CN100444069C - 一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控*** - Google Patents

Abstract

本发明系一种用于共轴式双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，它由两套地面***和一套机载***组成。其中地面***由测控车平台、飞行控制台、遥控编码器、遥测解码器、地面监控计算机、测控收发射机和测控天线组成；机载***由测控天线、测控收发射机、测控视频处理组合和低速信号调理器组成。该发明既可同时双车互为备份工作也可单车工作。双车对无人机的控制权由机载***和地面***以及驾驶员共同决策完成。机载***具有两条独立的通信链路、同步和差错控制通道，在双车工作情况下，两车分别使用其中一路，该***同时可对每个通道遥控指令的正确率进行统计。本发明可极大提高测控可靠性，并在双车同时工作情况下增大无人机的作用距离。

Description

一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***

一、技术领域

本发明系一种测控***，特别是指一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的测控***，属于测控技术领域。

二、背景技术

无人驾驶直升机是一种利用无线遥控控制飞行的直升机，与固定翼飞机相比，无人驾驶直升机飞行的稳定性差、飞行状态变化迅速、地面操纵控制更加复杂，因此，无人驾驶直升机对无线电遥测控***提出了更高的要求。而测控***的性能好坏、可靠与否，对于保证无人驾驶直升机安全飞行、顺利完成任务有着重要的意义。

本发明一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，该***是在公开号为CN1358650，名称为“一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥控***”和公开号为CN1358984，名称为“一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的遥测***”这两项中国发明专利所涉及的测控***的基础上的一种改进。上述已有***是一种一对一的测控***，即一辆测控车对一架无人机进行测控，虽然已有***也具有一套辅助遥控设备，但是其只能在无人机处于操作者视野可见范围内发挥作用，作用距离非常有限，而主测控链路大多数情况下都是在无人机与测控车距离较远(视野范围之外)的情况下发生故障，而一旦故障情况出现，此时辅助遥控设备完全无法发挥作用。针对已有***存在的这种缺陷，本发明一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，这是一种二对一的测控***，即由两辆测控车同时工作以完成对一架无人机的测控。本发明***具备很大的灵活性，可以配置成二对一工作方式，也可以配置成一对一工作方式，在二对一工作方式下，两辆测控车对无人机的控制权由机载测控***和地面测控***以及驾驶员共同决策完成，地面站通过机载遥测***不但可以监测无人机本身的各项传感器参数，还可以监控本测控车和另一测控车与无人机的通信链路情况，当两条链路中的一条发生故障时，可由另一条接管无人机的测控，这就大大提高了***可靠性，同时还能在一定程度上增加对无人机的测控距离。另外，已有***中辅助遥控设备作用非常有限，且增加了***的复杂性，本发明***取消了该设备，从而使得设计更加简练。

本发明的优点是设计简练、可靠性高、作用距离远。

三、发明内容

本发明一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其主要目的在于提高测控的可靠性，并可在两套地面测控***同时工作的情况下增大无人机的作用距离。

本发明一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其由两套地面测控***和一套机载测控***组成。

两套地面测控***均由测控车平台、飞行控制台、遥控编码器、遥测解码器、地面监控计算机、测控收发射机和测控天线组成。其中飞行控制台连遥控编码器；遥控编码器和遥测解码器都与地面监控计算机和测控收发射机相连；测控收发射机连接测控天线；以上这些设备均安装在测控车平台上。

其中，与已有***相比，本发明取消了辅助遥控设备及其接口，飞行控制台上取消了主/辅助遥控的切换开关，同时增加了主/辅站的遥控切换开关；增加一套语音通信设备用于两车之间的通信。

其中，本发明遥控编码器中的遥控帧格式和遥测解码器中的遥测帧格式，其要求如下：遥控帧格式如图8所示，其中码速率9600bps，帧长为60字节，帧速率20Hz；切换控制开关用于切换当前测控车是处于控制方式还是监测方式；帧序号、比例指令、开关指令与已有***意义相同；校验字节用于对该帧数据进行奇偶校验，以进一步提高可靠性。遥测帧格式在已有***基础上增加另一路遥控指令回传以及两路遥控通道的状态信息(以每秒机载遥控***接收到的有效的遥控帧数量来表示)。

遥控编码器、遥测解码器和地面监控计算机上运行的监控软件均针对帧格式做相应修改。

机载测控***由测控天线1、测控天线2、测控收发射机1、测控收发射机2、测控视频处理组合和低速信号调理器组成。测控天线1连接到测控收发射机1上，并形成一通信链路；测控天线2连接到测控收发射机2上，并形成一通信链路；测控收发射机1与测控收发射机2均与测控视频处理组合相连；测控视频处理组合通过CAN总线与低速信号调理器相连。

其中，本发明所述的测控工作方式既可同时使用两套地面测控***互为备份工作也可单个工作；在两套地面测控***互为备份工作情况下，对无人机的控制权由机载测控***和地面测控***以及驾驶员共同决策完成。

其中，本发明所述的两条通信链路、同步和差错控制通道，在两套地面测控***同时工作情况下，两套地面测控***分别使用其中一个通信链路。

本发明所述的该机载测控***通过遥控处理板中A、B两路遥控微处理器，将每秒的计数值发送给电压变换微处理器，然后再由电压变换微处理器通过遥控指令回传给遥测处理板，最后由遥测处理板将该信息发回地面遥测***，进而对每个通道遥控指令的正确率进行统计，并通过机载测控***回传，同时将反映各遥控通道状态的统计结果直接显示在双车地面监控计算机的监视屏幕上。

本发明所述的双车测控***状态分为“控制”、“监控”和“捕捉”三种状态。

其中，本发明所述的测控视频处理组合由机载测控视频组合箱体、遥控处理板、遥测处理板、机载遥控电源板A、机载遥控电源板B和机载遥控遥测背板组成；其中，遥控处理板、遥测处理板、机载遥控电源板A、机载遥控电源板B均分别与机载遥控遥测板相连，所有这些设备都安装在机载测控视频组合箱体之中。

其中，本发明所述的遥控处理板由A路遥控微处理器、B路遥控微处理器、电压变换微处理器、12位并行D/A和8位多路串行D/A组成；其中，A路遥控微处理器、B路遥控微处理器、12位并行D/A、8位多路串行D/A均分别与电压变换微处理器相连。

本发明所述测控视频处理组合、测控收发射机1和测控收发射机2，其电源均采用冗余设计，即由两块DC-DC电源模块配合工作，每一块电源模块在输出端均接一个肖特基二极管(如RB051L)，如一块电源模块损坏而导致没有输出时，则另一块仍可继续正常输出。

其中，本发明所述低速信号调理器由低速信号调理器箱体、低速信号调理板、转速测量及数据接口板、电源板A、电源板B和背板组成；其中，低速信号调理板、转速测量及数据接口板、电源板A、电源板B均分别与背板相连，所有这些设备都安装在低速信号调理器箱体之中。

本发明所述电源板均采用统一设计，可互换使用。

其中，本发明所述的电源板均采用冗余的设计，为遥控处理板和遥测处理板提供稳定可靠的直流电源，如其中一块损坏，不影响***的正常工作，背板用于连接各块处理板以及与外部接口。

低速信号调理器用于采集慢变化的传感器数据，如温度、压力、油量、电源电压。采集的数据经过编帧后通过CAN总线发送到测控视频处理组合中的遥测处理板。

起飞点测控车称为主站，接近目标点测控车称为辅站。其要求包括：

1.确保主辅站无缝平滑过渡；

2.控制移交过程清晰，确保不出现混乱；

3.地面站能够清楚知道究竟是谁处于控制状态；

4.地面决策人员能够清楚从遥测数据知道两个地面站控制的有效性；

5.操纵控制过程尽可能简单。

本发明的优点是设计简练、可靠性高、作用距离远。

四、附图说明

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的整体***组成示意图。

图2是本发明的地面测控***的组成框图。

图3是本发明机载测控***的组成框图。

图4是本发明机载测控视频组合的结构框图。

图5是本发明机载测控视频组合中遥控处理板的结构框图。

图6是本发明遥控处理板中A路遥控微处理器和B路遥控微处理器的工作流程图。

图7是本发明遥控处理板中电压变换微处理器的工作流程图。

图8是本发明遥控帧格式框图。

图9是本发明电源冗余设计的实现方式框图。

图10是本发明的双车测控状态和对无人机控制权的决策逻辑图。

图11是本发明低速信号调理器结构框图

五、具体实施方式

本发明一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***。如图1所示，本发明由两套地面测控***和一套机载测控***组成，两车可同时对无人机进行监测，而由其中一车对无人机进行控制。双车对无人机的控制权由机载测控***和地面测控***以及驾驶员共同决策完成。

如图2所示，地面测控***由测控车平台、飞行控制台、遥控编码器、遥测解码器、地面监控计算机、测控收发射机和测控天线组成。飞行控制台连遥控编码器，遥控编码器和遥测解码器都与地面监控计算机和测控收发射机相连，测控收发射机连接测控天线，以上这些设备均安装在测控车平台上。

飞行控制台发出遥控指令，该指令被送到遥控编码器，由遥控编码器完成遥控组帧，该遥控组帧一方面被送到测控收发射机并经由测控天线发送出去，同时被送到地面监控计算机并得以显示。而从测控天线接收到的遥测信号经过测控收发射机由遥测解码器完成解码，送到地面监控计算机显示。两台测控车的测控收发射机使用不同的频点以实现对无人机的统一测控。

如图3所示，机载测控***由测控天线1、测控天线2、测控收发射机1、测控收发射机2、测控视频处理组合和低速信号调理器组成。测控天线1连接到测控收发射机1上，并形成一通信链路；测控天线2连接到测控收发射机2上，并形成一通信链路；测控收发射机1与测控收发射机2均与测控视频处理组合相连；测控视频处理组合通过CAN总线与低速信号调理器相连。

测控天线1和2收到从测控车发来的遥控指令，该指令分别经由测控收发射机1和2送到测控视频处理组合，并由测控视频处理组合中的遥控处理板对该两路遥控指令进行同步处理、决策，以转化为相应的遥控信号并回传遥控指令给遥测处理板，再由遥测处理板采集所有需要的遥测数据，对数据进行打包，最后以PCM数据流的方式传送给测控收发射机通过下行链路发送出去，从而完成对无人机的控制。

其中，遥控处理板(见图5)主要完成两路遥控信号的同步、处理和决策，将正确的遥控指令转化为相应的信号形式(开关量和模拟量)以完成对无人机的控制，并通过I²C总线回传遥控指令给遥测处理板。其中微处理推荐采用Atmel公司的mega系列AVR单片机。12位并行DA用于输出高精度的模拟控制量，8位多路串行DA用于输出多路普通精度的模拟控制量。A路遥控微处理器和B路遥控微处理器的工作过程基本相同，主要完成遥控数据的接收，并根据接收到的遥控数据的有效性和连续性设置该路遥控通道的状态，然后将接收到的有效遥控指令通过UART发送给电压变换微处理器(具体流程见图6)。电压变换微处理器根据A、B两路遥控微处理器给出的遥控通道状态信息做出决策，并将选择的遥控通道的遥控指令转化为相应的信号形式以完成无人机的控制，同时通过I²C总线回传遥控指令给遥测处理板(其工作流程见图7)。

遥测处理板用于采集所有需要的遥测数据，对数据进行打包，最后以PCM数据流的方式传送给测控收发射机通过下行链路发送。

遥控决策方案主要解决两个测控车谁取得对飞机的控制权的问题。两条通信链路中一路遥控指令完成对无人机的控制；无人机的各种传感器状态信息以及接收到的遥控指令由测控视频处理组合和低速信号调理器采集、编帧，并经过测控收发射机由测控天线发送出去。

在使用过程中，双车地面站测控***可处于如下五种状态下：

1.控制

2.监控

3.可测

4.可控

5.失效

“控制”表示地面站正在对飞机实时控制即机载遥控设备根据此地面站上行数据的内容输出控制量；

“监控”表示当前地面站遥测和遥控设备及链路状态良好，有能力接管飞机的控制，但并没有获得飞机的控制权，处于预备状态；

“可测”表示当前地面站遥测数据状态良好，但遥控链路异常(主要反映在指令丢包率上)，地面站可通过遥测观测飞机和了解另一地面站的遥控情况；

“可控”表示当前地面站遥控链路正常，但是遥测失效；在这种状态下，地面站无法从遥测数据得知自己是否“可控”，也不知另一地面站是否“可控”(当然用语音通信还能了解对方控制情况)

“失效”表示当前地面站遥控与遥测全部处于异常状态；

一般情况下，“可测”和“可控”两种状态下均无法对飞机实施有效控制；因为“可测”是已知不可控，而“可控”状态由于从地面站遥测数据是无法得知的(机载设备知道，对方遥测正常情况下可知道)。因此从地面站观测角度来说，“可测”和“可控”在一般情况下应视为“无效”；比较特殊的情况为：飞机当前位置比较接近地面站，高度较低，可以目视操纵，并且通过观测或另一个地面站了解了自己对飞机有控制能力；在此情况时，可做特殊应急处理。

因此，在进行状态分析时，可以把测控***状态分为：“控制”、“监控”和“捕捉”三种状态来分析。其中“捕捉”状态的含义为：在目视不能有效操纵条件下，地面站由于遥测、遥控之一或同时失效无法对飞机进行有效控制。

各种状态之间的转换和机载设备的选取遥控源的决策逻辑过程见图10。

蓝底方框表示测控***所处状态，状态发生变化的含义为：当某种情况恶化时间已超出规定时间(例如控制链路短暂波动后恢复并不认为是状态发生了改变)；黄底菱形代表需要根据飞机情况而定的决策；黄底圆形代表状态变化的原因和相应的操作。

需要指出的是，左下角状态为短暂的特殊状态。由于机载逻辑确保主站优先，所以这个状态并不会影响机载设备仲裁。这种状态可能出现的条件为：当某一地面站处于主控，而另一地面站处于监控状态时，由于对方更有利于控制飞机而交换控制权的过程中。

图中各状态变化的原因和相应的操作：

1.主站控制状态恶化超过T秒-主站放弃控制权-自动进入应急返航状态；

2.主站控制状态恶化超过T秒-主站放弃控制权-遥测提示、语音通知辅站接手-辅站取得控制权-语音回复；

3.辅站控制状态恶化超过T秒-辅站放弃控制权-自动进入应急返航状态；

4.应急返航状态下，主站重新捕获且条件有利于主站控制-主站取得控制权；

5.应急返航状态下，辅站重新捕获且条件有利于辅站控制-辅站取得控制权；

6.主站控制状态，同时辅站状态良好-辅站更有利于控制(如其他分***故障需要就近降落)-语音通知辅站接手-辅站接手-辅站语音回复，遥测提示-主站放弃控制权；

7.辅站控制状态，同时主站状态良好-主站更有利于控制(如其他分***故障需要就近降落)-主站语音通知辅站要求接手-辅站语音回复-主站接手-主站语音通知，遥测提示-辅站放弃控制权并语音回复；

8.应急返航状态主辅站均已重新捕获并处于监控状态-条件有利于主站控制-主站取得控制权-语音通知辅站，遥测提示-辅站回复；

9.应急返航状态主辅站均已重新捕获并处于监控状态-条件有利于辅站控制-辅站语音通知主站要求控制-主站回复同意-辅站接手-语音回复，遥测提示。

本发明的双车测控***既可同时使用双车互为备份工作也可单车工作，在双车工作的情况下，双车对无人机的控制权由机载***和地面***以及驾驶员共同决策完成，该***可以大大提高测控的可靠性，并且在双车同时工作的情况下可以增大无人机的作用距离。

Claims (8)

1、一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，该双车测控***，既可两套地面测控***同时互为备份使用也可单个使用，该双车测控***对无人机的控制权由机载测控***和地面测控***以及驾驶员共同决策完成，其特征在于：该双车测控***是由两套地面测控***和一套机载测控***组成；每套地面测控***由测控车平台、飞行控制台、遥控编码器、遥测解码器、地面监控计算机、测控收发射机和测控天线组成；其中飞行控制台连遥控编码器，遥控编码器和遥测解码器都与地面监控计算机和测控收发射机相连，测控收发射机连接测控天线，所有这些设备都安装在测控车平台上；该机载测控***由测控天线1、测控天线2、测控收发射机1、测控收发射机2、测控视频处理组合和低速信号调理器组成；其中测控天线1连接到测控收发射机1上；测控天线2连接到测控收发射机2上，测控收发射机1与测控收发射机2均与测控视频处理组合相连；低速信号调理器与测控视频处理组合相连。

2、根据权利要求1所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该双车测控***状态分为“控制”、“监控”和“捕捉”三种状态。

3、根据权利要求1所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该测控视频处理组合由机载测控视频组合箱体、遥控处理板、遥测处理板、机载遥控电源板A、机载遥控电源板B和机载遥控遥测背板组成；其中遥控处理板、遥测处理板、机载遥控电源板A、机载遥控电源板B均分别与机载遥控遥测板相连，所有这些设备都安装在机载测控视频组合箱体之中。

4、根据权利要求3所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该遥控处理板由A路遥控微处理器和B路遥控微处理器、电压变换微处理器、12位并行D/A和8位多路串行D/A组成；其中，A路遥控微处理器、B路遥控微处理器、12位并行D/A、8位多路串行D/A均分别与电压变换微处理器相连。

5、根据权利要求1所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该低速信号调理器由低速信号调理器箱体、低速信号调理板、转速测量及数据接口板、电源板A、电源板B和背板组成；其中，低速信号调理板、转速测量及数据接口板、电源板A、电源板B均分别与背板相连，所有这些设备都安装在低速信号调理器箱体之中。

6、根据权利要求1所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该测控视频处理组合、测控收发射机1和测控收发射机2的电源均采用冗余设计，即由两块DC-DC电源模块配合工作，每一块电源模块在输出端均接一个肖特基二极管。

7、根据权利要求1所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该机载测控***具有两条独立的通信链路、同步和差错控制通道，在两套地面测控***同时工作的情况下，两套地面测控***分别使用其中一路；该机载测控***可对每个通道遥控指令的正确率进行统计，并通过机载测控***回传，同时将反映各遥控通道状态的统计结果直接显示在双车地面监控计算机的监视屏幕上。

8、根据权利要求1所述的一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机的双车测控***，其特征在于：该地面测控***设置有主/辅站遥控切换开关和用于两车之间通信的语音通信设备。

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