专利名称：小型无人飞行器用双向切换系统的制作方法
小型无人飞行器用双向切换系统技术领域
本发明属于飞行器自动控制领域，具体涉及一种小型无人飞行器用双向切换系统。
背景技术：
现有的小型无人飞行器一般都携带有两套控制系统，一套是自主飞行控制系统， 一套是需要人工实时操作的遥控系统。现阶段的飞行控制系统一般能保证无人飞行器在小扰动下平稳地巡航飞行，但是很难保证无人飞行器安全起降，更主要的是当无人飞行器受到大扰动时，为了保证无人飞行器平稳地飞行，需要在飞行过程中从自主飞行控制系统切换到遥控系统，这一过程需要由人工操作来实现无人飞行器安全起降，并且保证无人飞行器受到大扰动后能恢复平稳飞行。此外，无人飞行器在常规飞行作业的过程中，需要用自主飞行控制系统来控制无人飞行器作业，亦即需要从遥控系统切换到自主飞行控制系统。
目前，北京理工大学宋萍、李科杰和潘越等研制的微小型无人直升机自动驾驶仪和手动遥控飞行切换方法专利，该方法用于实现由自动控制切换到遥控方式，其核心切换控制器模块接收小型无人直升机飞行控制系统的PWM舵机控制信号和传感器信息，采用预设的判断规则对自动飞行控制系统的PWM舵机控制信号和传感器信息进行判断，当检测到飞行状况异常时，可立即切换到手动遥控方式，从而由操作人员遥控直升机飞行，引导直升机安全降落。
清华大学王冠林，屠展和朱纪洪研制无人机自动与遥控切换系统专利，该系统为从遥控方式切换到自动控制方式，其核心内容是实时监测遥控飞行指令，并传送给飞行控制计算机，当该系统由遥控向自动控制切换时，该系统向飞行控制计算机发送遥控/自动控制切换指令，飞行控制计算机以最后得到的遥控指令作为控制的平衡点，并在此基础上进行飞行控制，以实现遥控向自动控制的切换。
由此可见，当前的切换方式只从单向切换，即由自动控制切换到遥控方式或者由遥控方式切换到自动控制，此外，常规的切换控制方式是切换指令一旦发出就立即进行切换操作，而对于小型无人机，若不能良好地判断切换时机，将对无人机造成严重影响，这要求地面操作人员能准确地把握切换时机，实现切换的稳定性，然而切换时机的选择是一个难点，在非视距内操作时尤为突出。发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种小型无人飞行器用双向切换系统，能够达到提高飞行器飞行稳定性的目的。
—种小型无人飞行器用双向切换系统，包括遥控接收机、飞行管理模块、飞行控制模块、切换电路和射频发射/接收机，其中
各组成部分的连接关系为
遥控接收机分别与切换电路、飞行管理模块连接，飞行管理模块分别与射频发射/接收机、切换电路、飞行控制模块连接，飞行控制模块通过切换电路与飞行器的舵机连接。
各组成部分的功能为
遥控接收机，用于接收来自遥控系统的遥控飞行指令和遥控切换请求指令，并发送遥控飞行指令至切换电路，发送遥控切换请求指令至飞行管理模块；
射频发射/接收机，用于地面站系统与飞行管理模块之间进行信息交互。
切换电路，用于接收所述飞行管理模块的切换指令并根据该切换指令进行内部电路切换，接收来自所述遥控接收机的遥控飞行指令和来自所述飞行控制模块的自动飞行指令，并根据内部电路切换结果选择自动飞行指令和遥控飞行指令之一转换为飞行控制信号并传送至舵机。
切换电路进一步地用于，利用当前遥控飞行指令和所接收的来自飞行控制模块预测的自动飞行指令进行加权叠加产生复合飞行指令，在所设定的过渡时间内将复合飞行指令发送给舵机。所述设定的过渡时间范围为2s 3s。
飞行管理模块的功能包括
当通过射频发射/接收机接收到来自地面站系统的射频切换请求指令，或接收到来自遥控接收机的遥控切换请求指令时，飞行管理模块根据飞行控制模块发来的飞行器当前飞行状态，包括飞行高度、真空速、俯仰角、偏航角、滚转角、俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、航迹倾角、侧向速度、法向加速度、纵向加速度和侧向加速度，采用预设的判断规则进行切换时机决策，并在决定的切换时机发送切换指令至切换电路以进行工作方式切换，通知飞行控制模块向切换电路提供自动飞行指令。
所述飞行管理模块采用预设的判断规则进行切换时机决策，具体过程为飞行管理模块根据预设的判断条件进行飞行器当前飞行状态的判断，若满足该判断条件，则飞行管理模块的判定结果为飞行器立刻进行工作方式切换；否则，飞行器暂不进行工作方式切换，等待飞行器飞行状态满足所述判断条件时，再进行工作方式切换。
所述判断条件为飞行高度不小于25m、俯仰角在士 10°范围内、偏航角在士5°范围内、滚转角在士5°范围内、俯仰角速度在士 1.8° /s范围内、滚转角速度在士0.12° /s范围内、航迹倾角在士5°范围内、侧向速度小于2m/s以及侧向加速度小于 5m/ S20
当飞行器处于自动控制工作方式时，飞行管理模块在接收到来自飞行控制模块的飞行状态异常指令时生成异常报警指令并通过射频发射/接收机发送该异常报警指令至地面站系统，同时发送切换指令至切换电路，该切换指令指示切换电路切换为遥控工作方式；每隔一个固定的时间间隔，飞行管理模块生成控制器监测指令并传送至飞行控制模块， 并接收来自飞行控制模块的控制器监测回执指令，若飞行管理模块在超时阈值内接收到所述控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态正常；若飞行管理模块在超时阈值之外接收到控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态异常，此时飞行管理模块生成异常报警指令并通过射频发射/接收机发送至地面站系统，同时发送切换指令至切换电路，该切换指令指示切换电路切换为遥控工作方式。所述固定的时间间隔取值范围为20ms 50ms。所述超时阈值的取值范围为IOms 25ms。
飞行控制模块的功能包括
从所述切换电路采集所述遥控飞行指令并存储，同时通过内部传感器得到飞行器当前飞行状态并发送给飞行管理模块；当飞行器需要由遥控工作方式切换到自动控制工作方式时，根据飞行器当前飞行状态和内部存储的遥控飞行指令中的飞行参数，产生自动飞行指令并传送至切换电路；当飞行器需要由自动控制工作方式切换到遥控工作方式时，飞行控制模块在设定的过渡时间内根据飞行器当前飞行状态和当前的遥控飞行指令中的飞行参数，采用最优预测方法，得到自动飞行指令并传送至切换电路，在所设定的过渡时间结束后停止发送自动飞行指令；
当飞行器处于自动控制工作方式时，飞行控制模块根据飞行器当前飞行状态及发送给切换电路的自动飞行指令中的飞行参数，采用基于状态估计的故障诊断方法判断飞行器下一时刻的飞行状态，当判定飞行器下一时刻的飞行状态异常时，发送飞行状态异常指令至所述飞行管理模块；同时在接收到来自所述飞行管理模块发送的控制器监测指令时， 发送控制器监测回执指令至所述飞行管理模块。
所述基于状态估计的故障诊断方法为所述飞行控制模块根据飞行器当前飞行状态中的参数，包括俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、真空速、法向加速度、纵向加速度和侧向加速度以及所述自动飞行指令中的飞行参数，包括升降舵偏角、副翼舵偏角、方向舵偏角和油门杆操作量，采用无人飞行器状态空间形式的力矩方程组建立估计模型，根据所建立的估计模型，采用kalman滤波状态估计方法进行估计并得到下一时刻的俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度，依次为Vl、V2和v3，记Vl、V2和V3为故障表示参数，设置故障表示参数的信任区域为-10° /s彡/s，-36° /s彡V2<36° /s，-18° / s^ V3^ 18° /s ；当计算得到的故障表示参数不属于所述信任区域时，则判定飞行器下一时刻的飞行状态异常。
有益效果
(1)本发明所提供的切换系统采用飞行管理模块和飞行控制模块，通过飞行管理模块中预设的判断规则进行切换时机决策并得到判定结果，根据该判定结果，得到飞行器能否在该切换时机状态下进行工作方式的切换。通过飞行管理模块生成控制器监测指令并进行飞行控制模块状态的判断，当飞行控制模块异常时，控制飞行管理模块生成异常报警指令给地面站系统，使飞行器能由自动控制工作方式及时切换到遥控工作方式。此外，通过飞行控制模块中基于状态估计的故障诊断方法，进行飞行器飞行状态的判断，当判定飞行状态异常时，控制飞行管理模块生成异常报警指令给地面站系统，使飞行器能及时由自动控制工作方式切换到遥控工作方式，从而达到了提高飞行稳定性的目的。
(2)本发明所提供的切换系统采用飞行管理模块、飞行控制模块和切换电路，通过采用飞行管理模块切换的判定结果，根据该判定结果并结合切换电路的切换响应，并且通过在飞行控制模块中采用最优理论和最优预测的方法，实现了双向切换。
图1为本发明所提供的切换系统的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种小型无人飞行器用双向切换系统，如图1所示，该切换系统包括遥控接收机、飞行管理模块、飞行控制模块、切换电路和射频发射/接收机，其中
各组成部分的连接关系为
遥控接收机分别与切换电路、飞行管理模块连接，飞行管理模块分别与射频发射/ 接收机、切换电路、飞行控制模块连接，飞行控制模块通过切换电路与飞行器的舵机连接。
各组成部分的功能为
遥控接收机，用于接收来自遥控系统的遥控飞行指令和遥控切换请求指令，并发送遥控飞行指令至切换电路，发送遥控切换请求指令至飞行管理模块。
射频发射/接收机，负责地面站系统与飞行管理模块之间进行信息交互。
切换电路，用于接收所述飞行管理模块的切换指令并根据该切换指令进行内部电路切换，接收来自所述遥控接收机的遥控飞行指令和来自所述飞行控制模块的自动飞行指令，并根据内部电路切换结果选择自动飞行指令和遥控飞行指令之一通过脉宽调制转换为飞行控制信号并传送至舵机。那么，当飞行器处于遥控工作方式时，遥控飞行指令转换后控制舵机，当飞行器处于自动飞行工作方式时，自动飞行指令转换后控制舵机。
飞行管理模块的功能包括①当飞行管理模块接收到所述遥控切换请求指令或射频切换请求指令时，飞行管理模块根据飞行控制模块发来的飞行器当前飞行状态，采用预设的判断规则进行切换时机决策，并在决定的切换时机发送切换指令至切换电路以进行工作方式切换，通知飞行控制模块向切换电路提供自动飞行指令；同时根据飞行器当前飞行状态生成状态回执指令通过射频发射/接收机发送到地面站系统，以向地面站系统报告飞行器当前飞行状态。地面站系统可以根据状态回执指令告知的飞行器当前飞行状态判断飞行器是否异常，当判定飞行器异常时，可以发送射频切换请求指令，以切换飞行器的工作方式。
飞行管理模块采用预设的判断规则进行切换时机决策，具体过程为具体过程为 飞行管理模块根据预设的判断条件进行飞行器当前飞行状态的判断，若满足该判断条件， 则飞行管理模块的判定结果为飞行器立刻进行工作方式切换；否则，飞行器暂不进行工作方式切换，等待飞行器飞行状态满足所述判断条件时，再进行工作方式切换。
②当飞行器处于自动控制工作方式时，飞行管理模块在接收到来自飞行控制模块的飞行状态异常指令时生成异常报警指令并通过射频发射/接收机发送至地面站系统，同时发送切换指令至切换电路，该切换指令指示切换电路切换为遥控工作方式。由于遥控系统不断地提供遥控飞行指令，因此切换电路切换后，立刻可以将遥控飞行指令提供给舵机。
③每隔一个固定的时间间隔，飞行管理模块生成控制器监测指令并传送至飞行控制模块，并采用超时同步方法接收来自飞行控制模块的控制器监测回执指令，进行飞行控制模块状态的判断若飞行管理模块在超时阈值内接收到控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态正常；若飞行管理模块在超时阈值之外接收到控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态异常，此时飞行管理模块进行编码，生成异常报警指令通过射频发射/ 接收机发送至地面站系统，同时发送切换指令至切换电路，该切换指令指示切换电路切换为遥控工作方式。
飞行控制模块的功能包括①飞行控制模块通过信号捕获，从切换电路获取切换电路收到的遥控飞行指令并存储，同时通过内部传感器得到飞行器当前飞行状态并发送给飞行管理模块。
②当飞行器需要由遥控工作方式切换到自动控制工作方式时，飞行控制模块根据内部存储的上一时刻采集的遥控飞行指令中的飞行参数和飞行器当前飞行状态，采用最优理论，得到自动飞行指令并传送至切换电路，以实现飞行器从遥控工作方式到自动控制工作方式的切换。当飞行器需要由自动控制工作方式切换到遥控工作方式时，飞行控制模块停止提供自动飞行指令。
较佳地，为了在切换过程中保持飞行器的稳定，飞行控制模块在飞行器由自动控制工作方式切换到遥控工作方式时，在一段时间内根据飞行器当前飞行状态和当前的遥控飞行指令中的飞行参数，采用最优预测方法，得到自动飞行指令并传送至切换电路，该段时间结束后停止发送。那么切换电路进一步地利用所接收的预测的自动飞行指令和当前遥控飞行指令进行加权叠加产生复合飞行指令，将复合飞行指令发送给舵机实现飞行控制，从而在一段时间内协助地面遥控系统控制飞行器飞行，以实现飞行器从自动控制工作方式到遥控工作方式的切换。
③当飞行器处于自动控制工作方式时，飞行控制模块根据飞行器当前飞行状态及发送给切换电路的自动飞行指令中的飞行参数，采用基于状态估计的故障诊断方法判断飞行器下一时刻的飞行状态，当判定飞行器下一时刻的飞行状态异常时，发送飞行状态异常指令至飞行管理模块。同时在接收到来自所述飞行管理模块发送的控制器监测指令时，发送控制器监测回执指令至所述飞行管理模块。
舵机，用于接收切换电路的飞行控制信号，该飞行控制信号中承载了飞行参数，包括升降舵偏角、副翼舵偏角、方向舵偏角和油门杆操作量；舵机根据该飞行控制信号操纵飞行控制面，实现对飞行器的控制。
下面进一步详细说明本发明所提供切换系统的工作过程。
整个切换系统上电后，假设飞行器工作过程分三个阶段，依次为遥控方式、自动控制和遥控方式，则在这种情况下，该切换系统的工作流程为
(1)在遥控方式下，遥控接收机接收来自地面遥控系统的遥控飞行指令并发送至切换电路，同时切换电路根据该遥控飞行指令，通过脉宽调制将该遥控飞行指令转换为飞行控制信号并传送至舵机，同时飞行控制模块通过信号捕获，从切换电路采集该遥控飞行指令并存储(飞行控制模块进行遥控飞行指令的采集是实时的)。舵机控制飞行控制面，使得飞行器按照该飞行控制信号承载的飞行参数飞行。
(2)飞行器在遥控方式下飞行稳定后，可使该飞行器进入自动控制方式，具体为
遥控系统发送遥控切换请求指令至遥控接收机或者地面站系统发送射频切换请求指令至射频发送/接收机。飞行管理模块接收来自遥控接收机的遥控切换请求指令或来自射频发送/接收机的射频切换请求指令，根据飞行控制模块发来的飞行器当前飞行状态，包括飞行高度、真空速、俯仰角、偏航角、滚转角、俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、 航迹倾角、侧向速度、法向加速度、纵向加速度和侧向加速度，采用预设的判断规则进行切换时机决策，具体过程为飞行管理模块根据预设的判断条件进行飞行器当前飞行状态的判断，若满足该判断条件，则飞行管理模块的判定结果为飞行器立刻进行工作方式切换；否则，飞行器暂不进行工作方式切换，等待飞行器飞行状态满足所述判断条件时，再进行工作方式切换。
所述判断条件为飞行高度不小于25m、俯仰角在士 10°范围内、偏航角在士5°范围内、滚转角在士5°范围内、俯仰角速度在士 1.8° /s范围内、滚转角速度在士0.12° /s范围内、航迹倾角在士5°范围内、侧向速度小于2m/s以及侧向加速度小于 5m/ s20
同时，飞行管理模块根据飞行器当前自身状态生成状态回执指令并发送至射频发射/接收机，射频发送/接收机传送该状态回执指令至地面站系统。当飞行管理模块的判定结果为可切换至自动控制方式时，飞行管理模块发送切换指令到切换电路，切换电路根据该切换指令，控制内部物理层电路切换至飞行控制模块连接端使得飞行控制模块与舵机之间的线路接通。同时，飞行控制模块通过内部传感器得到飞行器当前飞行状态并发送给飞行管理模块。
飞行管理模块在发送切换指令的同时，还发送开启控制指令至飞行控制模块，飞行控制模块根据内部存储的上一时刻的遥控飞行指令中的飞行参数以及飞行器当前飞行状态，采用最优理论，得到自动飞行指令并传送至切换电路，切换电路将该自动飞行指令通过脉宽调制转换为飞行控制信号并传送至舵机，舵机控制飞行控制面，使得飞行器按照该飞行控制信号中承载的飞行参数飞行。
在上述自动控制方式下，即当飞行控制模块控制飞行器飞行时，有两个异常源监测过程
一是飞行控制模块根据所述飞行器当前飞行状态中的参数以及发送给切换电路的自动飞行指令中的飞行参数，采用基于状态估计的故障诊断方法判断飞行器下一时刻的飞行状态，该故障诊断规则具体为飞行控制模块采用无人飞行器状态空间形式的力矩方程组作为估计模型，将所述飞行器当前飞行状态中的参数，包括俯仰角速度、滚转角速度、 偏航角速度、真空速、法向加速度、纵向加速度和侧向加速度作为所述力矩方程组的雅可比矩阵的输入参数，计算并得到该力矩方程组的雅可比矩阵；将所述飞行参数，包括升降舵偏角、副翼舵偏角、方向舵偏角和油门杆操作量作为所述力矩方程组的控制向量；其中，所述力矩方程组的状态量为俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度；飞行控制模块根据所建立的估计模型，采用kalman滤波状态估计方法进行估计并得到下一时刻的俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度，依次为^、 和％，记、^2和％为故障表示参数，设置故障表示参数的信任区域为-10° /s 彡/s，-36° /s 彡 v2<36° /s，_18° /s 彡 v3<18° / s。当计算得到的故障表示参数不属于所述信任区域时，则判定飞行器下一时刻的飞行状态异常。
当判定飞行器下一时刻的飞行状态异常时，发送飞行状态异常指令至飞行管理模块，飞行管理模块根据该飞行状态异常指令进行编码，生成异常报警指令并传送至射频发射/接收机，同时飞行管理模块向切换电路发送切换指令，切换电路根据该切换指令，控制内部物理层电路切换至遥控接收机连接端，使得遥控接收机与舵机之间的线路接通。切换电路接收来自地面遥控系统的遥控飞行指令，此时飞行器进入遥控工作方式。
二是每隔一个固定的时间间隔，取值范围为20ms 50ms，飞行管理模块生成控制器监测指令并传送至飞行控制模块，并采用超时同步方法接收飞行控制模块的控制器监测回执指令，进行飞行控制模块状态的判断若飞行管理模块在超时阈值(该超时阈值的取值范围为IOms 25ms)内接收控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态正常；若飞行管理模块在超时阈值之外接收控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态异常，此时飞行管理模块进行编码，生成异常报警指令并发送至射频发射/接收机，同时发送切换指令至切换电路，切换电路根据该切换指令，控制内部物理层电路切换至遥控接收机连接端，使得遥控接收机与舵机之间的线路接通。此时切换电路接收来自地面遥控系统的遥控飞行指令，飞行器进入遥控工作方式。
(3)当自动飞行作业完成时，需要将飞行器从自动控制工作方式切换到遥控工作方式。较佳地，在飞行器切换到遥控工作方式之前，进行2s 3s的过渡期工作过程，具体为
遥控系统发送遥控切换请求指令至遥控接收机或者地面站系统发送射频切换请求指令至射频发送/接收机。飞行管理模块接收来自遥控接收机的遥控切换请求指令或来自射频发送/接收机的射频切换请求指令，根据飞行控制模块发来的飞行器当前飞行状态，采用预设的判断规则进行切换时机决策并得到判定结果，同时根据飞行器当前自身状态生成状态回执指令并发送至射频发射/接收机，射频发送/接收机传送该状态回执指令至地面站系统。当飞行管理模块的判定结果为可切换至遥控方式时，飞行管理模块发送切换指令到切换电路，切换电路根据该切换指令，控制内部物理层电路切换至飞行控制模块连接端使得遥控接收机与舵机之间的线路接通。切换电路接收来自遥控接收机的遥控飞行指令，同时，飞行控制模块通过内部传感器得到飞行器当前飞行状态并发送给飞行管理模块。飞行控制模块根据飞行器当前飞行状态和当前的遥控飞行指令中的飞行参数，采用最优预测方法，得到自动飞行指令并传送至切换电路，同时切换电路将遥控飞行指令和自动飞行指令进行加权叠加得到复合飞行指令，根据该复合飞行指令，采用脉宽调制转换为飞行控制信号并传送至舵机，舵机控制飞行控制面，使得飞行器按照该飞行控制信号中承载的飞行参数飞行。
在过渡期完成后，即2s 3s之后，飞行管理模块发送关闭控制指令至飞行控制模块，飞行控制模块不进行自动飞行指令的输出。切换电路根据所接收的遥控飞行指令，通过脉宽调制转换为飞行控制信号并传送至舵机，舵机控制飞行控制面，使得飞行器按照该飞行控制信号承载的飞行参数飞行，使得小型无人飞行器在遥控工作方式下飞行。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种小型无人飞行器用双向切换系统，其特征在于，包括遥控接收机、飞行管理模块、飞行控制模块、切换电路和射频发射/接收机，其中 该切换系统各组成部分的连接关系为遥控接收机分别与切换电路、飞行管理模块连接，飞行管理模块分别与射频发射/接收机、切换电路、飞行控制模块连接，飞行控制模块通过切换电路与飞行器的舵机连接； 该切换系统各组成部分的功能为遥控接收机，用于接收来自遥控系统的遥控飞行指令和遥控切换请求指令，并发送遥控飞行指令至切换电路，发送遥控切换请求指令至飞行管理模块；射频发射/接收机，用于地面站系统与飞行管理模块之间进行信息交互； 切换电路，用于接收所述飞行管理模块的切换指令并根据该切换指令进行内部电路切换，接收来自所述遥控接收机的遥控飞行指令和来自所述飞行控制模块的自动飞行指令， 并根据内部电路切换结果选择自动飞行指令和遥控飞行指令之一转换为飞行控制信号并传送至舵机；飞行管理模块的功能包括当通过射频发射/接收机接收到来自地面站系统的射频切换请求指令，或接收到来自遥控接收机的遥控切换请求指令时，飞行管理模块根据飞行控制模块发来的飞行器当前飞行状态，采用预设的判断规则进行切换时机决策，并在决定的切换时机发送切换指令至切换电路以进行工作方式切换，通知飞行控制模块向切换电路提供自动飞行指令；所述飞行管理模块采用预设的判断规则进行切换时机决策，具体过程为飞行管理模块根据预设的判断条件进行飞行器当前飞行状态的判断，若满足该判断条件，则飞行管理模块的判定结果为飞行器立刻进行工作方式切换；否则，飞行器暂不进行工作方式切换，等待飞行器飞行状态满足所述判断条件时，再进行工作方式切换；当飞行器处于自动控制工作方式时，飞行管理模块在接收到来自飞行控制模块的飞行状态异常指令时生成异常报警指令并通过射频发射/接收机发送该异常报警指令至地面站系统，同时发送切换指令至切换电路，该切换指令指示切换电路切换为遥控工作方式；每隔一个固定的时间间隔，飞行管理模块生成控制器监测指令并传送至飞行控制模块，并接收来自飞行控制模块的控制器监测回执指令，若飞行管理模块在超时阈值内接收到所述控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态正常；若飞行管理模块在超时阈值之外接收到控制器监测回执指令，则判定飞行控制模块状态异常，此时飞行管理模块生成异常报警指令并通过射频发射/接收机发送至地面站系统，同时发送切换指令至切换电路，该切换指令指示切换电路切换为遥控工作方式； 飞行控制模块的功能包括从所述切换电路采集所述遥控飞行指令并存储，同时通过内部传感器得到飞行器当前飞行状态并发送给飞行管理模块；当飞行器需要由遥控工作方式切换到自动控制工作方式时，根据飞行器当前飞行状态和内部存储的遥控飞行指令中的飞行参数，产生自动飞行指令并传送至切换电路；当飞行器需要由自动控制工作方式切换到遥控工作方式时，飞行控制模块停止提供自动飞行指令；当飞行器处于自动控制工作方式时，飞行控制模块根据飞行器当前飞行状态及发送给切换电路的自动飞行指令中的飞行参数，采用基于状态估计的故障诊断方法判断飞行器下一时刻的飞行状态，当判定飞行器下一时刻的飞行状态异常时，发送飞行状态异常指令至所述飞行管理模块；同时在接收到来自所述飞行管理模块发送的控制器监测指令时，发送控制器监测回执指令至所述飞行管理模块。
2.如权利要求1所述的切换系统，其特征在于，所述飞行器当前状态包括飞行高度、真空速、俯仰角、偏航角、滚转角、俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、航迹倾角、侧向速度、 法向加速度、纵向加速度和侧向加速度；所述判断条件为飞行高度不小于25m、俯仰角在士 10°范围内、偏航角在士5°范围内、滚转角在士 5°范围内、俯仰角速度在士 1.8° /s范围内、滚转角速度在士 0.12° /s范围内、航迹倾角在士5°范围内、侧向速度小于2m/s以及侧向加速度小于5m/s2。
3.如权利要求1所述的切换系统，其特征在于，所述基于状态估计的故障诊断方法为 所述飞行控制模块根据飞行器当前飞行状态中的参数，包括俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、真空速、法向加速度、纵向加速度和侧向加速度以及所述自动飞行指令中的飞行参数，包括升降舵偏角、副翼舵偏角、方向舵偏角和油门杆操作量，采用无人飞行器状态空间形式的力矩方程组建立估计模型，根据所建立的估计模型，采用kalman滤波状态估计方法进行估计并得到下一时刻的俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度，依次为Vl、V2和v3， 记Vl、V2和V3为故障表示参数，设置故障表示参数的信任区域为-10° /s Sv1 <10° / s,-36° /s彡V2彡36° /s，-18° /s彡V3彡18° /s ；当计算得到的故障表示参数不属于所述信任区域时，则判定飞行器下一时刻的飞行状态异常。
4.如权利要求1所述的切换系统，其特征在于，所述当飞行器需要由自动控制工作方式切换到遥控工作方式时，在飞行控制模块停止提供自动飞行指令之前，飞行控制模块在设定的过渡时间内根据飞行器当前飞行状态和当前的遥控飞行指令中的飞行参数，采用最优预测方法，得到自动飞行指令并传送至切换电路，在所设定的过渡时间结束后停止发送自动飞行指令；所述切换电路进一步用于，利用所接收的预测的自动飞行指令和当前遥控飞行指令进行加权叠加产生复合飞行指令，在所设定的过渡时间内将复合飞行指令发送给舵机。
5.如权利要求1所述的切换系统，其特征在于，所述固定的时间间隔取值范围为 20ms 50ms ο
6.如权利要求1所述的切换系统，其特征在于，所述超时阈值的取值范围为IOms 25ms ο
7.如权利要求4所述的切换系统，其特征在于，所述设定的过渡时间范围为^ 3s。
全文摘要
本发明公开了一种小型无人飞行器用双向切换系统，能够达到提高飞行器飞行稳定性的目的；该切换系统包括遥控接收机、飞行管理模块、飞行控制模块、切换电路和射频发射/接收机；遥控接收机用于遥控系统分别与飞行管理模块、切换电路进行信息交互；射频发射/接收机用于地面站系统与飞行管理模块之间进行信息交互；切换电路根据切换指令进行内部电路切换，根据内部电路切换结果选择自动飞行指令和遥控飞行指令之一转换为飞行控制信号并传送至舵机；飞行管理模块用于接收切换请求指令，采用预设的判断规则进行切换时机决策产生切换指令，并且生成异常报警指令；飞行控制模块用于产生自动飞行指令，采用基于状态估计的故障诊断方法判断飞行状态。
文档编号G05B19/04GK102508447SQ20111045786
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者刘超, 唐胜景, 宋祥, 杨盛毅, 杨贯通, 郭杰 申请人:北京理工大学