无人机起飞降落阶段的地面站全权接管控制系统

摘要

无人机起飞降落阶段的地面站全权接管控制系统属于无人机技术领域，其特征在于，含有：无人机控制部和地面站控制部；其中，无人机控制部，含有：机载传感器组、飞行控制计算机、舵机适配器、舵机组、下行数据链路发射机和上行数据链路接收机；地面站控制部，含有：地面站、下行数据链路接收机、上行数据链路发射机、起降平台和起降平台传感器组；在无人机起飞和降落阶段，飞行控制计算机利用下行数据链路，将飞行数据发送给地面站；地面站根据无人机与起降平台的相对运动关系，持续计算无人机操纵指令，并通过上行数据链路操纵无人机，使之在地面站的全权控制下完成起飞和降落。本发明可提高无人机在起飞和降落阶段的安全性，并扩展其应用场合。

主权项

1.无人机起飞降落阶段的地面站全权接管控制系统，其特征在于，含有：无人机控制部和地面站控制部，其中：无人机控制部，含有：机载传感器组、飞行控制计算机、舵机适配器、舵机组、下行数据链路发射机和上行数据链路接收机，其中：机载传感器组，集成有：3轴角速率陀螺仪、3轴线加速度计、3轴磁力计、超声波高度计以及GPS接收机，以实时测量无人机的空间坐标、3轴角速度、3轴线加速度、3轴欧拉角和超声波相对高度，表示成飞行数据并发送给飞行控制计算机：γ_A＝[x_A(t)，y_A(t)，z_A(t)]^T为无人机的空间坐标，∏_A＝[p_A(t)，q_A(t)，r_A(t)]^T为无人机的3轴角速度，Λ_A＝[u_A(t)，v_A(t)，w_A(t)]^T为无人机的3轴线速度，Ξ_A＝[φ_A(t)，θ_A(t)，ψ_A(t)]^T为无人机的3轴欧拉角，Δh为超声波相对高度；飞行控制计算机，设有：所述机载传感器组输出的飞行数据信号输入端、向下行数据链路发射机发送飞行数据η_A(t)的输出端，以及根据预先设定的飞行轨迹和飞行控制算法生成的飞控舵机指令δ_飞控(t)＝[δ_飞控1(t)，δ_飞控2(t)，L，δ_飞控n(t)]^T，n为舵机数，其中：期望的飞行轨迹表示为Γ_C＝[x_C(t)，y_C(t)，z_C(t)]^T，其中，x_C(t)，y_C(t)，z_C(t)为设定的空间坐标，t＝1，2，...，L，L为设定的飞行时间长度，单位为秒；飞控指令δ_飞控i(t)的表达式为：其中，和是飞行控制计算机的控制器参数，其中为比例系数，为积分系数，为微分系数，均为设定值；舵机适配器，由PIC单片机构成，设有：舵机控制指令信号输入端，接收来自所述飞行控制计算机的飞控指令δ_飞控(t)＝[δ_飞控1(t)，δ_飞控2(t)，L，δ_飞控n(t)]^T，取值范围为[-100，100]，i∈[1，n]；地面站指令输入端，接收来自所述上行数据链路接收机的地面站指令δ_地面站(t)＝[δ_地面站1(t)，δ_地面站2(t)，L，δ_地面站n(t)]^T，取值范围为[-100，100]，i∈[1，n]；所述飞控指令δ_飞控(t)和地面站指令δ_地面站(t)都采用RS232串行信号格式，其中飞控指令δ_飞控(t)的帧头定义为DB9033，地面站指令δ_地面站(t)的帧头定义为DB9053，并将地面站指令δ_地面站(t)的优先级设定为高于飞控指令δ_飞控(t)的优先级；所述舵机适配器只把当前所收到优先级最高的指令信号转化为n路舵机PWM脉宽调制信号，用于控制舵机组的n路舵机根据当前最高优先级指令所对应的PWM脉宽调制信号进行偏转；所述舵机适配器通过检测所收到指令的帧头以识别飞控指令δ_飞控(t)和地面站指令δ_地面站(t)；下行数据链路发射机，设有飞行数据接收端，接收来自所述飞行控制计算机输出的飞行数据η_A(t)，并随即向下行数据链路接收机发送飞行数据η_A(t)；地面站控制部，含有：地面站、下行数据链路接收机、上行数据链路发射机、起降平台和起降平台传感器组，其中：起降平台，固定有地面站、起降平台传感器组、下行数据链路接收机和上行数据链路发射机，其中：起降平台传感器组，集成有所述3轴角速率陀螺仪、3轴线加速度计、3轴磁力计，以及GPS接收机，以实时测量起降平台的空间坐标、3轴角速度、3轴线加速度和3轴欧拉角，表示成起降平台的运动数据并发送给地面站：γ_G＝[x_G(t)，y_G(t)，z_G(t)]^T为起降平台的空间坐标，∏_G＝[p_G(t)，q_G(t)，r_G(t)]^T为起降平台的3轴角速度，Λ_G＝[u_G(t)，v_G(t)，w_G(t)]^T为起降平台的3轴线速度，Ξ_G＝[φ_G(t)，θ_G(t)，ψ_G(t)]^T为起降平台的3轴欧拉角；h₀为起降平台的相对高度，设定为0；地面站，是一台PC机，通过所述下行数据链路接收机接收来自无人机所述下行数据链路发射机发送的飞行数据η_A(t)，并通过所述上行数据链路发射机向无人机发送地面站实时计算出的地面站指令δ_地面站(t)；在正常飞行状态下，由飞行控制计算机控制无人机的飞行，所述地面站通过对比无人机与起降平台的相对位置而判断无人机的飞行状态：其中，D是预先设定的地面站控制范围：当无人机在D之外飞行时，认为是正常飞行状态；当无人机在D之内飞行时，认为是起飞/降落状态；D为设定值，取100米；所述飞行控制计算机根据来自所述机载传感器组的飞行数据η_A(t)，根据预设的飞行控制算法生成飞控指令δ_飞控(t)，并以帧头为DB9033的串行信号发送给所述舵机适配器；所述舵机适配器把所述飞控指令δ_飞控(t)转化为n路舵机PWM脉宽调制信号，用于控制舵机组的n路舵机根据δ_飞控(t)所对应的PWM脉宽调制信号进行偏转，以操纵无人机按照预定的飞行轨迹Γ_C飞行；在起飞/降落状态下，由地面站全权接管控制无人机的飞行，并由下式判断无人机当前状态是准备起飞或准备着陆：其中，当地面站检测到无人机在D之内飞行时，确认无人机进入起飞/降落状态；地面站通过预先设定的状态判断阈值d进一步判断飞行意图：当无人机进入起飞/降落状态时与起降平台距离大于d，则认为是准备着陆状态；反之，则认为是准备起飞状态；d为设定值，取10米；然后，所述地面站根据无人机的飞行数据η_A(t)和起降平台的运动数据η_G(t)，以及当前的准备起飞或准备降落状态，实时计算出帧头为DB9053的地面站指令δ_地面站(t)，并通过上行数据链路发射机发送给无人机上的上行数据链路接收机；地面站指令δ_地面站(t)的表达式为：其中，和是地面站的控制器参数，其中为比例系数，为积分系数，为微分系数，均为设定值；所述上行数据链路接收机将收到的地面站指令δ_地面站(t)发送给舵机适配器；由于地面站指令δ_地面站(t)的优先级高于飞控指令δ_飞控(t)的优先级，因此当舵机适配器检测到帧头为DB9053的地面站指令δ_地面站(t)后，立即改为将地面站指令δ_地面站(t)转化为n路舵机PWM脉宽调制信号，用于控制舵机组的n路舵机根据δ_地面站(t)所对应的PWM脉宽调制信号进行偏转，故此时无人机的起飞或降落完全由地面站控制；无人机在地面站实时操纵下不断修正自身飞行状态，逐渐远离或靠近起降平台，最终完成在起降平台上自动起飞或降落；而当无人机飞出地面站控制范围D后，地面站停止发送地面站指令δ_地面站(t)，所述舵机适配器改为将飞行控制计算机的飞控指令δ_飞控(t)转化为舵机组的n路舵机PWM脉宽调制信号，使无人机自动切换到飞行控制计算机的控制之下，从而实现地面站对无人机在起降/降落阶段全权接管控制。