一种车载系留多旋翼控制系统架构及控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种新型车载系留多旋翼控制系统架构和控制方法，在系统架构中摈弃了用自驾做飞行器控制中心的传统概念，在空中子系统中把传统自驾当作一个和其他外设等同的智能模块，并与地面子系统通过有线通信组成强大的双微处理器协调控制系统，利用功能单一价格低廉却成熟稳定的传统非系留用多旋翼自驾，同系留中已有的恒张力收放线、地面站和车载机械设备、双遥控接收机链路传输优选仲裁等传统控制技术，以及多维力传感器测量设备统一协调闭环控制，同时还实现系留线缆多维受力传感器测量系留线缆倾斜角推算飞行器距离放线轮的偏离方位和偏离量大小的方法，在精准自主起飞和降落时有效解决了现有技术中的不足和弊病。

Vehicle mounted multiple rotor control system structure and control method

The present invention provides a novel vehicle mooring multi rotor control system structure and control method in the system architecture abandons the traditional concept of aircraft control center by car, in the air in the system as a traditional intelligent module and other peripherals with self driving, and the ground through a wired communication subsystem is composed of two microprocessor powerful coordinated control system, the function of a single low price but mature traditional non mooring multi rotor drive, with constant tension winding, tethered in existing ground stations and vehicle equipment, dual remote receiver link transmission optimization of arbitration and other traditional control technology, and the multi axis force sensor measuring equipment coordination closed loop control, but also the realization of multi dimension mooring cable mooring cable force sensor to measure the azimuth deviation angle calculation of aircraft wheel line distance And the method of deviation size, which effectively solves the shortcomings and disadvantages of the existing technology in precise autonomous take-off and landing.

【技术实现步骤摘要】
一种车载系留多旋翼控制系统架构及控制方法
本专利技术属于系留多旋翼无人机
，特别涉及到一种车(船)载系留多旋翼控制系统架构及其控制方法。
技术介绍
在当前的无人机
中，有一类通过系留线缆从地面向无人机提供电能和有线（光纤或载波）通信链路的系留无人机，特别是一类系留在移动的载具比如车、船等移动平台上，可以在空中悬停或跟随平台运动，也可以随时精确降落在平台上或从平台上起飞的多旋翼无人机系统。初期的这类系统基本由传统的地面定点系留多旋翼系统甚至非系留多旋翼改装而来，跟随平台移动靠传统自驾上的基于普通卫星定位的航点跟踪算法，由于定位精度差漂移大，满足不了在载具上精准自主起飞和精准自主降落的要求而主要靠人工遥控操作，由于起降要与线缆的收放同步，这就更加剧了人工遥控的技术难度和繁琐，并容易疏忽造成故障频发；虽然随着技术的进步，专利技术了多种自动收放线装置，靠检测并保持线缆恒定张力自动控制收放线（比如CN201620919257.1、CN201521023147.9、CN201610489544.8等等），但它们都是一个比较独立的装置，并没有和无人机上自驾形成闭环的自动控制反馈系统，而只是在无人机升高或降低后被动的靠张力检测控制线缆收放，因此在自主起飞和降落时很容易造成收放不够或过度的弊端；这就迫切需要一个能总体协调各传感器及执行机构，综合统一的进行闭环控制的自动控制系统。针对上边所述的精准起飞和降落中的定位问题，最近公开了一种利用卫星差分定位的技术诸如CN106200656A专利，但它的最大不足是成本高、体积大、天线等结构笨重安装复杂且对环境要求高易受干扰，并且受卫星系统的安全性所制约；还有一种CN105629995A专利申请所公开的使用机械十字轴结构和陀螺传感器的跟随技术，它由于使用了十字轴等可转动的机械部件使结构繁杂故障率高，且倾斜传感器采用陀螺姿态间接测量，带来陀螺所固有的抗震性能差，数据处理算法复杂、漂移大校准操作繁琐等弊病。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的现状和不足，本专利技术提供一种新型的车载系留多旋翼控制系统架构；本专利技术在系统架构中创造性的引入了空中综合控制器10，摈弃了已有技术中用自驾做飞行器控制中心的传统概念，而把空中综合控制器10做成了名副其实的“控制自驾的控制器”，它把传统自驾当作一个和其他传感器及外设等同地位的智能模块，并与使用系留线缆多维受力传感器16和机载备用遥控接收机12、机上电源11、机载通信模块14等传感器和外设构成空中子系统1；由地面综合控制器20同系留控制中已有的恒张力收放线、有线介质综合通信、地面站和车载起降机械设备、地面电源等构成地面子系统2；通过系留线缆实时通信把空中子系统和地面子系统相连接，组成一个强大的双微处理器协调控制系统，利用已有技术中功能单一价格低廉却成熟稳定的传统非系留用多旋翼自驾及其通信协议，以及双遥控接收机不同类型链路传输优选仲裁等技术统一协调组成一个闭环的天空与地面紧密联系的控制反馈系统，从而实现了不用车载系留专用自驾就能实现车载系留系统的功能，而且做的更好；因此本专利技术的实施与使用车载系留专用自驾和各子系统分别自行控制的传统方案相比有极强的性价比优势。本专利技术在系统架构中创造性的引入了系留线缆多维受力传感器16和用它来通过测量系留线缆倾斜角推算飞行器距离放线轮的偏离方位和偏离量大小的方法，在自主精准起飞和精准降落时有效解决了现有
技术介绍
中利用卫星差分定位和利用陀螺传感器实现跟随的技术的各种不足和弊病，也克服了现有技术中使用超声、激光、红外、微波雷达或光学成像检测等其他有源主动式传感器对环境要求高不易户外维护易受干扰而不实用的缺点；同时，本专利技术还公开了利用上述新型系统架构实现比现有技术更具优势的控制方法：它定义了系统中手动模式、自动模式和地面站模式三种工作模式，在自动模式中又定义了自主起飞、自主降落、自动跟随和地面静止等四种工作状态，并在不同工作模式和工作状态采用不同的控制策略和方法，简洁高效的克服了上述已有技术中的不足，实现了本专利技术的目的。下面通过对照附图的详细说明和具体实施方案对本
技术实现思路
进行更清晰的深入阐述。附图说明:图1为本专利技术即一种车载系留多旋翼控制系统架构的整体组成简略示意图；图2是本专利技术的详细示意图，是图1的更直观精细的表达；各标号所代表的部件和图1是一样的；在图1、图2中，各标号所代表的部件是：1空中子系统；10空中综合控制器；11机上电源；12机载备用遥控接收机；13多旋翼飞行器自动驾驶仪；14机载通信模块；15有线通信介质；16系留线缆多维受力传感器；100机壳(机载控制器用)；101机载电路板；102微处理器Α;103机载控制固件；104机上板载电源；105机上遥控输入口；106机上遥控输出口；107机上第一串口；108机上第二串口；109机上传感器接口；2地面子系统；20地面综合控制器；21地面电源；22线轮伺服电机驱动器；23滑环连接器；24地面通信模块；25地面站及车载控制器；26地面遥控接收机；27系留线缆张力传感器；200机壳(地面控制器用)；201地面电路板；202微处理器Β；203地面控制固件；204地面板载电源；205地面第一串口；206地面第二串口；207地面第三串口；208地面遥控输入口；209地面传感器接口。下面结合附图图2详细说明各部件间的包含和相互连接关系：所述车载系留多旋翼控制系统架构，分为空中子系统1和地面子系统2两大部分，它们之间通过有线通信介质15相连接。其中，空中子系统1包括：空中综合控制器10、机上电源11、机载备用遥控接收机12、多旋翼飞行器自动驾驶仪13、机载通信模块14、有线通信介质15和系留线缆多维受力传感器16组成；所述的空中综合控制器10，包括机壳100和装在它里边的机载电路板101；所述的机载电路板101，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Α102和它内部固化的机载控制固件103、机上板载电源104、机上遥控输入口105、机上遥控输出口106、机上第一串口107、机上第二串口108和机上传感器接口109。其中，地面子系统2包括：地面综合控制器20、地面电源21、线轮伺服电机驱动器22、滑环连接器23、地面通信模块24、地面站及车载控制器25、地面遥控接收机26、系留线缆张力传感器27组成；所述的地面综合控制器20，包括机壳200和装在它里边的地面电路板201；所述的地面电路板201，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Β202和它内部固化的地面控制固件203、地面板载电源204、地面第一串口205、地面第二串口206、地面第三串口207、地面遥控输入口208和地面传感器接口209。上述各部件间的电路连接关系，已在图2中用连接线清楚标明，下面再解释说明一下：在机载电路板101上，机上板载电源104、机上遥控输入口105、机上遥控输出口106、机上第一串口107、机上第二串口108、机上传感器接口109分别与微处理器Α102相电路连接。在地面电路板201上，地面板载电源204、地面第一串口205、地面第二串口206、地面第三串口207、地面遥控输入口208和地面传感器接口209分别与微处理器Β本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：所述车载系留多旋翼控制系统架构，分为空中子系统(1)和地面子系统(2)两大部分，它们之间通过有线通信介质(15)相连接；其中，空中子系统(1)包括：空中综合控制器(10)、机上电源(11)、机载备用遥控接收机(12)、多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)、机载通信模块(14)、有线通信介质(15)和系留线缆多维受力传感器(16)组成；所述的空中综合控制器(10)，包括机壳(100)和装在它里边的机载电路板(101)；所述的机载电路板(101)，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Α(102)和它内部固化的机载控制固件(103)、机上板载电源(104)、机上遥控输入口(105)、机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)、机上第二串口(108)和机上传感器接口(109)；其中，地面子系统(2)包括：地面综合控制器(20)、地面电源(21)、线轮伺服电机驱动器(22)、滑环连接器(23)、地面通信模块(24)、地面站及车载控制器(25)、地面遥控接收机(26)、系留线缆张力传感器(27)组成；所述的地面综合控制器(20)，包括机壳(200)和装在它里边的地面电路板(201)；所述的地面电路板(201)，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Β(202)和它内部固化的地面控制固件(203)、地面板载电源(204)、地面第一串口(205)、地面第二串口(206)、地面第三串口(207)、地面遥控输入口(208)和地面传感器接口(209)；上面所述电路板上的与微处理器Α(102)或微处理器Β(202)直接相连接的各接口电路部件，也可能集成到所述微处理器芯片的内部而实现同样的接口功能；所述的系留线缆多维受力传感器(16)，它是一个三维拉力传感器及其配套变送器的组合，它的静态固定基座刚性连接在多旋翼飞行器的底部，而测力端与系留线缆连接器件刚性连接在一起，从而在系留线缆有一定张力绷紧时，此拉力传感器相互垂直的几个力分量的比例关系可以计算出系留线缆受力的矢量方向，空中综合控制器(10)通过它感知系留线缆在空间的方位角从而提供一种在飞行高度低于线缆倾斜敏感高度Hj时测量飞行器和地面系留点偏移方位和偏移大小的手段；所述的系留线缆张力传感器(27)，它是一个线绳张力传感器及其配套变送器的组合，它安装在地面系留缆线轮前端用来测量系留线缆的实时张力，地面综合控制器(20)通过它感知系留缆绳的绷紧程度；所述的线轮伺服电机驱动器(22)，它是一个具有串行通信接口的智能伺服电机控制驱动器，可以根据串口通信协议接受对伺服电机的参数设置和实时控制，地面综合控制器(20)通过它实时控制线轮的收放方向、速度和转矩。...

【技术特征摘要】
1.一种车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：所述车载系留多旋翼控制系统架构，分为空中子系统(1)和地面子系统(2)两大部分，它们之间通过有线通信介质(15)相连接；其中，空中子系统(1)包括：空中综合控制器(10)、机上电源(11)、机载备用遥控接收机(12)、多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)、机载通信模块(14)、有线通信介质(15)和系留线缆多维受力传感器(16)组成；所述的空中综合控制器(10)，包括机壳(100)和装在它里边的机载电路板(101)；所述的机载电路板(101)，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Α(102)和它内部固化的机载控制固件(103)、机上板载电源(104)、机上遥控输入口(105)、机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)、机上第二串口(108)和机上传感器接口(109)；其中，地面子系统(2)包括：地面综合控制器(20)、地面电源(21)、线轮伺服电机驱动器(22)、滑环连接器(23)、地面通信模块(24)、地面站及车载控制器(25)、地面遥控接收机(26)、系留线缆张力传感器(27)组成；所述的地面综合控制器(20)，包括机壳(200)和装在它里边的地面电路板(201)；所述的地面电路板(201)，是一块(或多块通过接插件相连的)PCB电路板，PCB板上包括以下电路：微处理器Β(202)和它内部固化的地面控制固件(203)、地面板载电源(204)、地面第一串口(205)、地面第二串口(206)、地面第三串口(207)、地面遥控输入口(208)和地面传感器接口(209)；上面所述电路板上的与微处理器Α(102)或微处理器Β(202)直接相连接的各接口电路部件，也可能集成到所述微处理器芯片的内部而实现同样的接口功能；所述的系留线缆多维受力传感器(16)，它是一个三维拉力传感器及其配套变送器的组合，它的静态固定基座刚性连接在多旋翼飞行器的底部，而测力端与系留线缆连接器件刚性连接在一起，从而在系留线缆有一定张力绷紧时，此拉力传感器相互垂直的几个力分量的比例关系可以计算出系留线缆受力的矢量方向，空中综合控制器(10)通过它感知系留线缆在空间的方位角从而提供一种在飞行高度低于线缆倾斜敏感高度Hj时测量飞行器和地面系留点偏移方位和偏移大小的手段；所述的系留线缆张力传感器(27)，它是一个线绳张力传感器及其配套变送器的组合，它安装在地面系留缆线轮前端用来测量系留线缆的实时张力，地面综合控制器(20)通过它感知系留缆绳的绷紧程度；所述的线轮伺服电机驱动器(22)，它是一个具有串行通信接口的智能伺服电机控制驱动器，可以根据串口通信协议接受对伺服电机的参数设置和实时控制，地面综合控制器(20)通过它实时控制线轮的收放方向、速度和转矩。2.根据权利要求1所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：所述的系统架构中各部件间电(或光)信号连接关系是：在机载电路板(101)上，机上板载电源(104)、机上遥控输入口(105)、机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)、机上第二串口(108)、机上传感器接口(109)分别与微处理器Α(102)相电路连接;在地面电路板(201)上，地面板载电源(204)、地面第一串口(205)、地面第二串口(206)、地面第三串口(207)、地面遥控输入口(208)和地面传感器接口(209)分别与微处理器Β(202)相电路连接;在空中子系统(1)中，系留线缆多维受力传感器(16)和机上传感器接口(109)相连接；机上电源(11)和机上板载电源(104)相连接；机载备用遥控接收机(12)和机上遥控输入口(105)相连接；多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)分别和机上遥控输出口(106)、机上第一串口(107)相连接；机载通信模块(14)和机上第二串口(108)相连接；在地面子系统(2)中，线轮伺服电机驱动器(22)和地面第一串口(205)相连接；地面电源(21)和地面板载电源(204)相连接；地面光端机(24)和地面第二串口(206)相连接；地面站及车载控制器(25)和地面第三串口(207)相连接；地面遥控接收机(26)和地面遥控输入口(208)相连接；系留线缆张力传感器(27)和地面传感器接口(209)相连接；除了以上电信号连接关系外，地面通信模块(24)还经由滑环连接器(23)连接有线通信介质(15)的地面端，有线通信介质(15)的空中端连接机载通信模块(14)，从而完成连接空中子系统(1)和地面子系统(2)的有线通信链路。3.根据权利要求1或2所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：所述的多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)，它是个具有遥控接口和串行通讯接口，具有自主定点悬停能力的通用多旋翼自动驾驶仪，但它的遥控接口不是直接接遥控接收机，而是通过机上遥控输出口(106)接收空中综合控制器(10)的遥控指令，它的串行通讯接口不是通过类似数传电台等远程通信设备接地面站，而是通过连接机上第一串口(107)与空中综合控制器(10)的微处理器Α(102)双向交互信息，这种连接结构使得空中综合控制器(10)可以完全替代人工自动的控制多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)，也可以完全透明的转发人工控制指令和反馈信息。4.根据权利要求1或2所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：所述的地面遥控接收机(26)和机载备用遥控接收机(12)，是通用的无人机无线遥控接收机，这两个接收机使用相同或兼容的型号，使得两者可以同时和同一个遥控器对频同时接收遥控指令；机载备用遥控接收机(12)通过与其连接的机上遥控输入口(105)将其接收的遥控指令传送给微处理器Α(102)；地面遥控接收机(26)通过与其连接的地面遥控输入口(208)将其接收的遥控指令传送给微处理器Β(202)，并由微处理器Β(202)将其打包到有线通信传送的数据包内转发到微处理器Α(102)；微处理器Α(102)通过上述电路连接关系同时取得经两路不同传输信道接收的同一遥控指令并对其优选后进一步处理。5.根据权利要求3所述的车载系留多旋翼控制系统架构，其特征在于：所述的地面遥控接收机(26)和机载备用遥控接收机(12)，是通用的无人机无线遥控接收机，这两个接收机使用相同或兼容的型号，使得两者可以同时和同一个遥控器对频同时接收遥控指令；机载备用遥控接收机(12)通过与其连接的机上遥控输入口(105)将其接收的遥控指令传送给微处理器Α(102)；地面遥控接收机(26)通过与其连接的地面遥控输入口(208)将其接收的遥控指令传送给微处理器Β(202)，并由微处理器Β(202)将其打包到有线通信传送的数据包内转发到微处理器Α(102)；微处理器Α(102)通过上述电路连接关系同时取得经两路不同传输信道接收的同一遥控指令并对其优选后进一步处理。6.一种车载系留多旋翼控制系统控制方法，其特征在于：所述的车载系留多旋翼控制系统中的多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)本身不需有控制系留多旋翼跟随车辆飞行和自主精准起飞、降落并同步自动收放系留线缆的功能，上述功能是由空中综合控制器(10)通过自动驾驶仪(13)上的串口和遥控口与其通信并智能控制它，同时通过有线通信与地面综合控制器(20)实时通信协同合作实现的，具体控制方法是：空中综合控制器(10)有手动模式、自动模式和地面站模式三种工作模式，在自动模式下...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴述梗，
申请(专利权)人：吴述梗，
类型：发明
国别省市：北京,11