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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是用于控制无人机自动起飞和降落的装置，能够全自动地引导并操纵无人机在复杂环境下的起飞和降落。主要应用在航空航天、无人机和机器人等
技术介绍
无人机的起飞和降落是坠机事故的高发阶段，而当无人机在复杂环境下(如狭小地带或运动平台)起飞和降落时，事故发生率更高。无人机的自动起飞和降落通常只能在诸如宽阔平整场地等良好着陆条件下完成，而在复杂环境下多以遥控方式为主。此外，无人机在军舰和车辆等移动起降平台上着陆时，由于起降平台的姿态、位置和速度不断变化，无人机需要迅速、准确地调整自身姿态以保持与移动起降平台的同步运动，其降落过程甚为困难和危险。因此以往的无人机起飞和着陆方式危险性高、适用场合少，难以满足目前的无人机应用需求。本专利技术利用地面站实时对比无人机和起降平台的相对运动，持续计算出控制指令并直接全权控制无人机的飞行，使无人机可以在复杂环境下自动、安全地起飞和降落。与传统的无人机起飞和降落方法相比，本专利技术的优点是全自动起降、安全性高和适应范围广泛。 不但可使无人机在复杂地面(如高楼之间)按照地面站的指示实时修正航线，及时规避障碍物并安全起飞或降落；而且可使无人机实时、迅速地跟随起降平台的运动(如行进中的军舰、车辆等)，完成在移动起降平台上的起飞和降落。本专利技术可显著提高无人机在复杂环境下起飞和降落的飞行安全性，并可扩展无人机的装备适用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于无人机在复杂环境下自主起飞和降落的系统。本专利技术的特征在于，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 (0 = T*无人机的空间坐标，Π Α = T 为无人机的 3 轴角速度，Aa= 1为无人机的3轴线速度， toon] ξα = T 为无人机的 3 轴欧拉角，Ah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nA(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S ^e(t) = T，n为舵机数，其中期望的飞行轨迹表示为rc= \其中，&(0，7。(0，2。(0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 ^ei(t)的表达式为权利要求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 (0 = T*无人机的空间坐标， Π Λ = T为无人机的3轴角速度， Aa = T为无人机的3轴线速度， ξα= τ为无人机的3轴欧拉角， Ah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nA(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S飞控(0 = T，n为舵机数，其中 期望的飞行轨迹表示为rc= \其中，&(0，&(0，、(0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 ^ei(t)的表达式为全文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
，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。本专利技术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。文档编号G05D1/08GK102298389SQ20111015501公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日专利技术者夏慧, 朱纪洪, 王冠林 申请人:清华大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：γＡ＝［ｘＡ（ｔ），ｙＡ（ｔ），ｚＡ（ｔ）］Ｔ为无人机的空间坐标，∏Ａ＝［ｐＡ（ｔ），ｑＡ（ｔ），ｒＡ（ｔ）］Ｔ为无人机的３轴角速度，ΛＡ＝［ｕＡ（ｔ），ｖＡ（ｔ），ｗＡ（ｔ）］Ｔ为无人机的３轴线速度，ΞＡ＝［φＡ（ｔ），θＡ（ｔ），ψＡ（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ηＡ（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ΓＣ＝［ｘＣ（ｔ），ｙＣ（ｔ），ｚＣ（ｔ）］Ｔ，其中，ｘＣ（ｔ），ｙＣ（ｔ），ｚＣ（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ηＡ（ｔ），并随即向下行数据链路接收机发送飞行数据ηＡ（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：γＧ＝［ｘＧ（ｔ），ｙＧ（ｔ），ｚＧ（ｔ）］Ｔ为起降平台的空间坐标，∏Ｇ＝［ｐＧ（ｔ），ｑＧ（ｔ），ｒＧ（ｔ）］Ｔ为起降平台的３轴角速度，ΛＧ＝［ｕＧ（ｔ），ｖＧ（ｔ），ｗＧ（ｔ）］Ｔ为起降平台的３轴线速度，ΞＧ＝［φＧ（ｔ），θＧ（ｔ），ψＧ（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ηＡ（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ηＡ（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ΓＣ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...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王冠林，夏慧，朱纪洪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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