一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，六旋翼无人机带动无线电探空仪升空，无线电探空仪将采集到的数据传输至地面站进行处理。本发明专利技术采用双余度传感器，提高六旋翼无人机飞行的可靠性与安全性；加入地面站与无线数传模块，可以随时修改自动飞行的航线。本发明专利技术用于开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出，是现有大气边界层探测常用手段的可行性替代方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，属于气象探测

技术介绍
大气边界层是人类活动和各项生态环境构成的主要层次，是地球表面和自由大气间动量、热量和物质属性交换必经的气层。国内外重大气象实验大都把大气边界层研究作为核心的科学内容之一,其探测的气象要素一般包括气温、湿度、气压、风速、风向等。大气边界层探测可依托现有的高空气象站开展。高空气象站是气象部门设在陆地或海上实施高空气象观测的场所，其主要任务是定时施放携带无线电探空仪的探空气球探测高空气象要素值，并将获取的资料按世界气象组织规定的统一格式整理、编报，通过通信系统传输给有关部门。高空站设备和场地除施放的无线电探空仪外，主要有温、湿、压等气象要素的探空信号接收机和记录设备。有不少高空气象站还采用测风雷达系统追踪气球的方式来进行风速和风向的探测。由于高空气象站站点较少，站间距较大，其数据仅能代表一定范围内的边界层特征，往往无法满足科学研究的实际需求；同时无线电探空仪探空仪上升速度高达6~7m/s，以保证传感器的通风要求，导致无法对大气边界层进行高分辨率探测。若研究区域距离高空气象站站点较远，则往往通过系留探空系统开展大气边界层探测。系留探空系统组成主要包括气艇、系留绳、绞车、探空仪以及地面接收系统等，其中气艇体积一般超过6立方米、绞车重量达60千克。为保证系留探空系统的安全，要求风速较大或有降水事件发时停止观测。因此，在系留探空系统开展大气边界层探测时，可能因气象条件不符合要求而导致数据缺测；同时气艇、绞车等也需转移至库房等安全区域，对野外观测场地提出苛刻的要求，也造成人力的大量浪费。小型六旋翼无人机以其灵活简便的操控性、优越的低速飞行性能、简易的机体结构，可实现垂直起降和定点悬停等优点而得到广泛的使用。目前多旋翼无人机的惯导模块( 航姿传感器) 多采用单模块设计。而惯导模块是多旋翼无人机飞行的核心部分，此模块出现问题，多旋翼无人机无法正常飞行，导致多旋翼无人机的可靠性与安全性降低。多旋翼无人机由于姿态传感器安装的位置或重心等问题，导致配平点姿态不为0，在遥控器不打杆的情况下会向某个方向漂移。多旋翼无人机在电池电量低的情况，高度控制不稳，容易掉高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，用于开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出，是现有大气边界层探测常用手段的可行性替代方案。本专利技术采用航姿传感器双余度，提高六旋翼无人机飞行的可靠性与安全性；在高度保持中融合电池的电量，可保证六旋翼无人机在电池电量低的情况下，依然能够高度保持，有效的解决在低电状态下，高度不稳的问题；通过地面站上传俯仰通道和滚装通道的配平点控制量，减弱六旋翼无人在手动模式下的漂移，可提高后续定点和自动飞行控制的品质。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与机载无线数传模块、无线数传模块进行无线通讯；地面站控制六旋翼无人机升空后，无线电探空仪中各传感器采集到的数据通过第二无线数传模块传输至地面站；地面无线数传模块将接收到的数据传输至存储模块进行存储，以供工作人员调用。作为本专利技术的进一步优化方案，遥控器采用2.4GHz 的FUTABA 遥控器。作为本专利技术的进一步优化方案，所述飞行控制单元采用STM32F407单片机。作为本专利技术的进一步优化方案，所述电机通过连杆机构与固定翼无人机连接。作为本专利技术的进一步优化方案，所述MTI 姿态传感器采用的是XSENS 公司的MTI-300。作为本专利技术的进一步优化方案，所述气压计采用由MEAS 推出的新一代高分辨率气压传感器MS5611。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术的技术方案可开展全天候的高分辨率大气边界层探测，在确保探测数据的完整性的同时，还可有效减少人力的支出。具体实施方式下面对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术提供一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与机载无线数传模块、无线数传模块进行无线通讯；地面站控制六旋翼无人机升空后，无线电探空仪中各传感器采集到的数据通过第二无线数传模块传输至地面站；地面无线数传模块将接收到的数据传输至存储模块进行存储，以供工作人员调用。本专利技术采用“X 型”六旋翼无人机机架结构，其飞行轨迹及飞行姿态均由六个桨叶及电机的转动实现：当六个旋翼的转速同时增大( 减小) 时，飞机水平上升( 下降) ；当前侧两个旋翼转速大于( 小于) 后侧两个旋翼转速时，飞机后仰( 前俯) ；当左侧三个旋翼转速大于( 小于) 右侧三个旋翼转速时，飞机向右( 左) 偏转；当互成120 度的三个机臂旋翼转速大于另外三个互成120 度机臂时，多旋翼无人机向左( 右) 偏转航向。一、飞行控制系统的硬件实现和结构原理本专利技术中，该六旋翼无人机和地面站的通信有两种方式，即2.4GHz 的FUTABA 遥控器无线通信和915MHz 无线传输模块通信。FUTABA 遥控器是日本双叶电子工业株式会社生产的一款航模通用的遥控器，与该品牌接收机配套使用。航模操纵者可以通过拨动遥控器上的一些拨杆，各拨杆所处的不同位置对应于不同的行程，能产生具有不同脉宽的各通道遥控PWM 信号。无线数传模块传输频率为915MHz，最大传输距离为700m，分为两个模块，分别是Air 模块( 串口) 用于飞行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与机载无线数传模块、无线数传模块进行无线通讯；地面站控制六旋翼无人机升空后，无线电探空仪中各传感器采集到的数据通过第二无线数传模块传输至地面站；地面无线数传模块将接收到的数据传输至存储模块进行存储，以供工作人员调用。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双余度六旋翼无人机的无线电探空系统，其特征在于，包括六旋翼无人机、无线电探空仪和地面站，其中，六旋翼无人机包括机架、六个飞行机构、飞行控制单元、传感器模块、机载无线数传模块、电源模块和遥控接收机；所述六个飞行机构设置在所述机架的六个机臂的端点上；所述飞行机构包含依次相连的桨叶、电机和电子调速器，且电子调速器通过PWM 输出驱动电路与所述飞行控制单元相连；所述传感器模块包含MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器和气压计；所述飞行控制单元分别和MTI 姿态传感器、六轴姿态传感器、三轴磁场传感器、气压计、机载无线数传模块、电源模块、遥控接收机相连；无线电探空仪包括供电的电源模块、微型处理器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器、卫星定位导航传感器、无线数传模块；无线电探空仪设置在六旋翼无人机内；地面站包括控制模块、存储模块、地面无线数传模块和遥控器，其中，地面无线数传模块分别与机载无线数传模块、无线数传模块进行无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：禹胜林，
申请(专利权)人：无锡信大气象传感网科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32