腳與模擬多路開關(5)輸入端連接，模擬多路開關(5)的輸出端連接致動器組(6)的輸入端，單片機(4)通過串口與機載數傳模塊(7)相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機(8)，遙控信號接收機(8)的輸出口連接模擬開關(5)；地面系統(1)有PC機(11)通過串口連接一個地面數傳模塊(9)，并有一個遙控信號發射機(10)；機載系統(2)的機載數傳模塊(7)和遙控信號接收機(8)分別通過射頻信號與地面系統(1)的地面數傳模塊(9)和遙控信號機(10)聯系。
2.根據權利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統，其特征在于傳感器組(3)、單片機(4)和模擬多路開關(5)制作于一塊印刷電路板(12)上，由印刷電路板(12)上的數傳電臺接線頭(14)、遙控信號接收機接線頭(15)和致動器組接線頭(13)分別通過電纜連接機載數傳模塊(7)，遙控信號接收機(8)和致動器組(6)。
3.根據權利要求1或2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統，其特征在于單片機(4)電路由一塊C8051F020型單片機(U2)、一塊雙排5×2標準插口(HDR1)、一個24M型晶振(Y1)、十一個電容(C14、C15、C1-C9)和一個電阻(R1)構成。
4.根據權利要求1或2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統，其特征在于傳感器組(3)由一塊MAX3232型串口通信接口芯片(U3)、四個電容(C10-C13)、一個HMR3000型數字羅盤(U5)和一塊RGM3000型GPS接收機模塊(U4)構成。
5.根據權利要求1或2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統，其特征在于模擬多路開關(5)為一塊MAX333型芯片(U1)。
6.根據權利要求2所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統，其特征在于數傳電臺接線頭(14)采用單排四針標準插口(CON6)、遙控信號接收機接線頭(15)采用單排三針標準插口(CON1-CON5)，致動器組接線頭(13)采用單排三針標準插口(CON7-CON10)。
7.根據權利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統，其特征在于傳感器組(3)包含有位置傳感器和姿態傳感器，致動器組(6)為舵機。
8.一種用于權利要求1所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統的控制方法，其特征在于控制步驟為a.在機載系統(2)中將傳感器組(3)感知無人飛艇的姿態與位置的信號傳送至單片機處理；b.在地面系統中，由遙控者操縱遙控信號發射機(10)發送遙控信號，包括飛行模式切換信號；c.地面數傳模塊(9)接收機載系統中單片機(4)傳給機載數傳模塊(7)的數據轉換成的射頻信號，送至地面PC機(11)處理；d.地面數傳模塊(9)接收PC機(11)的飛行控制指令，并將其轉換為射頻信號送出；e.機載數傳模塊(7)接收飛行控制指令傳送至單片機(4)處理，包括切換飛行模式；f.機載系統(2)中的單片機(4)通過控制與模擬多路開關(5)的控制端連接的I/O引腳電平，在遙控信號接收機(8)接收地面遙控信號發射機(10)的遙控信號和單片機(4)發送的飛行控制信號兩者之間選一，對致動器組舵機(6)進行控制，實現姿態控制與導航。
9.根據權利要求8所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統的控制方法，其特征在于通過機載單片機(4)對遙控信號接收機(8)模式通道的狀態識別，改變模擬多路開關(5)相關通道的控制端電平，使對應致動器組(6)信號在遙控信號接收機(8)信號或單片機(4)信號中選一，從而使飛行控制系統在人工遙控飛行、局部人工遙控飛行與自動遙控飛行三種模式之間切換。
10.根據權利要求8所述的無人飛艇的半自主飛行控制系統的控制方法，其特征在于自主飛行模式中，通過在單片機中預先設置飛行航路點，或在飛行過程中實時設定飛行航路點，使無人飛艇按航路點飛行。
全文摘要
本發明涉及一種無人飛艇的半自主飛行控制系統及其控制方法。控制系統包含有機載系統和地面系統，機載系統的系統結構為傳感器組的輸出由串行通訊接口和/或模/數轉換接口連接單片機的輸入口，單片機的輸出由I/O引腳與模擬多路開關輸入端連接，模擬多路開關的輸出端連接致動器組的輸入端，單片機通過串口與機載數傳模塊相連，并由模塊通道連接遙控信號接收機，遙控信號接收機的輸出口連接模擬多路開關；地面系統有PC機通過串口連接一個地面數傳模塊，并有一個遙控信號發射機；機載系統的機載數傳模塊和遙控信號接收機分別通過射頻信號與地面系統的地面數傳模塊和遙控信號機聯系。在本系統中可由單片機對遙控接收機模式通道信號進行識別，實現系統在人工遙控、局部人工遙控及自主飛行三種模式進行切換。本發明提高了飛艇的自主性能，減輕了遙控者的勞動強度，同時可拓寬無人飛艇的應用范圍。
文檔編號B64B1/00GK1557676SQ20041001579
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月13日 優先權日2004年1月13日
發明者饒進軍, 謝少榮, 羅均, 蔣蓁, 龔振邦 申請人:上海大學