微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及微小型无人直升机的自主飞行控制技术领域，尤其涉及一种微小 型无人直升机多模态自主飞行的控制系统。
【背景技术】
[0002] 微小型无人直升机，一般是载重在10kg以下直升机，其具有机动灵活、安全可靠 等特点。相比于其它无人机，小型无人直升机具有造价低，体积小，重量轻，飞行相对灵活， 具有垂直起降、空中悬停、协调转弯、向前和向后飞行等多种飞行模态。而且它对起飞场地 和使用环境的要求低，更易于适应复杂多变的环境，在军事和民用领域均具有广阔的应用 前景，如侦察监视、搜索救援、目标跟踪、电力检修、航拍成像等。
[0003] 然而，微小型无人直升机是一个非常复杂的高阶控制对象，它具有高度非线性和 复杂的动力学特性，纵横向轴间耦合强，开环不稳定，这些都给微小型无人直升机的控制带 来了不小的难度。直升机动特性的不稳定，导致其对控制系统的依赖程度比其它飞行器大 得多，因此，计算机飞行控制系统已经成为微小型无人直升机自主飞行不可或缺的重要组 成部分
[0004] 目前，微小型无人直升机基本都是通过专业的操纵人员通过无线遥控以及机载电 子控制系统来控制，从而完成飞行任务。这对操纵人员的技术要求较高，而且只能在有限的 距离内飞行，大大限制了微小型无人直升机的应用范围。
[0005] 因此，解决上述问题就显得很重要。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及的问题，提供一种微小 型无人直升机多模态自主飞行的控制系统。
[0007] 本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] 微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统，包含机载部分和地面站控制部 分；
[0009] 所述的地面站控制部分包含地面监控站、地面无线数传和遥控器，所述地面监控 站和地面无线数传电气相连；
[0010] 所述机载部分包含飞行控制模块、传感器模块、机载无线数传、遥控接收机和执行 机构；
[0011] 所述传感器模块包括气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感器和 GPS；
[0012] 所述飞行控制模块分别和气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感 器、GPS、机载无线数传、遥控接收机、执行机构电气相连，用于接收的遥控信号或地面控制 信号，并经过计算后输出控制信号控制执行机构工作；
[0013] 所述遥控接收机用于在无线遥控模式时接收遥控器的遥控信号并将其传递给飞 行控制模块；
[0014] 所述机载无线数传和地面无线数传基于无线通信。
[0015] 作为本实用新型微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统进一步的优化方 案，所述飞行控制模块采用DSP模块。
[0016] 作为本实用新型微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统进一步的优化方 案，所述DSP模块采用DSP芯片TMS320F28335。
[0017] 作为本实用新型微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系统进一步的优化方 案，所述执行机构包含一个电机和四个舵机，所述电机用于控制旋翼转速，所述四个舵机分 别用于控制总距、尾桨桨距、横向周期变距、纵向周期变距。
[0018] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0019] 1.采用DSP28335芯片作为飞控计算机，所有的控制过程均通过这个控制芯片完 成，其运行速度快且能运算浮点数，提高了系统的工作效率和准确性，而且该电路体积小、 重量轻，便于安装，成本低廉，实用性强；
[0020] 2.能够进行多模态自主飞行模式，实现自稳、定高悬停、姿态保持等飞行模态，不 需要人为干预；
[0021] 3.可采用遥控控制、自动控制结合的控制方式，使得在自动控制出现故障时，采用 手动控制，避免了直升机的不可控状态。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0023] 图2为本实用新型的控制结构示意图；
[0024] 图3为本实用新型飞行控制的流程示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
[0026] 如图1所示，本实用新型公开了一种微小型无人直升机多模态自主飞行的控制系 统，包含机载部分和地面站控制部分；
[0027] 所述的地面站控制部分包含地面站、地面无线数传和无线遥控器，所述地面站和 地面无线数传电气相连；
[0028] 所述机载部分包含飞行控制模块、传感器模块、机载无线数传、遥控接收机和执行 机构；
[0029] 所述传感器模块包括气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感器和 GPS；
[0030] 所述飞行控制模块分别和气压传感器、超声波测高传感器、速度传感器、航姿传感 器、GPS、机载无线数传、遥控接收机、执行机构电气相连，用于根据接收的遥控信号或地面 控制信号控制执行机构工作；
[0031] 所述遥控接收机用于在无线遥控模式时接收遥控器的遥控信号并将其传递给飞 行控制模块；
[0032] 所述机载无线数传和地面无线数传基于无线通信。
[0033] 所述无人直升机飞行控制系统包括无线遥控飞行模式与多模态自主飞行模式：
[0034] 无线遥控飞行模式时，遥控接收机接收遥控器信号传输至DSP模块，DSP模块对接 收的信号处理后分别输出控制信号控制执行机构工作；
[0035] 多模态自制飞行模式时，所述传感器模块实时采集直升机的姿态数据、高度数据、 速度数据，并将采集到的数据发送至DSP模块；所述PC控制台通过无线传输模块将数据传 输至DSP模块；所述DSP模块实时接收传感器数据及PC控制平台数据，并对接收的信号处 理后分别输出控制信号至执行机构，控制执行机构工作。
[0036] 所述执行机构包括4个舵机和一个电机，四个舵机分别用于控制总距、尾桨桨距、 横向周期变距、纵向周期变距，电机用于控制旋翼转速；所述舵机与旋翼电机均采用标准 50Hz的PWM控制。
[0037] 所述直升机包括四个通道：俯仰通道、横滚通道、偏航通道、高度通道，对应的舵面 分别是纵向周期变距、横向周期变距、尾桨桨距、总距。直升机采用CCPM电子控制式螺距混 控系统，控制信号接往控制十字盘做六自由度运动的升降舵、副翼舵和螺距这三个舵机、控 制尾桨的航向舵机以及控制旋翼转速的电动马达。
[0038] 以下将无人直升机简称为无人机，将飞行控制简称为飞控，地面站控制部分简称 为地面站：
[0039] 在无人机系统中，飞行控制系统是其核心部分，也可以称作"神经中枢"，它以飞控 计算机为控制核心，辅助相应传感器单元、执行机构、伺服操纵模块、无线传输模块、测控终 端等，实现对无人机的自主导航、飞行控制、任务管理等功能。
[0040] 无人机飞控系统分为内回路和外回路两个部分，其中内回路为飞控回路，也可以 称之为姿态环；外回路是导航制导回路，实现对经炜、高度的精确跟踪，从而实现无人机的 航点飞行。本实用新型的控制系统主要就是提供完成无线遥控及自主飞行任务的软、硬件 平台。飞控板接收各类传感器采集的信息，与外环和内环提供的"指令信号"相比较，分别 作为制导算法和控制律算法的输入，完成制导和控制律的解算，制导算法的解算结果作为 控制单元的指令，执行机构则按照控制单元解算得出的指令驱动旋翼电机和舵机工作，实 现对微小型无人直升机的控制。
[0041] 该微小型无人直升机飞行控制系统，主要针对单旋翼带尾桨直升机，包括机载设 备和地面监控站两部分。下面详细介绍其具体工作过程及原理。
[0042] 1.飞控系统的硬件实现和工作原理
[0043] 整个飞控系统分为机载部分和地面站控制部分。地面控制站和机载部分的通信有 两种方式，2. 4GHz的FUTABA遥控器无线通信和900MHz无线传输模块通信。FUTABA遥控器 是一款无线遥控器，与该品牌接收机配套使用。操纵人员可以通过拨动遥控器上的拨杆，产 生具有不同脉宽的各通道遥控PWM信号。飞行控制板的核心为DSP，主要负责读取气压传感 器、超声波高度计、航姿传感器和GPS模块的数据，读取遥控器操纵指令，生成舵机操纵指 令，与地面站进行无线数据传输，数据解算，飞行控制律解算，输出控制信号等工作。
[0044] 本实用新型的机载部分包括DSP模块、旋翼电机、十字盘舵机、具有MEMS陀螺仪 和三轴加速度计的航姿传感器及其接口电路、GPS及其接口电路、高度测量传感器及其接 口电路、复位电路、小电压差线性稳压器、JTAG接口、无线传输模块及其接口电路、电源，所 述DSP模块包括单极性PWM输出驱动电路、PWM捕获驱动电路；其中旋翼电机和舵机与DSP 的单极性PWM输出驱动电路连接，航姿传感器通过电平转换电路与DSP的UART串口连接，GPS、高度传感器也与DSP的UART串口连接，速度传感器、气压传感器与DSP的普通10 口连 接，无线传输模块通过TTL电平接口与DSP的串口相连接，地面控制站部分的无线传输模块 与机载部分的无线传输模块相互传输数据，遥控器的接收机与DSP的eCAP捕获模块相连。
[0045] ①飞控计算机功能描述
[0046] 本文提出了以DSP为飞控计算机设计方案，可以实现任务的合理分配。
[0047] 主控芯片采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335 ;TMS320F28335控制效果好，运算 能力强，是该系列DSP中性能优越的代表，故仅用一块足够实现导航和飞控的功能。以下对 飞控计算机详细描述：
[0048] 飞行控制计算机中，DSP是主控芯片，所有的信号读入，解算，飞行控制律的解算， 控制信号输出均有其完成。DSP完成的内容有：传感器信号处理、遥控信息接收、导航计算、 控制律解算、舵机驱动、地面站通信等。
[0049] DSP是控制核心，所有完成的工作构成了带反馈的闭环控制。它处理传感器信息， 为飞控系统提供反馈输入；接收遥控或自主控制指令，根据具体指令采用不同的控制方式； 输出控制信号控制