專利名稱：：低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及航空無人駕駛飛行器滑翔及著陸時使用的高度測量裝置，具體的是涉及低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置。
背景技術：
：隨著無人駕駛飛行技術的發展及功能、用途的不斷擴大，對飛行器來說，高度信息是最重要的飛行參數之一，傳統的飛機高度測量通常都是用無線電高度表，在普通飛機上已經廣泛應用，但對于在低空飛行的飛行器，由于高度較低(小于50米以下)，無線電高度表由于其原理上的問題，測量精度會大幅度下降。普通飛機可以靠飛行員目視觀察、判斷，操縱飛機安全飛行和降落；而對低空無人駕駛飛行器特別是大型無人駕駛飛行器來說，由于需要采用與普通飛機同樣的方式著陸，其著陸控制要由控制中心綜合分析各種探測信息后作出。落地前飛行器的高度、速度、姿態等參數的精確測量對飛機的安全準確著陸都是必不可少的，特別是對高度的精確測量對飛行器的精確著陸控制至關重要。此時在低空飛行高度測量上靠無線電高度表根本無法滿足要求。
發明內容本實用新型發明目的是提供一種由于無線電高度表的測量精度通常只有0.5米，在低空還存在測量盲區的缺陷，本實用新型可以很好地解決無人駕駛飛行器在50米以下的低空的高度測量問題，彌補無線電高度表不足的低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置。為了克服現有技術存在的缺陷，本實用新型的技術方案是這樣解決的低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置，包括支架上連接一根導軌，其本實用新型的改進之處在于所述支架的兩端各分別依次連接有四個同步帶輪、目標板組件、電控支架和張緊輪，同步帶輪、張緊輪上還連接有帶繩，所述電控支架分別連接有激光高度表、計算機、伺服系統。本實用新型與現有技術相比，本實用新型的發明特點是采用激光光束發射與接收，將光信號轉換為數字信號進行低空無人駕駛飛行器的高度測量，通過激光高度表控制無人機滑翔、著陸，本裝置穩定、可靠地安裝在平臺上，具有光、機、電、計算機和軟件等各部分能穩定、可靠、安全工作、測量精度高的特點，使用標準ATR航空機箱，DC28V直流供電，使安裝、使用、操作更方便、靈活。廣泛適用于無人駕駛飛行器和滑翔機、熱氣球等低空飛行器。還可以用來測量移動目標的速度、運動方向，配合其他控制設備實現對物體的運動控制，在工業生產的自動控制、機動車輛和飛行器防撞控制、交通安全控制等方面都有很好的應用前景。激光高度表能夠滿足如下技術指標和使用要求>系統測量精度2cm(中誤差)；>系統作用距離>50m;>最大數據采樣頻率1000Hz;>數據輸出接口RS422;>數據傳輸速率115200bps;>體積124腿*315腿*86腿；>重量<lkg;>供電方式直流電源28v。閉環控制模擬半實物仿真滑軌主要性能指標如下>移動范圍6m;>最大運動速度3m/s;>定位精度士5cm;>控制周期5ms;>目標板可進行士5。俯仰方向的調節。圖1為本實用新型閉環控制模擬仿真滑軌結構示意圖2為圖1的激光高度表結構；圖3為圖2的電壓采集與處理電路原理框圖4為高度表、仿真機和滑動導軌的實時數據圖表；圖5電源轉換電路圖6基準電壓產生電路圖7模數轉換電路圖8單片機處理電路圖9串口通信電路；圖10電控部分電路原理圖11單片機控制和數據處理軟件流程。具體實施方式附圖為本實用新型的實施例。以下結合附圖對
發明內容作進一步說明參照圖1所示，低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置，包括支架9上連接一根導軌3，所述支架9的兩端各分別連接有四個同步帶輪1、目標板組件2、電控支架7和張緊輪8，同步帶輪1、張緊輪8上還連接有帶繩10，所述電控支架7分別連接有激光高度表4、計算機5、伺服系統6。導軌的選擇根據設計指標中提出的運動精度士5cm和運動控制穩定性方面的考慮，選用SAM工CK滑動導軌。它由支撐軌、光軸和滑塊組成。光軸安裝在支撐軌上，可在整個運動過程中保證最大的強度和剛性。導軌全長7.2m，目的是為了給運動滑塊一個加速距離，以達到工作距離6m，在6m處達到最大速度3m/s的要求。同步帶、輪的選擇根據技術要求中提出得最大速度3m/s的要求，可計算出傳動帶輪的直徑大致在4)150ram范圍內。齒形同步帶與帶輪是嚙合傳動，中心骨架保證節距不變，傳動基本上不依靠摩擦，具有傳動確定、無滑移，瞬時速度均勻、同步性好，線速度高、質輕、柔韌性好、抗張力強度高，不需潤滑、壽命長、防污穢和灰塵、維修簡便等特占。"、、o目標板組件為實現目標板俯仰方向調節，采用雙螺桿調節機構，已達到±5°范圍內角度的任意調節。此結構設計在保證功能實現的前提下，達到了結構簡單、體積小型化的要求。電控支架為了盡量減小該系統的體積和裝備質量，我們選用了高強度鋁合金型材作為整個設備的支撐。具有重量輕，加工簡便，設計靈活，搭載方便等優點。支架內部設計有電機和主動帶輪、電機驅動器、系統電控盒、計算機等設備。光源的選擇測量光源選用波長為980皿的半導體激光光源，輸出功率5mw，連續波工作，可直接進行電調制，使用壽命達到10萬小時。為了使用方便，測量光源右側安裝了瞄準指示光源，采用波長為670nm的紅光半導體激光器發光，出射光束與測量光束平行。瞄準指示光源由軟件控制其點亮和熄滅，發出的紅色光點可以使選擇被測目標時更加方便。光學鏡頭的選擇發射光學系統采用擴束準直望遠系統。其功能是將激光器射出的激光束進行擴束并壓縮激光束的發散角，使單位立體角的光能量得到提高，使目標照度也相應提高。半導體激光器的輸出光束經擴束、準直后，其發散角達到2mrad，即在距離鏡頭15m遠處，光斑直徑大約為30鵬。接收光學系統為開普勒式望遠系統。其功能是收集漫反射回的微弱光脈沖信號、會聚并射向位于物鏡像方焦平面處的雪崩光電探測器敏感面上，探測器將接收到的微弱回波光脈沖信號轉換為毫伏量級的電脈沖信號。根據系統作用距離、測量光源的發射功率、光電探測器靈敏度以及抗雜光干擾等方面的考慮，接收光學系統的通光孔徑確定為20mm。系統組成和主要功能低空無人駕駛飛行器高精度激光高度表及其半實物仿真系統由高精度激光高度表、閉環控制模擬仿真滑軌以及通信控制和數據傳輸接口等部分組成。激光高度表可作為獨立的機載設備安裝在飛機上，為無人駕駛飛行器在接近地面時(距離地面50m以下)提供高精度的實時高度信息。閉環控制模擬仿真滑軌通過通信控制接口接收無人機發出的實時高度數據信息，控制導軌上的目標板運動，模擬飛機著陸的過程；高精度激光高度表實時測量飛機的高度，將測量數據由通信控制接口發送到仿真飛控計算機，實現無人機導航和著陸精確導引以及全天候自主精確著陸的半實物仿真。圖2所示，所述激光高度表包括信號處理和控制單元11與激光發射器16連接，激光發射器16發射出的測量光源進入擴束準直望遠鏡15，經過擴束準直望遠鏡15發射的測量光源對準被測物，反射回來的光束再通擴束準直望遠14反回激光接收器12，經激光接收器12接收到的激光信號送入到信號處理和控制單元11進行識別，與測量光源平行同時發射的還有瞄準光源13。圖3、圖IO所示，所述信號處理和控制單元11依次分別連接的電路為電源轉換電路17的信號送入基準電壓電路18，基準電壓電路18的信號送入模數7轉換電路19，模數轉換電路19的信號送入單片機處理電路20，單片機處理電路20的信號送入串口通信電路21，串口通信電路21的信號傳送到計算機5。激光高度表是本系統的核心部件，其性能直接決定整個系統能否滿足技術指標和使用要求。激光高度表的研制分為兩部分光機部分和信號處理電路部分。圖5所示為電源轉換電路U4，電源轉換器件選用LM7805的電容C13和C3是旁路電容，作用是抑制電路中可能產生的自激振蕩，盡量放在管腳根部，其中引腳1的電容大于引腳2的電容，是為了防止l處的電容漏電時，放電速度大于2處(輸出端)的速度，導致穩壓器倒置而損壞。圖6所示基準電壓產生電路U5，提供基準電壓的器件選擇一種并聯穩壓集成電路TL431，電容C4是旁路電容，作用是抑制電路中可能產生的自激振蕩。TL431可等效為一只穩壓二極管，其輸出電壓為Fyz=2.5x(l+&)，在這里我們取R5、R6為精密電阻，則輸出的基準電壓即為5V。圖7所示為模數轉換電路U3。模數轉換器件選擇一種開關電容結構的逐次比較型10位A/D轉換器TLC1549。從TL431出來的基準電壓接正參考電壓，而負參考電壓接地，這樣就保證了參考電壓的精度，從而保證了A/D轉換的精度。開始和停止轉換由單片機的P2.0引腳控制，輸出數據由單片機P2.2引腳接收，時鐘由P2.4引腳提供。圖8所示為單片機處理電路U1。單片機選擇AT89C52。AT89C52是一種低電壓，高性能COMS8位單片機，片內含8K可反復擦寫的Flash只讀程序存儲其和256位的隨機存取數據存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52適合于許多較為復雜的控制應用場合。通過P3.0、P3.1口與計算機串口通信。圖9所示為串口通信電路U2。串口電平轉換器件選用MAX232。信號處理電路8測量方式的選擇與實現由于系統要求高度表要達到很高的測量精度，同時又要求較快的數據測量頻率，所以我們并沒有采用相位測量方案，而是采用連續波脈沖距離測量的方法，既克服了相位測量數據率低的問題，又彌補了脈沖測量精度不高的缺陷。單片機控制和數據處理激光高度表的控制和信號處理主要是利用單片機通過軟件實現的，單片機控制和數據處理軟件流程如圖U。電壓采集與處理電路利用單片機對測量傳感器輸出的電壓進行采集和計算處理，即可得到測量結果。電壓采集與處理的原理框圖如圖2。電源轉換電路把9V電壓轉換成5V，以便給單片機等其他器件供電。由于一般的直流電總有紋波，不能滿足高精度電路的要求，基準電壓電路能提供穩定的高精度的5V基準電壓，給模數轉換的基準電壓供電。對測量傳感器出來的模擬電壓進行濾波、鎖定然后送入模數轉換器，模數轉換電路就完成了把模擬電壓量轉換為數字量的工作，以便單片機的運算和處理。單片機處理電路完成電壓和距離的運算處理，以及對誤差的處理，以盡量提高測量精度，并把距離信息發送到計算機串口。串口通信電路有效的完成把單片機的信息準確無誤的傳送到計算機。通信控制和數據傳輸接口主要包括單片機控制電路、RS422通信接口電路。其作用是接收無人機主控制器的指令和數據，控制測量單元在適當的時刻開始和停止工作，對接收到的數據進行處理，向主控制器發送模擬仿真數據。采用標準RS422串行通信接口，實現數據的雙向傳輸。串口電平轉換器件選用MAX232。單片機的UART和PC機的UART口電氣特性不匹配。單片機的串口是TTL電平的，35V為邏輯"高"電平，00.7左右為邏輯"低"電平；而PC機的串口符合RS-232特性，-5V-15V為邏輯低電平，+5V+15V為邏輯高電平，為了實現兩種不同規格器件的連接，兩者之間必須有一個電平轉換電路。閉環控制模擬仿真滑軌的研制電控硬件部分控制卡的選擇該控制系統中控制器部分采用當前比較流行的成熟的工業控制產品一一運動控制卡作為該控制系統的中心。該運動控制器采用FPGA作為控制核心，最高輸出頻率可達4.0MHz，帶有編碼器反饋端口，可適用于數字式交流伺服或閉環的步進電機控制系統。其主要功能執行上層計算機的控制指令，并將執行機構部分的反饋信息進行相應的處理，同時將處理結果反饋給計算機顯示當前執行設備的狀態(實時運行速度、實時位置等)。該系統中就是通過控制卡發送脈沖信號驅動伺服電機，同時將伺服電機的實時信息反饋給控制卡進行相應的處理。伺服電機的選擇在整個電控系統中電機的選擇是關鍵，下面是電機主要參數功率及轉矩的選擇計算過程。1)、功率的選擇要求在lm位移內速度達到最大的3m/s，所需的加速度為4.5m/s，皮帶輪及所帶物體的質量大概為15kg，計算所需外力為F=mXa=15X4.5二67.5(N)則電機的最大功率為P=FXV=67.5X3=202.5(W)在選擇電機功率時取系數K二2，則電機選擇功率在202.5X2二405W以上。2〉、轉矩的選擇根據系統要求取皮帶輪的直徑大小為154mm，有皮帶輪產生的轉矩為系統的主要轉矩，則有M±=67.5X154/1000/2=5.2(n.m)磨捺系數引起的轉矩為Mg二0.2(H.m)軸及從輪引起的轉矩為M其它二O.15(n.m)所以總的最大轉矩為M最大二5.2+0.2+0.15=5.55(n.m)根據以上主要參數的大小，最終確定中慣量系列的伺服電機。半閉環結構的選擇在設計中為了提高控制的精度，同時根據系統自身的特點，采用了半閉環結構形式，從電機編碼器取出反饋信號代表物體的實際位置，對運動中的誤差進行實時控制。軟件的實現軟件使用平臺為Windows2000，這樣提高了整個系統的穩定性，軟件采用￥0++模塊化編制，在進行控制時，根據系統的實際特點及技術需要，采用了自適應控制方法，讓系統根據上層給定的具體數值進行實時的計算和控制，以很好達到系統的技術指標要求。實施例l激光高度表試驗、試用情況本系統所研制的激光高度表主要用來測量飛機相對于跑道的高度，飛機跑道通常為水泥面，針對這一情況，我們以水泥表面為被測表面進行了一系列的試驗測量。測量分為靜態和動態兩種情況。靜態測量時，用高度表對某一固定水泥表面進行測量，測量試驗數據見下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>從表中數據可以看出，激光高度表的靜態精度可以達到10mm左右。動態測量時，將高度表安裝在滑動導軌上，閉環控制模擬仿真滑軌上的目標板運動，測得目標板以不同的速度運動時，相對于高度表的動態位置，并與飛控仿真計算機給出的實際高度數據比對，結果見下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>從表中數據可以看出，激光高度表的動態精度可以滿足20mm以下的要求。(2)半實物仿真滑軌的試驗測試情況為檢驗半實物仿真系統的功能及指標，設計并編寫了激光高度表系統檢測軟件。檢測軟件可以模擬飛控仿真計算機對激光高度表和滑動導軌進行功能測試與指標檢測。檢測軟件根據不同實驗數據產生仿真指令數據，利用RS422串口發送給滑動導軌，控制導軌進行伺服運動，實時接收導軌反饋回的當前位置數據，通過對比指令數據與位置得到導軌的動態運動精度。圖4所示，給出在5ms控制周期，導軌最大速度為3m/s時的數據曲線圖。圖中三條曲線重合度非常好，表明伺服精度與測高精度都很高。以當前點為例，導軌的運動定位精度為1.5cm，高度表的測量精度為1.4cm。實施例2本項目研制的激光高度表和半實物仿真裝置已經與某大學無人機特種技術國家重點實驗室的仿真無人機成功對接，所提供的高度信息能夠準確引導無人機平穩、安全著陸；半實物仿真真實可靠地反映了無人機的實際著陸過程。實際使用時，將閉環控制模擬仿真滑軌通過通信控制接口與仿真飛控計算機的一個RS232標準串行通信接口相連接，接收仿真無人機發出的實時高度數據信息，控制導軌上的目標板運動，模擬飛機著陸的過程；高精度激光高度表與仿真飛控計算機的另一個RS232標準串行通信接口相連接，實時測量飛機的高度(即目標板的位置)，將測量數據由通信控制接口發送到仿真飛控計算機，仿真無人機根據激光高度表的測量數據控制無人機滑翔、著陸。權利要求1、一種低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置，包括支架(9)上連接一根導軌(3)，其特征在于所述支架(9)的兩端各分別連接有四個同步帶輪(1)、目標板組件(2)、電控支架(7)和張緊輪(8)，同步帶輪(1)、張緊輪(8)上還連接有帶繩(10)，所述電控支架(7)上還分別連接有激光高度表(4)、計算機(5)、下部連接伺服系統(6)。2、根據權利要求1所述的低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置，其特征在于所述激光高度表包括信號處理和控制單元(11)與激光發射器(16)連接，激光發射器(16)發射出的測量光源進入擴束準直望遠鏡(15)，經過擴束準直望遠鏡(15)發射的測量光源對準被測物，反射回來的光束再通擴束準直望遠鏡(14)反回激光接收器(12)，經激光接收器(12)接收到的激光信號送入到信號處理和控制單元(11)進行識別，與測量光源平行同時發射的還有瞄準光源(13)。3、根據權利要求2所述的低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置，其特征在于所述信號處理和控制單元(11)依次分別連接的電路為電源轉換電路(17)的信號送入基準電壓電路(18)，基準電壓電路(18)的信號送入模數轉換電路(19)，模數轉換電路(19)的信號送入單片機處理電路(20)，單片機處理電路(20)的信號送入串口通信電路(21)，串口通信電路(21)的信號傳送到計算機(5)。專利摘要本實用新型公開了一種低空無人駕駛飛行器的高度測量半實物仿真裝置。包括支架上連接一根導軌，支架兩端各分別依次連接有四個同步帶輪、目標板組件、電控支架和張緊輪，同步帶輪、張緊輪上還連接有帶繩，所述電控支架分別連接有激光高度表、計算機、伺服系統。特點是采用激光光束發射與接收，將光信號轉換為數字信號進行低空無人駕駛飛行器的高度測量，通過激光高度表控制無人機滑翔、著陸，具有光、機、電、計算機和軟件各部分為一體，能穩定、可靠、安全工作、測量精度高的特點，使用操作方便、靈活，系統測量精度2cm，系統作用距離＞50m；重量＜1kg；廣泛適用于無人駕駛飛行器和滑翔機。文檔編號G01S17/00GK201266242SQ200720311480公開日2009年7月1日申請日期2007年12月27日優先權日2007年12月27日發明者李云霞,文蒙,趙尚弘,馬麗華申請人:中國人民解放軍空軍工程大學