專利名稱：一種無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，屬于智能控制，具體地說是用于無人直升 機、無人旋翼機的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)直升機無人駕駛和智能自主 飛行。
背景技術(shù)：
目前，無人直升機的自動導(dǎo)航系統(tǒng)正在成為全球的研究熱點，尤其是
重量為5公斤以下的無人直升機、旋翼機，都是采用地面遙控駕駛方式， 即由操作手手持遙控器遙控?zé)o人直升機飛行的方向和路徑，實現(xiàn)飛行。這 種地面遙控駕駛方式，操控不便，飛行線路不精準(zhǔn)，續(xù)航距離有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為無人直升機提供一種可實現(xiàn)自動導(dǎo)航的系統(tǒng)，以實 現(xiàn)無人直升機的自動駕駛控制，并支持遙控駕駛和自動駕駛之間的自由切 換，實現(xiàn)無人直升機的智能控制。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)，包括模型直升機、地面控制中心兩部 分，其中，模型直升機上設(shè)有嵌入式控制單元、無線通訊裝置和電池組，
地面控制中心包括計算機、無線通訊裝置和地面遙控器；直升機上還設(shè)有
導(dǎo)航單元，包括自動導(dǎo)航中心處理單元、全球衛(wèi)星定位單元、陀螺儀慣性 導(dǎo)航單元和一個高度計傳感器，這些設(shè)備與嵌入式控制單元電連接，采集 的數(shù)據(jù)全部輸入到嵌入式控制單元中，由控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)
自動導(dǎo)航；
各組成部分之間按常規(guī)電連接；
各種電器、電子裝置置于外殼內(nèi)，固裝于設(shè)備托盤上,設(shè)備托盤水平 設(shè)置，四角以橡膠帶與遙控直升機的起落架軟性連接；
導(dǎo)航單元與地面控制中心的計算機之間為無線通訊連接。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述嵌入式控制單元，是利用嵌入式計算機 系統(tǒng)作為機載控制中心，輔以外部擴展電路，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)采 集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊的功能，并在原有的遙控回路中增加了一個多路 切換裝置，該切換裝置能夠通過地面控制計算機或遙控器的一個通道實現(xiàn) 自動導(dǎo)航和手動駕駛之間的切換。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述地面部分和空中無人直升機之間為無線 通訊連接，無線通訊部分包括無人直升機的手動駕駛遙控器和接收器，以 及自動導(dǎo)航系統(tǒng)提供的無線通訊模塊建立的無線鏈路。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述地面控制中心的無線通訊模塊和手動遙 控器的無線通訊在兩個通訊頻段上，地面控制中心采用315腿Z頻段，手 動遙控采用47MHZ頻段，以保證二者之間的通訊不受干擾。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述起落架，該尺寸大于現(xiàn)有航模直升機起 落架。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述嵌入式計算機系統(tǒng)，以A固9.0為中央 控制器。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述衛(wèi)星定位單元，包括衛(wèi)星定位接收器和
衛(wèi)星定位天線，在同時鎖定4顆以上衛(wèi)星的情況下，以1HZ的速率更新定
位數(shù)據(jù)。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述慣性導(dǎo)航單元，結(jié)合了三個方向角速率
陀螺儀，三向加速度計，三軸磁強計，在三軸360度的運動狀態(tài)下，提供 角度為歐拉角，四元素和矩陣格式的數(shù)據(jù)。
所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其所述橡膠帶與遙控直升機的起落架軟性連 接，是橡膠帶一段固接于設(shè)備托盤的四角，另一端通過起落架上的固定環(huán) 與起落架的支柱相連。
本發(fā)明的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，以模型直升機為實施例，以嵌入式控制系統(tǒng) 為控制核心，實現(xiàn)了無人直升機的自動導(dǎo)航和飛行。實際飛行實驗驗證了 本發(fā)明的有效性，使無人直升機的飛行路線精準(zhǔn)，續(xù)航距離增大，同時本 發(fā)明的系統(tǒng)也適用于重量和體積更大的無人直升機自動導(dǎo)航。
本發(fā)明的突出特點是利用嵌入式計算機系統(tǒng)作為機載控制中心，在原 有的遙控模型直升機上進(jìn)行必要的電器和機械改造，使得遙控模型直升機
具有自主導(dǎo)航和飛行的功能。進(jìn)行的機械改造包括將遙控直升機原有的 起落架去掉，更換為適合安裝自動導(dǎo)航設(shè)備的起落架。電器改造包括在 原有的遙控回路中增加了一個多路切換裝置，該切換裝置能夠通過地面控 制計算機或遙控器的一個通道實現(xiàn)自動導(dǎo)航和手動駕駛之間的切換；在遙 控直升機上，一 安裝了多種傳感器設(shè)備，包括PGS接收機和航空天線，慣性
導(dǎo)航設(shè)備，高度計傳感器，這些傳感器設(shè)備采集的數(shù)據(jù)全部進(jìn)入到嵌入式 控制中心中，由控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)自動導(dǎo)航。


圖1為本發(fā)明的無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖；上部為直升機和機載 設(shè)備；下部為地面控制站。圖中 1一一無人直升機
2 _—設(shè)備外殼
3 _—起落架
4 —一柔性連接 5——設(shè)備托盤
6 — 一高度計
7 — 一嵌入式控制器(包含多路開關(guān)) 8—一無線通訊模塊
9 _— GPS接收機
10 — —慣性導(dǎo)航單元 11一_電池組
12 — 一 GPS接收天線
13 _ —無線通訊模塊
14 一一地面控制計算機
15 — 一地面操作員
16 — —直升機遙控器
具體實施例方式
本發(fā)明的無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)，是利用嵌入式智能控制技術(shù)、為 直升機設(shè)計的自動導(dǎo)航和自動駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用于各種遙控航模直 升機、無人直升機的自動駕駛控制，以及遙控旋翼模型飛機的自動導(dǎo)航控 制，實現(xiàn)無人直升機、旋翼機的自主飛行，在人為可控制或可限制的范圍 內(nèi)，按照操作員給定的飛行路徑，完成指定的飛行任務(wù)或巡航任務(wù)。
一種無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)，由無人直升機、自動導(dǎo)航中心處理單 元、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)單元和陀螺儀慣性導(dǎo)航單元組成，其特征 在于提供了一套完整的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括地面控制中心，和空中控制載體 兩部分。其中地面控制中心由個人計算機、無線通訊裝置組成，二者之間 為電連接；空中控制載體由無人直升機本體、嵌入式控制單元、導(dǎo)航單元、 無線通訊裝置和電池組組成，各組成部分之間按常規(guī)電連接。
利用嵌入式計算機系統(tǒng)作為機載控制中心，在原有的遙控模型直升機 上進(jìn)行必要的電器和機械改造，使得遙控模型直升機具有自主導(dǎo)航和飛行 的功能。進(jìn)行的機械改造包括將遙控直升機原有的起落架去掉，更換為 適合安裝自動導(dǎo)航設(shè)備的起落架。電器改造包括在原有的遙控回路中增 加了一個多路切換裝置，該切換裝置能夠通過地面控制計算機或遙控器的 一個通道實現(xiàn)自動導(dǎo)航和手動駕駛之間的切換；在遙控直升機上，安裝了 多種傳感器設(shè)備，包括PGS接收機和航空天線，慣性導(dǎo)航設(shè)備，高度計傳 感器，這些傳感器設(shè)備采集的數(shù)據(jù)全部進(jìn)入到嵌入式控制中心中，由控制 中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)自動導(dǎo)航。
其地面部分和空中飛行載體部分之間為無線通訊連接，無線通訊部分
包括航模直升機的手動駕駛遙控器和接收器，以及自動導(dǎo)航系統(tǒng)提供的無 線通訊模塊建立的無線鏈路。
其地面控制中心包括控制計算機、無線通訊模塊、手動遙控器，其中 無線通訊模塊和手動遙控器的無線通訊必須安排在兩個差別較大的頻段 上，以保證二者之間的通訊不受干擾。
其空中控制載體部分的模型直升機經(jīng)過改造，將原有直升機起落架換 成自制的起落架，增加了起落架的高度和強度，以便安裝各種電器、電子 裝置。
其所述嵌入式中心控制單元以A脂9.0為中央控制器，輔以外部擴展 電路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊的功能。
其所述GPS單元由GPS接收器和高精度GPS天線組成，要求在同時鎖 定4顆以上衛(wèi)星的情況下，以1HZ的速率更新定位數(shù)據(jù)。
其慣性導(dǎo)航裝置，結(jié)合了三個方向角速率陀螺儀，三向加速度計，三 軸磁強計，在三軸360度的運動狀態(tài)下，能夠提供角度在歐拉角、四元素 和矩陣格式的數(shù)據(jù)。
其所述空中控制載體部分還包括一個高度計傳感器，能夠提供直升機 的飛行高度。
其所述嵌入式中心控制單元以ARM9.0為中央控制器，輔以外部擴展 電路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)手動遙控/自動導(dǎo)航切換、導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理和無線通訊的功能。
請參閱圖1。本發(fā)明的系統(tǒng)由兩部分組成直升機和機載設(shè)備，地面 控制站。在直升機和機載設(shè)備中，無人直升機1的起落架3為特制的裝置，
尺寸比原有的起落架大，以便適合安裝機載自動導(dǎo)航設(shè)備。機載自動導(dǎo)航
設(shè)備包括高度計6，嵌入式控制器(ARM) 7，無線通訊模塊8、 GPS接收機 9和GPS天線12，慣性導(dǎo)航裝置10，以及為這些設(shè)備提供電能的電池組 11。其中設(shè)備6、 7、 8、 9、 10、 11集中安裝在一個鋁制的外殼2內(nèi)，外 殼2在受到外力沖擊的時候起到保護內(nèi)部設(shè)備的作用。起落架3通過固定 螺絲與直升機l連接，起落架下部帶有一個設(shè)備托盤5，用于支撐機載導(dǎo) 航設(shè)備。托盤通過四個柔性橡膠帶4連接在起落架上的固定環(huán)上，柔性連 接4的目的是減小直升機飛行過程中的高頻震動對自動導(dǎo)航設(shè)備的影響。 高度計6，無線通訊模塊8， GPS接收機9以及慣性導(dǎo)航裝置10分別通過 串行接口與嵌入式控制器(A固9) 7連接，電池組11分別為上述設(shè)備提供 電源。
地面控制站主要由地面控制計算機14、無線通訊模塊13、模型直升 機遙控器16和地面操作員15組成。其中無線通訊模塊13通過串口與地 面控制計算機14連接，地面操作員直接操作地面控制計算機14和遙控器 16，以切換直升機的導(dǎo)航與駕駛方式手動遙控駕駛或自動導(dǎo)航駕駛。
本發(fā)明的工作原理
使用本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行直升機自動導(dǎo)航時，首先，由地面操作員啟動地 面控制計算機和機載導(dǎo)航裝置，建立無線通訊模塊的通訊連接，機載嵌入 式控制器采集高度計、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，慣性導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)， 使衛(wèi)星定位(GPS)單元至少鎖定4個衛(wèi)星。以當(dāng)前衛(wèi)星定位(GPS)的經(jīng) 緯度作為慣性導(dǎo)航單元的初始值。然后操作員通過地面控制計算機的鍵盤 和人機界面，將直升機的駕駛方式設(shè)定為手動遙控駕駛方式，使用遙控器
手動駕駛模型直升機啟動并進(jìn)入正常飛行狀態(tài)。在手動遙控駕駛過程中，
機載的自動導(dǎo)航設(shè)備不間斷地記錄下直升機的飛行路徑和姿態(tài)，并通過無
線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面控制計算機中。接下來，操作員可通過地面
控制計算機的鍵盤按鍵切換到自動導(dǎo)航狀態(tài)，機載的導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)入自動導(dǎo)
航控制方式。此時嵌入式控制器一邊監(jiān)聽地面站的指令， 一邊使直升機處
于懸停狀態(tài)，當(dāng)接收到地面控制站給定的目標(biāo)點之后，嵌入式控制器以當(dāng)
前直升機的位置和姿態(tài)為起始點，以接收到的目標(biāo)點為終點，通過計算規(guī)
劃出直升機的運動方向和速度，并控制直升機到達(dá)目標(biāo)點。直升機到達(dá)目
標(biāo)點之后，進(jìn)入懸停狀態(tài)，等待地面站的指令。
本實施例中，遙控模型直升機采用了美國產(chǎn)的雷虎90型混合燃料直
升機，遙控器為9通道，頻率設(shè)定為47MHZ，遙控距離為半徑1500米，GPS 設(shè)備為美國產(chǎn)superstar接收機和航空天線，嵌入式系統(tǒng)選用了ARM9系 列的AT91RM9200，慣性制導(dǎo)單元為3DM-GX1復(fù)合慣性導(dǎo)航單元，電池組選 用了鋰電池。地面控制計算機為IBM-51R系列筆記本電腦，無線通訊模 塊為通訊距離為2000米的無線數(shù)傳模塊，通訊頻率設(shè)定為315MHZ。
使用本發(fā)明系統(tǒng)，采用實現(xiàn)實例的配置，通過實驗驗證了本發(fā)明系統(tǒng) 的有效性。
權(quán)利要求
1、一種無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)，包括無人直升機、地面控制中心兩部分，其中，無人直升機上設(shè)有嵌入式控制單元、無線通訊裝置和電池組，地面控制中心包括計算機、無線通訊裝置和地面遙控器；其特征在于無人直升機上還設(shè)有導(dǎo)航單元，包括自動導(dǎo)航中心處理單元、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)單元、陀螺儀慣性導(dǎo)航單元和一個高度計傳感器，這些設(shè)備與嵌入式控制單元電連接，采集的數(shù)據(jù)全部輸入到嵌入式控制單元中，由控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)自動導(dǎo)航；各組成部分之間按常規(guī)電連接；各種電器、電子裝置置于外殼內(nèi)，固裝于設(shè)備托盤上，設(shè)備托盤水平設(shè)置，四角以橡膠帶與無人直升機的起落架軟性連接；導(dǎo)航單元與地面控制中心的計算機之間為無線通訊連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述嵌入式控 制單元，是利用嵌入式計算機系統(tǒng)作為機載控制中心，輔以外部擴展電路， 能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通訊的功能，并在原有的 遙控回路中增加一個多路切換裝置，該切換裝置能夠通過地面控制計算機 或遙控器的一個通道實現(xiàn)自動導(dǎo)航和手動駕駛之間的切換。
3、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述地面部分 和空中無人直升機之間為無線通訊連接，無線通訊部分包括無人直升機的 手動駕駛遙控器和接收器，以及自動導(dǎo)航系統(tǒng)提供的無線通訊模塊建立的 無線鏈路。
4、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述地面控制 中心的無線通訊模塊和手動遙控器的無線通訊是在兩個頻段上，地面控制中心采用300MHZ頻段，手動遙控采用40MHZ頻段，以保證二者之間的通 訊不受干擾。
5、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述起落架， 該尺寸大于現(xiàn)有航模直升機起落架。
6、 如權(quán)利要求2所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述嵌入式計算機系統(tǒng)，以ARM9.0為中央控制器。
7、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述衛(wèi)星定位 單元，包括衛(wèi)星定位接收器和衛(wèi)星定位天線，在同時鎖定4顆以上衛(wèi)星的 情況下，以1HZ的速率更新定位數(shù)據(jù)。
8、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述慣性導(dǎo)航 單元，結(jié)合了三個方向角速率陀螺儀，三向加速度計，三軸磁強計，在三 軸360度的運動狀態(tài)下，提供角度為歐拉角，四元素和矩陣格式的數(shù)據(jù)。
9、 如權(quán)利要求1所述的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述橡膠帶與 遙控直升機的起落架軟性連接，是橡膠帶一段固接于設(shè)備托盤的四角，另 一端通過起落架上的固定環(huán)與起落架的支柱相連。
全文摘要
本發(fā)明一種無人直升機自動導(dǎo)航系統(tǒng)，由無人直升機、自動導(dǎo)航中心處理單元、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)單元和陀螺儀慣性導(dǎo)航單元組成。無人直升機采用遙控航模賽直升機改造而成，能夠在自動駕駛和手動駕駛模式之間切換；自動導(dǎo)航中心處理單元為嵌入式ARM控制器和外部擴展接口組成；GPS單元由GPS接收機和高精度接收天線組成；陀螺儀慣性導(dǎo)航單元由陀螺儀和數(shù)據(jù)采集電路組成。本發(fā)明的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人直升機的自動導(dǎo)航和自主飛行控制。
文檔編號G01C21/20GK101382426SQ20071012136
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者侯增廣, 超 周, 曹志強, 猛 柏, 王曉東, 胡勇強, 民 譚, 趙曉光, 鄧海波 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所