CN106768008A - 一种面向轻型直升机的飞行数据采集*** - Google Patents

一种面向轻型直升机的飞行数据采集*** Download PDF

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韩建达
宋大雷
马立新
周浩
孙晓舒
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Abstract

本发明涉及一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，包括杆量数据采集***、差分GPS模块、惯性测量单元、数据存储模块。杆量数据采集***用于采集直升机操纵杆和脚踏板的控制量并发送至数据存储模块；差分GPS模块用于采集直升机的位置和速度信息并发送给数据存储模块；惯性测量单元用于采集直升机三轴加速度和三轴角速度信息发送给数据存储模块。本发明结构简单，能够以简单地模块实现强大的数据采集、存储功能，方便地安装在小型直升机上，通过对数据的采集和分析，评估飞机状态和品质，在实现对驾驶者的飞行技术评估方面也具有很好的实用意义。

Description

一种面向轻型直升机的飞行数据采集***
技术领域
本发明涉及一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，具体地说是一种用于采集有人直升机飞行过程中的控制量和控制输出量的数据采集***，用于数据的后期处理。
背景技术
直升机是一个非常复杂的控制对象，具有高度非线性、多变量、强耦合、时变，开环不稳定等特点。因此，对直升机进行模式识别对数据要求很高，而在无人机研究中要对无人机进行精确的控制，直升机的模型必须精确。在以往无人直升机研究中，研究对象主要是微型模型直升机，对模型飞机的数据采集，只要采集遥控器发出的信号和飞机本体导航数据便可完成。
随着无人机研究趋向大型化，单独开发大型无人机成本极高，因此使用有人直升机改装成无人直升机是现在常用的大型无人直升机开发手段。但是使用有人机开发存在着直升机模型不确定情况，目前在国内外还没有一种设备专门用于有人直升机飞行过程中同时采集驾驶员杆量和飞行数据的设备。同时，在直升机的飞行过程中，飞机的振动状态、飞行品质在没有专业设备测试的情况下，仅从驾驶者的感受是无法进行准确的评估的，而直升机的状态和飞行品质和飞机的飞行安全密切相关。因此需要一种可以在有人直升机飞行过程中即能够采集驾驶员杆量、又能够采集飞行数据的设备。
发明内容
针对国内外暂时还没有同时采集有人直升机控制杆量和飞机飞行数据这一技术空白，本发明提出了一种面向轻型直升机的飞行数据采集***。
本发明采用的技术方案是：一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，包括数据存储模块以及与其连接的杆量数据采集***、差分GPS模块、惯性测量单元；
杆量数据采集***用于采集直升机操纵杆和脚踏板的控制量并发送至数据存储模块；
差分GPS模块用于采集直升机的位置和速度信息并发送给数据存储模块；
惯性测量单元用于采集直升机三轴加速度和三轴角速度信息发送给数据存储模块。
所述杆量数据采集***包括A/D采集模块以及与其连接的RS422/RS232转换模块、拉线传感器；所述RS422/RS232转换模块与数据存储模块连接，拉线传感器与直升机操纵杆、脚踏板连接。
所述拉线传感器为四个；第一拉线传感器与直升机总矩杆连接；第二拉线传感器、第三拉线传感器均与直升机操纵杆连接；第四拉线传感器与直升机脚踏板连接。
所述第二拉线传感器中采集运动数据的拉线头伸缩方向与直升机上通过左右推拉操纵杆控制飞行状态的钢索的钢索头运动方向一致。
所述第三拉线传感器中采集运动数据的拉线头伸缩方向与直升机上通过前后推拉操纵杆控制飞行状态的钢索的钢索头运动方向一致。
所述数据存储模块包括ARM芯片以及与其连接的SD卡；所述ARM芯片与杆量数据采集***、差分GPS模块、惯性测量单元连接。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明实现了在一个***中，采用了多个拉线传感器、结合差分GPS模块和惯性测量单元，同时采集到操纵杆量和飞机的飞行数据；
2.本发明的数据存储模块能实时存储采集到的操纵量和飞行数据，用于后期的模式辨识；
3.本发明结构简单，能以简单地模块实现强大的数据采集、存储功能。
4.本发明具有较强的通用性和较强的***性，并且本发明的可操作性、展示性均较强，简便地应用于各种轻型有人驾驶环境下直升机飞行数据采集的实验中。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明中杆量数据采集***结构及连接框图；
图3为本发明中数据存储模块结构框图；
图4为本发明中结构示意图；
其中，1杆量数据采集***，2数据存储模块，3差分GPS模块，4惯性测量单元；1-1第一拉线传感器，1-2第二拉线传感器，1-3第三拉线传感器，1-4第四拉线传感器，1-5 A/D采集模块，1-6 RS422/RS232转换模块，2-1 ARM芯片，2-2 SD卡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。
在现有的无人直升机设计中，由于新机型开发成本较高，比较常用的方法是将成熟的有人直升机产品改装成无人直升机，在改装中为了达到对直升机更精确的控制，需要对直升机进行模式识别，本发明能高频率地将直升机的所有控制量及控制输出量高精度地记录在SD卡中，为后期分析直升机时域和频域模型提供了数据支持，为更精确地控制直升机提供了保证。同时在直升机的飞行过程中，飞机的振动状态、飞行品质在没有专业设备测试的情况下，仅从驾驶者的感受是无法进行准确的评估的，本发明能方便地安装在小型直升机上，通过对数据的采集和分析，能根据数据评估飞机状态和品质，在实现对驾驶者的飞行技术评估方面也具有很好的实用意义。
一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，包括杆量数据采集***、数据存储模块、差分GPS模块、惯性测量单元。
杆量数据采集***功能是以10HZ的频率采集直升机飞行过程中对总距、俯仰、滚转和航向四个操纵杆的控制量；杆量数据采集***与数据存储模块通过RS-232通信，用于实现将采集到的操纵杆总距、俯仰、滚转和航向的控制量发送给数据存储模块；
差分GPS模块功能是以10HZ的频率采集直升机经度、纬度、高度、X轴速度、Y轴速度和Z轴速度信息；与数据存储模块通过RS-232通信，用于实现将采集到的经度、纬度、高度、三轴速度发送给数据存储模块；
惯性测量单元功能是以300HZ的频率采集直升机X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度、X轴角速度、Y轴角速度和Z轴角速度信息；与数据存储模块通过RS-232通信，用于实现将采集到的三轴加速度和三轴角速度发送给数据存储模块；
数据存储模块将采集到的所有数据以300HZ频率以文本形式存储在SD卡中。
所述杆量数据采集***包括：
拉线传感器1采集总距杆量，以0-5V电压形式输出给A/D采集模块；拉线传感器2采集俯仰杆量，以0-5V电压形式输出给A/D采集模块；拉线传感器3采集滚转杆量，以0-5V电压形式输出给A/D采集模块；拉线传感器4采集航向杆量，以0-5V电压形式输出给A/D采集模块。
A/D采集模块将采集到的总距、俯仰、滚转和航向杆量的模拟量转换的数字量以RS422形式输出，通过RS422/RS232转换模块后通过RS232接口输出给数据存储模块。
所述数据存储模块包括：
ARM9芯片通过RS232接口接收来自包括杆量数据采集***的总距、俯仰、滚转和航向四个操纵杆的控制量信息；差分GPS模块的经度、纬度、高度、X轴速度、Y轴速度和Z轴速度信息；惯性测量单元的X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度、X轴角速度、Y轴角速度和Z轴角速度信息。并以300HZ的频率以文本形式写入SD卡中。
如图1结构框图所示：
杆量数据采集***1以10HZ的频率采集直升机在飞行过程中对总距、俯仰、滚转和航向四个操纵杆的控制量；通过RS-232将采集到的操纵杆总距、俯仰、滚转和航向的控制量发送给数据存储模块2；
差分GPS模块3，采用诺瓦泰公司的NOVATEL OEM615差分GPS模块。以10HZ的频率采集直升机经度、纬度、高度、X轴速度、Y轴速度和Z轴速度信息；通过RS-232将采集到的经度、纬度、高度、三轴速度发送给数据存储模块2；
惯性测量单元4，采用Analog Devices公司的ADIS16365，以300HZ的频率采集直升机X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度、X轴角速度、Y轴角速度和Z轴角速度信息；通过RS-232将采集到的三轴加速度和三轴角速度发送给数据存储模块2；
数据存储模块2将采集到的所有数据以300HZ频率以文本形式存储在SD卡中。
如图2杆量数据采集***结构框图所示：
拉线传感器采用MIRAN公司的MPS-S-200MM-R接线传感器；五个拉线传感器分别采集操纵杆总距、俯仰、滚转和航向的杆量；
A/D采集模块1-5采用研华公司的ADAM-41178路模拟量输入模块，将采集到的总距、俯仰、滚转和航向杆量的模拟量转换的数字量以RS422形式输出，通过RS422/RS232转换模块1-6后通过RS232接口输出给数据存储模块2。RS422/RS232转换模块1-6采用研华公司ADAM-4520RS-232转422/485串口转换器模块。
如图3数据存储模块结构框图所示：
ARM9芯片2-1采用恩智浦半导体公司的LPC3250芯片，通过RS232接口接收来自包括杆量数据采集***1的总距、俯仰、滚转和航向四个操纵杆的控制量信息；差分GPS模块3的经度、纬度、高度、X轴速度、Y轴速度和Z轴速度信息；惯性测量单元4的X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度、X轴角速度、Y轴角速度和Z轴角速度信息。并以300HZ的频率以文本形式写入SD卡2-2中。SD卡2-2采用Kingston 2GB SD卡。
如图4所示：
图中零部件序号拉线传感器1-1，拉线传感器1-2，拉线传感器1-3，拉线传感器1-4，数据存储模块2，差分GPS模块3，惯性测量单元IMU4。拉线传感器1-1连接主旋翼轴采集总距杆量发送给数据存储模块2，拉线传感器1-1的拉线头沿近似直线伸缩，直线方向为连接总矩拉杆末端和十字盘总矩控制机构末端的连杆；拉线传感器1-2连接操纵杆采集俯仰杆量发送给数据存储模块2；拉线传感器1-3连接操纵杆采集滚转杆量发送给数据存储模块2；拉线传感器1-4连接脚踏板采集航向杆量发送给数据存储模块2，拉线传感器1-4的拉线头运动方向与沿连接在脚踏板上的钢索伸缩方向一致；同时，差分GPS模块3采集直升机经度、纬度、高度、三轴速度信息发送给数据存储模块2；惯性测量单元4采集直升机三轴加速度、三轴角速度信息发送给数据存储模块2。其中，拉线传感器1-2中采集运动数据的拉线头伸缩方向与直升机上通过左右推拉操纵杆控制飞行状态的钢索的钢索头运动方向一致；该直升机通过钢索控制飞行状态，钢索由1/4英寸直径钢丝和包裹钢丝的硬质橡胶包裹层组成，钢丝可以在橡胶包裹层内自由滑动，橡胶包裹层的两端均连有螺栓，分别固定在控制螺旋桨状态的十字盘总矩上以及机舱内的机架上；橡胶层里的钢索一端固定在十字盘，另一端固定在直升机驾驶员操纵杆上。拉线传感器1-3中采集运动数据的拉线头伸缩方向与直升机上通过前后推拉操纵杆控制飞行状态的钢索的钢索头运动方向一致，可以分别采集出直升机的俯仰和横滚数据。
有人驾驶直升机飞行数据采集***可以同时通过杆量数据采集***采集直升机在飞行过程中总距、俯仰、滚转和航向四个操纵杆的控制量；通过差分GPS模块采集直升机经纬度、高度、三轴速度；通过惯性测量单元(IMU)采集三轴加速度、三轴角速度。同时以300HZ的频率将数据以文本的形式存储在SD卡中。该数据可用于有人机的模型辨识，以便在改装后，达到直升机的精确控制。同时通过对数据的采集和分析，能根据数据评估飞机状态和品质，实现对驾驶者的飞行技术评估。

Claims (6)

1.一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，其特征在于：包括数据存储模块(2)以及与其连接的杆量数据采集***(1)、差分GPS模块(3)、惯性测量单元(4)；
杆量数据采集***(1)用于采集直升机操纵杆和脚踏板的控制量并发送至数据存储模块(2)；
差分GPS模块(3)用于采集直升机的位置和速度信息并发送给数据存储模块(2)；
惯性测量单元(4)用于采集直升机三轴加速度和三轴角速度信息发送给数据存储模块(2)。
2.根据权利要求1所述的一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，其特征在于所述杆量数据采集***(1)包括A/D采集模块(1-5)以及与其连接的RS422/RS232转换模块(1-6)、拉线传感器；所述RS422/RS232转换模块(1-6)与数据存储模块(2)连接，拉线传感器与直升机操纵杆、脚踏板连接。
3.根据权利要求2所述的一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，其特征在于所述拉线传感器为四个；第一拉线传感器(1-1)与直升机总矩杆连接；第二拉线传感器(1-2)、第三拉线传感器(1-3)均与直升机操纵杆连接；第四拉线传感器(1-4)与直升机脚踏板连接。
4.根据权利要求3所述的一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，其特征在于所述第二拉线传感器(1-2)中采集运动数据的拉线头伸缩方向与直升机上通过左右推拉操纵杆控制飞行状态的钢索的钢索头运动方向一致。
5.根据权利要求3所述的一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，其特征在于所述第三拉线传感器(1-3)中采集运动数据的拉线头伸缩方向与直升机上通过前后推拉操纵杆控制飞行状态的钢索的钢索头运动方向一致。
6.根据权利要求1所述的一种面向轻型直升机的飞行数据采集***，其特征在于所述数据存储模块(2)包括ARM芯片(2-1)以及与其连接的SD卡(2-2)；所述ARM芯片(2-1)与杆量数据采集***(1)、差分GPS模块(3)、惯性测量单元(4)连接。
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