專利名稱：智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空中機(jī)器人，即，無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)，尤其是涉及將無(wú)人 直升機(jī)硬件平臺(tái)自主化飛行系統(tǒng)和無(wú)人直升機(jī)專用平臺(tái)作業(yè)系統(tǒng)集成 的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前，世界范圍的無(wú)人直升機(jī)發(fā)展迅速，它以其小型化、垂直起降、 靈活機(jī)動(dòng)、相對(duì)安全、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)點(diǎn)受到了眾多行業(yè)領(lǐng)域的青睞。 但由于其融合了微電子、計(jì)算機(jī)、傳感器、材料、控制理論、數(shù)據(jù)通訊、 航空制造等各學(xué)科領(lǐng)域的尖端科技，技術(shù)難度大，目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó) 家的某些型號(hào)形成了成熟的產(chǎn)品，且其中很大一部分是專門(mén)針對(duì)完成某 項(xiàng)任務(wù)而開(kāi)發(fā)的專用平臺(tái)。目前無(wú)人直升機(jī)特別是可進(jìn)行自主飛行的無(wú) 人直升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀遠(yuǎn)不能滿足日益擴(kuò)大和深化的來(lái)自市場(chǎng)多方面的
需求，這種供需間的差距在國(guó)內(nèi)更是突出。
在無(wú)人直升機(jī)涉及的技術(shù)中，自主飛行控制技術(shù)和作業(yè)系統(tǒng)集成技 術(shù)是其中不可回避的重要技術(shù),前者將直升機(jī)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自主化飛行，
使之成為真正意義上的無(wú)人直升機(jī)，后者將任務(wù)系統(tǒng)和飛行平臺(tái)進(jìn)行有 機(jī)整合，形成智能化的作業(yè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的做法是研制無(wú)人直升機(jī)工程 樣機(jī)，進(jìn)行大量的測(cè)試和分析，建立控制模型并進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)大 量的飛行驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，完善、優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的姿態(tài)等方面的控制， 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自主制導(dǎo)(一般實(shí)現(xiàn)GPS航路點(diǎn)制導(dǎo))飛行，最終形成針對(duì) 此機(jī)型的自主飛行控制系統(tǒng)，再進(jìn)入小批量生產(chǎn)，實(shí)際使用驗(yàn)證，平臺(tái) 本身達(dá)到要求后，進(jìn)行與任務(wù)系統(tǒng)的集成和試飛，完成滿足應(yīng)用要求的 各式的無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)。這種做法需要大量的資金和人力物力的投 入， 一般單位難以承受，且各實(shí)施環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)緊密，有時(shí)經(jīng)過(guò)多次循環(huán)才能得到滿意結(jié)果，并且技術(shù)成果只能針對(duì)單一機(jī)型，適用性不足。 發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提出一種發(fā)揮技術(shù)集成優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)平臺(tái) 自主飛行控制和作業(yè)系統(tǒng)集成的方法，本發(fā)明基于自主飛行控制技術(shù)和 作業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)做法給出的一種新的解決方 法，該方法克服傳統(tǒng)研制方法的高投入、長(zhǎng)周期、低適用性的不足的缺點(diǎn)， 能夠快速滿足對(duì)各種任務(wù)的使用要求。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案分兩步
第一步無(wú)人直升機(jī)自主飛行控制的系統(tǒng)集成
選擇具有一定基礎(chǔ)的直升機(jī)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)調(diào)整或改造使原型直升機(jī)具 備遙控飛行能力；再根據(jù)直升機(jī)的本身的飛行特性和最終要達(dá)到的飛行 目標(biāo)能力，選擇相應(yīng)的外圍航電器件，利用核心飛行控制器，調(diào)整相應(yīng) 軟件環(huán)境，制定適用的集成方案；將要加裝的航電器件配裝到原型直升 機(jī)上，根據(jù)所選直升機(jī)震動(dòng)特性，通過(guò)計(jì)算和測(cè)量，選擇和設(shè)計(jì)合適頻率 和結(jié)構(gòu)的減振器件，優(yōu)化慣性測(cè)姿器件工作環(huán)境；集成地面站系統(tǒng)，解 決電磁兼容等一系列問(wèn)題；通過(guò)低空系留飛行，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)采集、 分析建模和參數(shù)識(shí)別得到適用本機(jī)的具有強(qiáng)魯棒特性的空氣動(dòng)力學(xué)控制 模型；啟用測(cè)試航路點(diǎn)制導(dǎo)飛行和自主起降模塊，再進(jìn)行多測(cè)試條件的 飛行校驗(yàn)和調(diào)整，得到具備先進(jìn)自主飛行能力的直升機(jī)平臺(tái)。
第二步將上述平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備有機(jī)集成，形成一體化作業(yè)系統(tǒng) 根據(jù)作業(yè)系統(tǒng)的最終要求，利用我們多年來(lái)任務(wù)配載的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)， 選取和制配相應(yīng)任務(wù)設(shè)備、掛載構(gòu)件等，將設(shè)備和飛行平臺(tái)對(duì)接，解決 機(jī)械接口、電氣接口、電磁兼容、控制接口等一系列問(wèn)題使任務(wù)設(shè)備和 飛行平臺(tái)有機(jī)集成為一體化作業(yè)系統(tǒng)。
本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方法是提出一種智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成的實(shí) 現(xiàn)方法，該智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)由無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、自駕設(shè)備、特定 任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈路和地面站組成，所述的實(shí)現(xiàn)方法包括步驟K將最終要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分解，選出屬于直升機(jī)平臺(tái)本身的 指標(biāo)，根據(jù)這些技術(shù)指標(biāo)來(lái)考慮和選擇適當(dāng)?shù)闹鄙龣C(jī)平臺(tái)，開(kāi)始后續(xù)的
工作；
2、 對(duì)選出的無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行操作性、動(dòng)力性、穩(wěn)定性、可靠性、振 動(dòng)方面的評(píng)估，對(duì)于性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步改造或升級(jí)，將其改造為 具有遙控飛行能力的系統(tǒng)；
3、 根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)選擇外圍傳感器和機(jī)載航電設(shè)備， 對(duì)機(jī)載電源管理等系統(tǒng)作防止電磁干擾的處理；
4、 安裝各航電器件并且和地面站集成，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)試， 將飛行控制器設(shè)置為僅參與數(shù)據(jù)采集的碟旁通模式，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入遙 測(cè)狀態(tài)；
5、 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和參數(shù)辨識(shí)，首先手動(dòng)低速飛行無(wú)人直升機(jī)，下載 飛行數(shù)據(jù)；將下載后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的飛行參數(shù)，根據(jù)飛行 參數(shù)建立控制模型，上傳寫(xiě)入飛行控制器；
6、 對(duì)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行任務(wù)飛行測(cè)試，將手動(dòng)遙控器的權(quán)限設(shè)為最高， 以便在調(diào)試中可以隨時(shí)接管系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證控制模型后，啟用飛行 控制器的自主飛行功能；
7、 根據(jù)作業(yè)系統(tǒng)的最終要求，選取和制配相應(yīng)任務(wù)設(shè)備、掛載構(gòu)件， 將設(shè)備和飛行平臺(tái)對(duì)接，解決機(jī)械接口、電氣接口、電磁兼容、控制接 口問(wèn)題，使任務(wù)設(shè)備和飛行平臺(tái)有機(jī)集成為一體化作業(yè)系統(tǒng)。
在步驟6中的所述任務(wù)飛行測(cè)試包括自主起飛、懸停、任務(wù)飛行、 自動(dòng)返航、自主著陸過(guò)程測(cè)試多項(xiàng)功能測(cè)試。
在所述自主起飛過(guò)程測(cè)試中，起飛懸停高度設(shè)為15米的安全高度。 所述自主著陸項(xiàng)目測(cè)試包括在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試。 在進(jìn)行所述關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試時(shí)，將直升機(jī)自主降高速度設(shè)為1米/ 秒，將近地超聲波測(cè)距傳感器的門(mén)限值設(shè)為使直升機(jī)著陸前5cm的讀數(shù) 值，測(cè)試直升機(jī)以l米/秒的速度下降接近地面5cm的距離時(shí)，飛行計(jì)算機(jī)能否根據(jù)近地超聲波測(cè)距傳感器的數(shù)值發(fā)出指令直接關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。
在所述自動(dòng)返航功能測(cè)試中，在有任務(wù)規(guī)劃上傳的情況下，有意中
斷地面站通直升機(jī)間的數(shù)傳鏈路，測(cè)試直升機(jī)在各種飛行模態(tài)下可否啟
動(dòng)自主返航程序。
在進(jìn)行所述的任務(wù)飛行測(cè)試中，在有意外情況時(shí)，迅速切換手動(dòng)操
控接管直升機(jī)的飛行。
在進(jìn)行任務(wù)飛行測(cè)試時(shí)，進(jìn)行多測(cè)試條件下飛行系統(tǒng)的功能測(cè)試，
多測(cè)試條件是指不同風(fēng)速、不同負(fù)載重量，測(cè)試中建立任務(wù)飛行測(cè)試檔案。
本發(fā)明的作業(yè)系統(tǒng)的集成都是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，飛行平臺(tái)往往要根據(jù) 任務(wù)設(shè)備的情況進(jìn)行一些調(diào)整，作業(yè)系統(tǒng)集成有來(lái)自于本發(fā)明的平臺(tái)自 主飛行集成技術(shù)強(qiáng)大的資源支持。
本發(fā)明選用的控制器采用了逆控制原理、GPS/ING捷聯(lián)導(dǎo)航、擴(kuò)展 卡曼濾波、魯棒控制等先進(jìn)的技術(shù)，并利用參數(shù)辨識(shí)技術(shù)對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn) 行自動(dòng)處理來(lái)建立直升機(jī)的空氣動(dòng)力控制學(xué)模型。對(duì)已實(shí)現(xiàn)遙控飛行的 無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行軟硬件集成后只需幾次的飛行數(shù)據(jù)采集和分析便可獲得 該技術(shù)環(huán)境下直升機(jī)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，從而快速完成整個(gè)自主飛行控制 的集成工作。這相比變參數(shù)PID控制方法繁瑣耗時(shí)而又充滿風(fēng)險(xiǎn)的調(diào)參 過(guò)程要先進(jìn)的多。集成調(diào)試完的無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)除具有自主起飛、自主 著陸、自主任務(wù)飛行、緊急自主返航(數(shù)據(jù)鏈中斷)等全自主飛行模式 外，還具有輔助飛行模式，通過(guò)自駕儀控制直升機(jī)姿態(tài)和位置，操作人員 通過(guò)地面站搖桿或鼠標(biāo)、鍵盤(pán)輸入速度指令來(lái)進(jìn)行飛行，以及保留純手 動(dòng)飛行模式，飛行控制器只提供航向穩(wěn)定。
本發(fā)明選用的核心控制器內(nèi)建任務(wù)載荷控制技術(shù)，可根據(jù)航路規(guī)劃 執(zhí)行情況自動(dòng)控制任務(wù)設(shè)備完成相關(guān)作業(yè)?？删幊逃布夹g(shù)的采用 (FPGA)大大方便用戶接口和功能的自定義。
本發(fā)明的作業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)來(lái)源于上萬(wàn)次的飛行實(shí)踐和多種任務(wù)搭載的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，任務(wù)設(shè)備和飛行平臺(tái)的集成是在大量技術(shù)和經(jīng)驗(yàn) 數(shù)據(jù)支持下的平臺(tái)選擇、適應(yīng)改造、電磁兼容、振動(dòng)隔除、參數(shù)匹配、 接口控制等諸多項(xiàng)目的全面解決和優(yōu)化。


圖1是本發(fā)明的無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成圖； 圖2是本發(fā)明手動(dòng)遙控飛行系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖； 圖3是本發(fā)明外圍傳感器和機(jī)載航電設(shè)備的基本功能模塊圖； 圖4是本發(fā)明各航電器件的安裝和地面站的集成示意圖； 圖5是本發(fā)明自主著陸實(shí)現(xiàn)方式示意圖； 圖6是本發(fā)明無(wú)人直升機(jī)自主飛行系統(tǒng)的模塊構(gòu)成框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明的無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成圖；該系統(tǒng)由直升機(jī)平臺(tái)、 自駕設(shè)備、地面站、數(shù)據(jù)鏈路、任務(wù)設(shè)備四大部分組成。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用100KG級(jí)無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)和光電成像設(shè)備 組成無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)，完成航空測(cè)量任務(wù)。地面站包括電腦和相應(yīng) 的工作軟件、任務(wù)控制器、視頻監(jiān)視器、通訊電臺(tái)和天線以及不間斷電 源。地面站和無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路完成通信，達(dá)成地 面站對(duì)無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)的控制。
下面結(jié)合圖1-圖6的無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的無(wú)人 直升機(jī)自主飛行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的具體實(shí)施步驟
1、首先將最終要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分解，選出屬于直升機(jī)平臺(tái) 本身的指標(biāo)，如總起飛重量、實(shí)用升限、航時(shí)航速等，根據(jù)這些技術(shù)指 標(biāo)來(lái)考慮和選擇適當(dāng)?shù)闹鄙龣C(jī)平臺(tái)；也可能在指定的直升機(jī)平臺(tái)上開(kāi)始 后續(xù)的工作。
比如我們?cè)谠O(shè)計(jì)無(wú)人直升機(jī)航測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要滿足的直升機(jī)平臺(tái)本 身的指標(biāo)為它應(yīng)當(dāng)具有100KG的總起飛重量、30KG的有效載荷、72 公里/小時(shí)的巡航速度、l小時(shí)的航時(shí)等技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)以上要求，選用了一種農(nóng)業(yè)用遙控直升機(jī)，該直升機(jī)可以滿足小型化低空無(wú)人直升機(jī)航 測(cè)系統(tǒng)對(duì)飛行平臺(tái)的上述要求。
2、 對(duì)確定的無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行操作性、動(dòng)力性、穩(wěn)定性、可靠性、振 動(dòng)等方面的全面評(píng)估，達(dá)不到基本標(biāo)準(zhǔn)的須進(jìn)一步改造或升級(jí)。然后將 其改造為具有遙控飛行能力的系統(tǒng)，圖2是本發(fā)明手動(dòng)遙控飛行系統(tǒng)基 本構(gòu)成框通過(guò)圖2所示的基本構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遙控飛行。圖2所示是遙控飛行 直升機(jī)必須具備的基本功能模塊，操縱手通過(guò)遙控設(shè)備發(fā)出無(wú)線電控制 信號(hào)，機(jī)載接收機(jī)將接收到的指令轉(zhuǎn)換成可被伺服舵機(jī)執(zhí)行的控制指令， 控制各通道伺服機(jī)動(dòng)作，使直升機(jī)姿態(tài)、速度等發(fā)生變化，同時(shí)直升機(jī) 飛行姿態(tài)的相應(yīng)變化通過(guò)視覺(jué)反饋給操縱手，完成控制閉環(huán)。
3、 根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)合理選擇外圍傳感器和機(jī)載航電設(shè) 備。圖3是本發(fā)明外圍傳感器和機(jī)載航電設(shè)備的基本功能模塊如上述的無(wú)人直升機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，要求具備自主飛行能力，能夠按照 事先編制的航路點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)飛行，傳感器的選擇如下圖所示，IMU、 GPS、 地磁航向傳感器、氣壓高度計(jì)、用于著陸的紅外測(cè)距設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度 傳感器。飛行控制計(jì)算機(jī)采用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟件算法先進(jìn)，實(shí)現(xiàn) GPS/INS數(shù)據(jù)融合、基于H^理論的魯棒控制、手動(dòng)控制與自動(dòng)控制無(wú)躲 溪跳變、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起飛和自動(dòng)著陸。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好機(jī)載電源管理系 統(tǒng)，防止可能的電磁干擾從電源部分進(jìn)入系統(tǒng)。
4、 各航電器件的安裝和地面站的集成，圖4是本發(fā)明各航電器件的 安裝和地面站的集成示意圖；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)試，將飛行控制器 設(shè)置成旁通模式，在該模式下，飛行控制器只參與數(shù)據(jù)采集，此時(shí)整個(gè) 系統(tǒng)為遙測(cè)狀態(tài)。
5、 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和參數(shù)辨識(shí)，首先手動(dòng)低速飛行無(wú)人直升機(jī)，其中 包括起飛、懸停、轉(zhuǎn)向、簡(jiǎn)單航線、降落、著陸，下載飛行數(shù)據(jù)；將下 載后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入在MATLAB環(huán)境下特定編譯的程序里進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的參數(shù)，建立控制模型，上傳寫(xiě)入飛行控制器，進(jìn)行懸停等驗(yàn)證飛行， 此過(guò)程可能重復(fù)幾次直到得到合適的控制器。
6、 將手動(dòng)遙控器的權(quán)限設(shè)為最高，以便在接下來(lái)的調(diào)試中可以隨時(shí) 接管系統(tǒng)。得到并驗(yàn)證過(guò)控制模型后，就可啟用飛行控制器的一些自主 功能，首先調(diào)試航路點(diǎn)制導(dǎo)飛行，編制一個(gè)簡(jiǎn)單的航路規(guī)劃并上傳，執(zhí) 行任務(wù)飛行。
7、 任務(wù)飛行測(cè)試并通過(guò)后，測(cè)試自主起飛項(xiàng)目，將起飛懸停高度設(shè) 為安全高度，比如15米，測(cè)試起飛過(guò)程能否順利完成，過(guò)程中如有意外
迅速切換手動(dòng)操控接管直升機(jī)的飛行。
8、 測(cè)試自主著陸項(xiàng)目，圖5是本發(fā)明自主著陸實(shí)現(xiàn)方式示意圖；自
主著陸實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。測(cè)試前，將直升機(jī)自主降 高速度設(shè)為1米/秒，將近地測(cè)距傳感器(超聲波)的門(mén)限值設(shè)為使直升 機(jī)著陸前5cm的讀數(shù)值，也就是使直升機(jī)以1米/秒的速度下降時(shí)接近地 面5cm的距離時(shí)由飛行計(jì)算機(jī)根據(jù)近地超聲波測(cè)距傳感器的數(shù)值發(fā)出指 令直接關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。
9、 測(cè)試自動(dòng)返航功能在有任務(wù)規(guī)劃上傳的情況下，有意中斷地面 站潺同直升機(jī)間的數(shù)傳鏈路，看直升機(jī)在各種飛行模態(tài)下可否啟動(dòng)自主 返航程序。
10、 進(jìn)行多測(cè)試條件(不同風(fēng)速、不同負(fù)載重量等)下系統(tǒng)的表現(xiàn)， 建立檔案，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)返回前面步驟予以調(diào)整解決。最終獲得滿足要 求的可自主完成起飛、懸停、任務(wù)飛行、應(yīng)急返航、著陸等全部功能的 無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)。
本發(fā)明的航測(cè)系統(tǒng)中的自主飛行無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)就是按照上述l IO步驟來(lái)完成的，最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)起飛、按預(yù)先規(guī)劃的航路進(jìn)行自 動(dòng)飛行并自動(dòng)著陸和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，直升機(jī)控制表現(xiàn)出了很強(qiáng)的魯棒性， 操作人員可以不再需要目視信息來(lái)控制直升機(jī)。
11、 得到了滿足要求的自主化無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)后，根據(jù)作業(yè)系統(tǒng)的最終要求，選取和制配相應(yīng)任務(wù)設(shè)備、掛載構(gòu)件等，將設(shè)備和飛行平臺(tái) 對(duì)接，解決機(jī)械接口、電氣接口、電磁兼容、控制接口等一系列問(wèn)題使 任務(wù)設(shè)備和飛行平臺(tái)有機(jī)集成為一體化作業(yè)系統(tǒng)。因任務(wù)設(shè)備的多種多 樣，集成配載遇到的技術(shù)問(wèn)題也會(huì)有具體差異。
圖6是本發(fā)明無(wú)人直升機(jī)自主飛行系統(tǒng)的模塊構(gòu)成框圖。整個(gè)無(wú)人 直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)在作業(yè)中分為飛行部分和地面部分，圖中用粗虛線分隔， 飛行部分基于無(wú)人直升機(jī)機(jī)械機(jī)體，包括飛行控制、伺服機(jī)構(gòu)、通訊模 塊、任務(wù)設(shè)備、配套電氣系統(tǒng)，其中飛行控制是整個(gè)飛行部分的核心， 處理來(lái)自各類傳感器的數(shù)字和模擬信息和地面指令信息，發(fā)出各種控制 信息到各執(zhí)行組件，以足夠的刷新頻率控制直升機(jī)的姿態(tài)和速度等飛行 參量，并可解算執(zhí)行來(lái)自地面站的航路規(guī)劃和任務(wù)控制的各項(xiàng)指令；通 訊模塊是直升機(jī)同地面站進(jìn)行無(wú)線數(shù)字通訊的物理基礎(chǔ)；伺服機(jī)構(gòu)是各 種指令可靠執(zhí)行者；任務(wù)設(shè)備來(lái)完成針對(duì)性作業(yè)，比如我們的無(wú)人直升 機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，任務(wù)設(shè)備就是輕型航測(cè)云臺(tái)和照相機(jī)，影視航拍系統(tǒng)的任 務(wù)設(shè)備是遙控減震穩(wěn)定云臺(tái)和廣播級(jí)攝像機(jī)；配套電氣系統(tǒng)則是協(xié)調(diào)、 支持各類設(shè)備的基礎(chǔ)。地面部分包括飛行控制終端、任務(wù)控制終端以及 通訊模塊，其中飛行控制終端進(jìn)行飛行任務(wù)的規(guī)劃和飛行參數(shù)以及任務(wù) 執(zhí)行情況的監(jiān)視；任務(wù)控制終端則是機(jī)載各類任務(wù)設(shè)備的地面控制的人 機(jī)接口；通訊模塊負(fù)責(zé)將各種任務(wù)規(guī)劃以及各類控制指令發(fā)送到直升機(jī)， 并接受來(lái)自直升機(jī)的各類數(shù)字信息。
本發(fā)明的自主飛行控制集成技術(shù)可用于生產(chǎn)制造和改造各種類型的 無(wú)人直升機(jī)包括單旋翼帶尾槳常規(guī)布局的無(wú)人直升機(jī)、反槳共軸無(wú)人直 升機(jī)、甚至有人直升機(jī)和固定翼飛機(jī)。
基于本發(fā)明自主飛行集成技術(shù)的無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)具備良好的通用 性，特殊的控制算法使系統(tǒng)在最大載荷范圍內(nèi)對(duì)重量不敏感，給集成多 種作業(yè)系統(tǒng)提供了條件，良好的用戶接口可使任務(wù)設(shè)備最大可能的獲取 飛行平臺(tái)的資源，這樣本發(fā)明的作業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)可以將二者有機(jī)的結(jié)合在一起。
利用該技術(shù)集成出來(lái)的無(wú)人直升機(jī)作業(yè)系統(tǒng)，任務(wù)和平臺(tái)協(xié)調(diào)統(tǒng)一， 具備超視距、全天候、高精度、全自主來(lái)完成作業(yè)的能力，大大拓展了 原任務(wù)設(shè)備的應(yīng)用范圍。
集成完的直升機(jī)自主作業(yè)系統(tǒng)消除了人為因素對(duì)飛行作業(yè)品質(zhì)的影 響，使飛行的高度、速度、位置更加準(zhǔn)確，飛行作業(yè)效率高；具備自主 飛行作業(yè)能力，可在超低空、低可見(jiàn)、夜航等惡劣飛行環(huán)境下完成作業(yè)， 受環(huán)境因素影響小，飛行作業(yè)成本低。
權(quán)利要求
1. 一種智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，該空中機(jī)器人系統(tǒng)由無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、自駕設(shè)備、特定任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈路和地面站組成，所述的實(shí)現(xiàn)方法包括步驟
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，其特征 在于，在步驟6中的所述任務(wù)飛行測(cè)試包括自主起飛、懸停、任務(wù)飛行、自動(dòng)返航、自主著陸過(guò)程測(cè)試多項(xiàng)功能測(cè)試。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，其特征 在于，在所述自主起飛過(guò)程測(cè)試中，起飛懸停高度設(shè)為15米的安全高度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，其特征 在于，所述自主著陸項(xiàng)目測(cè)試包括在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，其特征 在于，在進(jìn)行所述關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試時(shí)，將直升機(jī)自主降高速度設(shè)為1 米/秒，將近地超聲波測(cè)距傳感器的門(mén)限值設(shè)為使直升機(jī)著陸前5cm的讀 數(shù)值，測(cè)試直升機(jī)以1米/秒的速度下降接近地面5cm的距離時(shí)，飛行計(jì) 算機(jī)能否根據(jù)近地超聲波測(cè)距傳感器的數(shù)值發(fā)出指令直接關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，其特征 在于，在所述自動(dòng)返航功能測(cè)試中，在有任務(wù)規(guī)劃上傳的情況下，有意 中斷地面站通直升機(jī)間的數(shù)傳鏈路，測(cè)試直升機(jī)在各種飛行模態(tài)下可否 啟動(dòng)自主返航程序。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2-6其中之一所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方 法，其特征在于，在進(jìn)行所述的任務(wù)飛行測(cè)試中，在有意外情況時(shí)，迅 速切換手動(dòng)操控接管直升機(jī)的飛行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2-6其中之一所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方 法，其特征在于，在進(jìn)行任務(wù)飛行測(cè)試時(shí)，進(jìn)行多測(cè)試條件下飛行系統(tǒng) 的功能測(cè)試，建立任務(wù)飛行測(cè)試檔案。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，其特征 在于，所述的多測(cè)試條件是指不同風(fēng)速、不同負(fù)載重量。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，該智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)由無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、自駕設(shè)備、特定任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈路和地面站組成，系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)方法分兩步第一步選擇具有一定基礎(chǔ)的直升機(jī)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)調(diào)整或改造使原型直升機(jī)具備遙控飛行能力，完成無(wú)人直升機(jī)自主飛行控制的系統(tǒng)集成；第二步將上述平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備有機(jī)集成，形成一體化作業(yè)系統(tǒng)。集成完的智能化空中機(jī)器人系統(tǒng)集成方法消除了人為因素對(duì)飛行作業(yè)品質(zhì)的影響，使飛行的高度、速度、位置更加準(zhǔn)確，飛行作業(yè)效率高；具備自主飛行作業(yè)能力，可在超低空、低可見(jiàn)、夜航等惡劣飛行環(huán)境下完成作業(yè)，受環(huán)境因素影響小，飛行作業(yè)成本低。
文檔編號(hào)B64C27/04GK101445156SQ20081009780
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者龔文基 申請(qǐng)人:龔文基