专利名称：无人飞艇的半自主飞行控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行器的控制系统及其控制方法，特别是一种无人飞艇的半自主飞行控制系统及其控制方法。
背景技术：
飞艇是一种轻于空气(Lighter Than Air，LTA)的飞行器，其主要组成部分有充满轻质气体的气囊、一台或数台产生推力的发动机、吊舱、尾翼和操纵系统等。与重于空气的飞行器的主要不同在于飞艇依靠密封于气囊内的轻于空气的气体(如氢气、氦气或热空气等)提供全部或绝大部分升力，将飞艇及其载荷支持在空中，该升力与飞行速度无关。飞艇与其他轻于空气飞行器的主要不同在于飞艇是有动力、可操控的，发动机为其提供动力，通过操纵尾翼上的升降舵和方向舵控制飞艇的俯仰和方向运动。无人飞艇的特征尺寸约为20m以下，可以携带一定的任务负载，续航时间一般在2h以内。
与无人固定翼飞行器和无人旋翼飞行器相比，无人飞艇具有制造维护成本低、商载-自重比大、续航时间长、操纵性强、控制简单安全、可实现低空低速飞行等优点。自20世纪80年代，许多国家开展了无人飞艇的研究，主要目的是以其为平台，开展交通监视、城市规划、电线与管道架设与检测、矿场或考古地点勘测与保护、法律实施、通讯中继、以及环境、生物多样性、气候监测和研究等。近年来，超小型无人飞艇得到了越来越多的应用，正成为国际上的一个研究热点。
无人飞艇的绝大多数采用遥控方式，遥控距离一般为视距范围以内。显然，遥控方式存在不足，如遥控距离有限，当目标地点处于遥控者难以到达的地方(如大森林、沼泽)时，无人飞艇无法飞行；遥控者劳动强度大，遥控者一直仰头边看飞艇边操作，尤其在一些长时间飞行情况下容易疲劳等。
半自主/自主无人飞艇飞行控制系统的目的在于部分地取代人工操纵，使飞艇具有一定的自主性。在这方面，巴西的AURORA计划项目、法国国家科学研究中心系统结构与分析实验室等研究机构做了大量的工作，但其研究是基于高成本传感器组的，不利于实现商业化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人飞艇的半自主飞行控制系统及其控制方法，提高无人飞艇飞行的自主性能，减轻遥控操作者的劳动强度，拓宽无人飞艇的应用范围。
为达到上述目的，本发明的构思是本无人飞艇的半自主飞行控制系统包括机载系统和地面系统两部分，其中机载系统由传感器组(包括位置传感器和姿态传感器)、单片机、遥控信号接收机、模拟多路开关、致动器、机载数传模块组成。单片机信号和遥控信号接收机信号经模拟多路开关与致动器信号线相连，单片机引脚与模拟多路开关的控制端相连；单片机通过串行通信接口和(或)模/数转换接口获取传感器组信号；单片机的通用I/O引脚与遥控信号接收机相关控制通道的信号线相连；单片机通过串口与数传模块相连。地面系统包括遥控信号发射机、PC机、地面数传模块；遥控信号发射机由遥控者操作；地面数传模块通过串口与PC机相连。
为了使该控制系统能满足多种用户需求，按如下几点设计了该系统的控制方法。
1.单片机通过对接收机模式通道信号进行识别，通过控制模拟多路开关的控制端，使控制系统在人工遥控、局部人工遥控及自主飞行这三种模式进行切换，从而既能实现无人飞艇的自主飞行，又可在特殊情况下及时切换到遥控模式下，提高了无人飞艇的安全性。
2.单片机通过中断程序采集无人飞艇的姿态、位置、速度、方向等传感信号，经处理后依控制算法计算出当前飞行控制模式下所要求控制的各通道的控制量，由I/O口发出、经模拟多路开关至致动器控制无人飞艇的相关舵面，从而控制飞艇的飞行。
3.通过预先设置或在飞行过程中实时设定航路点，使自主地按设定的路径飞行。
4，为了避免因数据模块数据出错而带来的不利影响，对数传模块所传送的数据设定严格的格式并设置校验，使机载系统和地面系统能方便地辨别传送数据是否正确。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案一种无人飞艇的半自主飞行控制系统，包括机载系统和地面系统，其特征在于机载系统的系统结构为传感器组的输出由串行通讯接口和/或模/数转换接口连接单片机的输入口，单片机的输出由I/O引脚与模拟多路开关输入端连接，模拟多路开关的输出端连接致动器组的输入端，单片机通过串口与机载数传模块相连，并由模块通道连接遥控信号接收机，遥控信号接收机的输出口连接模拟开关；地面系统有PC机通过串口连接一个地面数传模块，并有一个遥控信号发射机；机载系统的机载数传模块和遥控信号接收机分别通过射频信号与地面系统的地面数传模块和遥控信号机联系。
上述的传感器组、单片机和模拟多路开关制作于一块印刷电路板上，由印刷电路板上的数传电台接线头、遥控信号接收机接线头和致动器组接线头分别通过电缆连接机载数传模块，遥控信号接收机和致动器组。
上述的单片机电路由一块C8051F020型单片机、一块双排5×2标准插口、一个24M型晶振、十一个电容和一个电阻构成。
上述的传感器组由一块MAX3232型串口通信接口芯片、四个电容、一个HMR3000型数字罗盘和一块RGM3000型GPS接收机模块构成。
上述的模拟多路开关为一块MAX333型芯片。
上述的数传电台接线头采用单排四针标准插口、遥控信号接收机接线头采用单排三针标准插口，致动器组接线头采用单排三针标准插口。
上述的传感器组包含有位置传感器和姿态传感器，致动器组为舵机。
一种用于权利要求1所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统的控制方法，其特征在于控制步骤为a.在机载系统中将传感器组感知无人飞艇的姿态与位置的信号传送至单片机处理；b.在地面系统中，有遥控者操纵遥控信号发射机发送遥控信号，包括飞行模式切换信号；c.地面数传模块接收机载系统中单片机传给机载数传模块的数据转换成的射频信号，送至地面PC机处理；d.地面数传模块接收PC机的飞行控制指令，并将其转换为射频信号送出；e.机载数传模块接收飞行控制指令传送至单片机处理，包括切换飞行模式；f.机载系统中的单片机通过控制与模拟多路开关的控制端连接的I/O引脚电平，在遥控信号接收机接收地面遥控信号发射机的遥控信号和单片机发送的飞行控制信号两者之间选一，对致动器组舵机进行控制，实现姿态控制与导航。
在上述的控制方法中，通过机载单片机对遥控信号接收机模式通道的状态识别，改变模拟多路开关相关通道的控制端电平，使对应致动器组信号在遥控信号接收机信号或单片机信号中选一，从而使飞行控制系统在人工遥控飞行、局部人工遥控飞行与自动遥控飞行三种模式之间切换。
在上述的自主飞行模式中，通过在单片机中预先设置飞行航路点，或在飞行过程中实时设定飞行航路点，使无人飞艇按航路点飞行。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著特优点在本发明设计的控制系统中，单片机对遥控接收机模式通道信号进行识别，使遥控系统能在人工遥控、局部人工遥控及自主飞行三种模式进行切换；能通过预先设置或在飞行过程中实时设定航路点，使自主地按设定路线飞行，执行预设任务；地面可通过遥控信号发射机发送指令无人飞艇，操空方便；可通过地面数传模块获得无人飞艇的各种飞行数据，便于实时遥控。本发明提高了飞艇的自主性能，减轻了遥控者的劳动强度，同时可拓宽无人飞艇的应用范围。
图1是本发明一个实施例的系统结构框2是图1示例的系统结构示意3是图2中印刷电路板的电路原理4是单刀双掷模拟开关的原理示意5是图1示例中单片机的程序流程6是图1示例中飞行模式切换程序流程7是图1示例中的控制框8是图1示例中数传模块传送数据的格式图具体实施方式
本发明的一个优选实施例如下详述参见图1和图2，本无人飞艇的半自主飞行控制系统，包括机载系统2和地面系统1，机载系统2的系统结构为传感器组3的输出由串行通讯接口和/或模/数转换接口连接单片机4的输入口，单片机4的输出由I/O引脚与模拟多路开关5输入端连接，模拟多路开关5的输出端连接致动器组6的输入端，单片机4通过串口与机载数传模块7相连，并由模块通道连接遥控信号接收机8，遥控信号接收机8的输出口连接模拟开关5；地面系统1有PC机11通过串口连接一个地面数传模块9，并有一个遥控信号发射机10；机载系统2的机载数传模块7和遥控信号接收机8分别通过射频信号与地面系统1的地面数传模块9和遥控信号机10联系。上述的传感器组3、单片机4和模拟多路开关5制作于一块印刷电路板12上，由印刷电路板12上的数传电台接线头14、遥控信号接收机接线头15和致动器组接线头13分别通过电缆连接机载数传模块7，遥控信号接收机8和致动器组6。传感器组3包含有位置传感器和姿态传感器，位置传感器采用RoyalTek公司的RGM3000型GPS接收机，姿态传感器为HoneyWell公司的HMR3000数字罗盘，这两个传感器均通过串口与单片机4通信，另外，由于数传电台和数字罗盘的串口为RS232电平，故需利用串口接口芯片将其转换为单片机4可接受的TTL电平，本例中采用了MAX3232作为传感器的接口芯下以实现此功能；单片机4为Cygnal公司出品的C8051F020型单片机；模拟多路开关5为MAXIUM公司制造的Max333型元件；遥控信号接收机8为Futaba公司出品的R149DP型9通道接收机；致动器6为Futaba公司出品的Futaba S9204型舵机。地面系统1中遥控信号发射机10为Futaba公司出品的T9CAP型发射机，地面PC机11可为通用的便携式膝上机。地面系统1和机载系统2中的数传模块7、9为泰达鑫公司出品的TDX-230型双工数传电台，均通过串口与单片机4或PC机11相连。为了提高系统的集成度，在该实例中将传感器组及其接口3电路、单片机模块4、模拟多路开关5等集成在一印刷电路板12中，并在该电路板上留出了与机载数传电台的串口的接线头14，留出了与遥控信号接收机8的第二、三、四、六、八通道信号接口的接线头15，留出了与四个舵机6的接口13。
参见图4，上述印刷电路板12电路的各部分分别为单片机模块4含有U2-Cygnal公司出品的C8051F020型单片机；Y1-24M晶振；C14与C15-27pF电容；C1~C9-0.1uF电容；HDR1-双排5×2标准插口，单片机程序烧写JTAG插口。
遥控信号接收机接头8含有CON1~CON5-单排三针标准插口，分别连至接收机的通道2、通道3、通道4、通道6、通道8，CON5与单片机P3.4引脚连接。模拟多路开关5含有U1-模拟多路开关MAX333，其各路的连接关系如表1所示。
舵机接线头13含有CON7~CON10-单排三针标准插口，分别连至无人飞艇升降舵舵机、左发动机风门舵机、方向舵舵机、右发动机风门舵机。
传感器组及其接口电路3含有U3-串行通信接口芯片MAX3232；U4-GPS接收机模块RGM3000；U5-数字罗盘HMR3000；C10~C13-1.0uF钽电容。
数传电台接线头14含有CON6-单排四针标准插口。
图2是单刀双掷型模拟开关的示意图。当控制端为低电平时，公共端与常合端导通；否则当控制端为高电平时，公共端与常合端导通。在本实施例中采用的MAXIUM公司制造的Max333型元件有四路这样的独立的模拟开关，把遥控信号接收机的第二、三、四、六通道(分别对应飞艇的升降舵、左发动机风门舵、方向舵、右发动机风门舵)分别与Max333的常合端连接，其常开端、控制端分别与相应的单片机的引脚连通，公共端与致动器信号线连通。故通过改变控制端的电平，单片机可以控制致动器信号的来源。
表1模拟开关各路连接情况
本无人飞艇的半自主飞行控制系统的控制方法如下所述本控制方法的控制步骤为a.在机载系统2中将传感器组3感知无人飞艇的姿态与位置的信号传送至单片机处理；b.在地面系统中，有遥控者操纵遥控信号发射机10发送遥控信号，包括飞行模式切换信号；c.地面数传模块9接受机载系统中单片机4传给机载数传模块7的数据转换成的射频信号，送至地面PC机11处理；d.地面数传模块9接受PC机11的飞行控制指令，并将其转换为射频信号送出；e.机载数传模块7接受飞行控制指令传送至单片机4处理，包括切换飞行模式；f.机载系统2中的模拟多路开关5在遥控信号接收机8接受地面遥控信号发射机10的遥控信号和单片机4发送飞行控制信号，对致动器组舵机6进行控制，实现姿态控制与导航。
上述的控制方法中，通过机载单片机4对遥控信号接收机8模式通道的状态识别，改良模拟多路开关5相关通道的控制端电平，使对应致动器组6信号在遥控信号接收机8信号或单片机4信号中选一，从而使飞行控制系统在人工遥控飞行、局部人工遥控飞行与自动遥控飞行三种模式之间切换。
上述的自主飞行模式中，通过在单片机中预先设置飞行航路点，或在飞行过程中实时设定飞行航路点，使无人飞艇按航路点飞行。
图5给出本无人飞艇飞控系统机载单片机的程序流程图。程序初始化后，通过与人工交互设置无人飞艇的飞行航路点，然后进行循环控制中。在循环控制中，利用单片机4的中断程序处理经串口传入的GPS和数字罗盘3的信号语句以及地面PC机11上传的控制指令，如果一个语句接收并处理完毕，则写对应的标识。在一个循环中，首先判断无人飞艇的飞行模式；然后查询中断处理是否完成的标识，如果某传感器信号处理完毕标识为1，则将该传感器数据按一定的格式传送至地面，然后将对应的标识清0；地面PC机11控制指令接收及处理后，与传感器数据一起被用于控制算法中，控制算法通过当前飞行状态和目标状态，计算出各舵机6所需的控制量，发送给多路开关5。
图6的虚线框中是飞行模式切换程序流程图。在本实施例中P3.4引脚与遥控信号接收机8的通道8连通，由于所有通道的信号均是脉宽调制(PWM)信号，因此单片机4通过定时器/计数器计算一个周期内PWM波的高电平时间t，即可获知遥控者设定的飞行模式。在实施例中，设定当700＜t≤1200时，表明操作者希望无人飞艇处于遥控飞行模式，此时，单片机4控制P2.0、P2.1、P2.2、P2.3即模拟开关5的四个通道的控制端的电平均为低，使各路常合端与公共端导通，即所有致动器6的输入信号为接收机8的信号，从而遥控者可遥控轻于空气飞行器的所有通道。当1200＜t≤1800时，表明操作者希望无人飞艇处于局部人工遥控飞行模式，此时，单片机控制P2.0、P2.1、P2.3被置为高电平，P2.2被置为低电平，从而遥控者可以遥控无人飞艇的方向舵，而其它通道则由单片机4控制。当1800＜t或t≤700时，表明操作者希望无人飞艇处于自主飞行模式，此时，单片机4控制P2.0、P2.1、P2.2、P2.3即模拟开关5的四个通道的控制端的电平均为高，使各路常开端与公共端导通，即所有舵机6均由单片机4控制。这样，遥控者通过操作通道8以实现飞行模式之间的切换，一般情况下，设置通道8为三档开关。
图7是各个通道的控制框图。各个通道的控制基本过程为设置控制量的目标值，该目标值与传感器3所测得的值进行比较得到误差e，由算法算得控制量至舵机6，从而控制无人飞艇的运动，如此循环。在无人飞艇中所需控制的量有速度、高度、航向三种，分别通过对发动机风门舵机、升降舵舵机、方向舵舵机进行控制。由于飞艇的特性，质量较大的吊舱一般设在囊体底部，故不必对横滚通道进行控制；飞艇其升力主要是空气浮力，与速度无关，故飞艇不存在失速的问题，因此在控制中不必考虑各通道之间的耦合关系，故速度、高度、航向三种量可以单独控制，从而简化控制算法；采用实现方便、控制可靠的PID控制算法。具体而言，速度通过调整发动机风门舵机进行控制，由GPS提供的地速表示飞艇的速度，若地速与设定飞行速度有差距，则通过控制算法，计算出风门舵机的调整量，不断修正风门从而实现速度控制。高度通过调整升降舵机进行控制，由GPS提供的高度与设定的飞行高度进行比较，通过控制算法计算出升降舵舵机的调整量，不断调整从而实现高度控制。航向通过调整方向舵舵机进行控制，由罗盘提供的艇首方向角与方向目标值进行比较，通过控制算法计算出方向舵舵机的调整量，不断调整从而实现方向控制；其中方向目标值通过当前GPS位置与下一航路点GPS位置计算得出。
图8为数传模块传送数据的格式。其中传送的数值及其名称是可变的部分，校检码HH是这两部分各个字符与0的异或结果。通过这种方式，可保证机载系统和地面系统能方便地识别正确或错误的数据，以避免数传模块受到干扰而造成的不利影响。
本控制系统及控制方法用于上海箭微机电技术有限公司研制的长12米充氦飞艇的半自主控制，效果良好。
权利要求
1.一种无人飞艇的半自主飞行控制系统，包括机载系统(2)和地面系统(1)，其特征在于机载系统(2)的系统结构为传感器组(3)的输出由串行通讯接口和/或模/数转换接口连接单片机(4)的输入口，单片机(4)的输出由I/O引脚与模拟多路开关(5)输入端连接，模拟多路开关(5)的输出端连接致动器组(6)的输入端，单片机(4)通过串口与机载数传模块(7)相连，并由模块通道连接遥控信号接收机(8)，遥控信号接收机(8)的输出口连接模拟开关(5)；地面系统(1)有PC机(11)通过串口连接一个地面数传模块(9)，并有一个遥控信号发射机(10)；机载系统(2)的机载数传模块(7)和遥控信号接收机(8)分别通过射频信号与地面系统(1)的地面数传模块(9)和遥控信号机(10)联系。
2.根据权利要求1所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统，其特征在于传感器组(3)、单片机(4)和模拟多路开关(5)制作于一块印刷电路板(12)上，由印刷电路板(12)上的数传电台接线头(14)、遥控信号接收机接线头(15)和致动器组接线头(13)分别通过电缆连接机载数传模块(7)，遥控信号接收机(8)和致动器组(6)。
3.根据权利要求1或2所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统，其特征在于单片机(4)电路由一块C8051F020型单片机(U2)、一块双排5×2标准插口(HDR1)、一个24M型晶振(Y1)、十一个电容(C14、C15、C1-C9)和一个电阻(R1)构成。
4.根据权利要求1或2所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统，其特征在于传感器组(3)由一块MAX3232型串口通信接口芯片(U3)、四个电容(C10-C13)、一个HMR3000型数字罗盘(U5)和一块RGM3000型GPS接收机模块(U4)构成。
5.根据权利要求1或2所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统，其特征在于模拟多路开关(5)为一块MAX333型芯片(U1)。
6.根据权利要求2所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统，其特征在于数传电台接线头(14)采用单排四针标准插口(CON6)、遥控信号接收机接线头(15)采用单排三针标准插口(CON1-CON5)，致动器组接线头(13)采用单排三针标准插口(CON7-CON10)。
7.根据权利要求1所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统，其特征在于传感器组(3)包含有位置传感器和姿态传感器，致动器组(6)为舵机。
8.一种用于权利要求1所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统的控制方法，其特征在于控制步骤为a.在机载系统(2)中将传感器组(3)感知无人飞艇的姿态与位置的信号传送至单片机处理；b.在地面系统中，由遥控者操纵遥控信号发射机(10)发送遥控信号，包括飞行模式切换信号；c.地面数传模块(9)接收机载系统中单片机(4)传给机载数传模块(7)的数据转换成的射频信号，送至地面PC机(11)处理；d.地面数传模块(9)接收PC机(11)的飞行控制指令，并将其转换为射频信号送出；e.机载数传模块(7)接收飞行控制指令传送至单片机(4)处理，包括切换飞行模式；f.机载系统(2)中的单片机(4)通过控制与模拟多路开关(5)的控制端连接的I/O引脚电平，在遥控信号接收机(8)接收地面遥控信号发射机(10)的遥控信号和单片机(4)发送的飞行控制信号两者之间选一，对致动器组舵机(6)进行控制，实现姿态控制与导航。
9.根据权利要求8所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统的控制方法，其特征在于通过机载单片机(4)对遥控信号接收机(8)模式通道的状态识别，改变模拟多路开关(5)相关通道的控制端电平，使对应致动器组(6)信号在遥控信号接收机(8)信号或单片机(4)信号中选一，从而使飞行控制系统在人工遥控飞行、局部人工遥控飞行与自动遥控飞行三种模式之间切换。
10.根据权利要求8所述的无人飞艇的半自主飞行控制系统的控制方法，其特征在于自主飞行模式中，通过在单片机中预先设置飞行航路点，或在飞行过程中实时设定飞行航路点，使无人飞艇按航路点飞行。
全文摘要
本发明涉及一种无人飞艇的半自主飞行控制系统及其控制方法。控制系统包含有机载系统和地面系统，机载系统的系统结构为传感器组的输出由串行通讯接口和/或模/数转换接口连接单片机的输入口，单片机的输出由I/O引脚与模拟多路开关输入端连接，模拟多路开关的输出端连接致动器组的输入端，单片机通过串口与机载数传模块相连，并由模块通道连接遥控信号接收机，遥控信号接收机的输出口连接模拟多路开关；地面系统有PC机通过串口连接一个地面数传模块，并有一个遥控信号发射机；机载系统的机载数传模块和遥控信号接收机分别通过射频信号与地面系统的地面数传模块和遥控信号机联系。在本系统中可由单片机对遥控接收机模式通道信号进行识别，实现系统在人工遥控、局部人工遥控及自主飞行三种模式进行切换。本发明提高了飞艇的自主性能，减轻了遥控者的劳动强度，同时可拓宽无人飞艇的应用范围。
文档编号B64B1/00GK1557676SQ20041001579
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月13日 优先权日2004年1月13日
发明者饶进军, 谢少荣, 罗均, 蒋蓁, 龚振邦 申请人:上海大学