专利汇可以提供一种车载系留多旋翼控制系统架构及控制方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供一种新型的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光纤通信组成强大的双 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。,下面是一种车载系留多旋翼控制系统架构及控制方法专利的具体信息内容。
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,它们之间通过线缆内光纤(15)相连接;
其中,空中子系统(1)包括:综合控制器空中部分(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)、机载光端机(14)、线缆内光纤(15)和系留线缆多维受力传感器(16)组成;
所述的综合控制器空中部分(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A(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:综合控制器地面部分(20)、地面电源(21)、线轮伺服电机驱动器(22)、光电滑环(23)、地面光端机(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;
所述的综合控制器地面部分(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B(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A(102)或微处理器B(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,综合控制器空中部分(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),它是一个多滑轮式的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,综合控制器地面部分(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,综合控制器地面部分(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)接收综合控制器空中部分(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)与综合控制器空中部分(10)的微处理器A(102)双向交互信息,这种连接结构使得综合控制器空中部分(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。
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A(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B(202),并由微处理器B(202)将其打包到光纤传送的数据包内转发到微处理器A(102);
微处理器A(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。
4.一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,上述功能是由综合控制器空中部分(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,同时通过光纤与综合控制器地面部分(20)实时通信协同合作实现的,具体控制方法是:
综合控制器空中部分(10)有手动模式、自动模式和地面站模式三种工作模式,在自动模式下又分为自主起飞、自主降落、自动跟随和地面静止等四种工作状态,上述工作模式和工作状态可通过监视遥控输入的两个既定通道的值由遥控器设定:遥控器上的一个三档开关K1对应通道用于切换手动模式、自动模式和地面站模式,另一个三档开关K2对应通道用于切换自主起飞、自主降落和自动跟随工作状态(地面静止状态是在系统上电初始化完成或自主降落完成后自动进入),只有在K1为自动模式时K2才起作用,并且在飞行器正在空中飞行时切换到自主起飞无效,正在地面静止状态时切换到自主降落无效,在丢失遥控信号时默认K1在地面站模式;
在所述的手动模式下,微处理器A(102)透明的转发仲裁优选后的遥控指令到自动驾驶仪(13),透明的双向转发地面站到自动驾驶仪(13)的通信数据,从而实现纯手动的人工操控系留飞行器,此时综合控制器地面部分(20)根据系留线缆张力传感器(27)的值按恒定张力控制算法同步的收放线缆;
在所述的地面站模式下,微处理器B(202)用接收自地面站摇杆的横滚、俯仰、偏航和油门通道的数据替代地面遥控接收机(26)的相应通道数据通过光纤发送给微处理器A(102)并直接透明转发到自动驾驶仪(13),从而实现用地面站摇杆纯手动的人工操控系留飞行器,其他同手动模式;
在所述的自动模式下,微处理器A(102)按一定周期动态查询三档开关K2对应通道的状态值,当发现本次查询的状态值与上次查询不同时,就切换进入本次查询值对应的工作状态;
在所述的自动模式下,微处理器A(102)把自己仿真为一个地面站通过串口与多旋翼飞行器自动驾驶仪(13)双向交换数据,取得当前自驾状态并发送诸如设置目标高度、目标位置、设置切换航点、返航等地面站控制指令且接收结果数据反馈,,同时还把自己仿真为一个遥控接收机,向自动驾驶仪(13)的遥控接收口发送根据一定算法自动生成的遥控指令实现小范围内对飞行器位置姿态的微调,从而实现控制飞行器的跟随车辆飞行和自主精准起飞、降落;
在由微处理器A(102)进行高度和位置跟随控制的同时,由微处理器B(202)根据系留线缆张力传感器(27)采集的数据,使用传统的恒张力控制算法,控制线轮同步收放线,使系留缆线绷紧并维持一定张力。
5.根据权利要求4所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法,其特征在于:
进入自主起飞工作状态的流程和控制方法是:
先判断是否从地面静止状态进入的,如果不是就直接返回原工作状态,如果是就向地面站及车载控制器(25)发指令进行起飞前的车载设备初始化化并取得起飞点坐标、飞行目标高度、默认上升速率等起飞参数,同时与自动驾驶仪(13)通信取得GPS定位状况等参数;
在车载设备和自驾都满足起飞条件后,向自动驾驶仪(13)发遥控指令解锁,并切换到自主悬停模式,然后逐渐加大油门,使飞行器起飞,并根据反馈回的高度和上升速率动态调节油门量保持飞行器平稳上升,同时通过线轮伺服电机驱动器(22)控制线轮同步放线,并使线缆绷紧保持放线张力Ff,同时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的垂直程度,如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直;
在监测到飞行器上升超过线缆倾斜敏感高度Hj后,关闭线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调,在监测到飞行器上升到既定的飞行目标高度后,控制线轮停止放线,同时微调油门的大小,使系留缆线绷紧并维持悬停张力Fx,待飞行器悬停稳定后完成自主起飞,切换到自动跟随工作状态。
6.根据权利要求4或5所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法,其特征在于:
进入自主降落工作状态的流程和控制方法是:
先判断是否从地面静止状态进入的,如果是就仍然保持地面静止状态不变,否则就向地面站及车载控制器(25)发指令进行降落前的车载设备准备并取得降落点坐标、降落点高程、默认下降速率等降落参数;
在车载设备满足自动降落条件后,向自动驾驶仪(13)发遥控指令逐渐减小油门,使飞行器下降,并根据反馈回的高度和下降速率动态调节油门量保持飞行器平稳回落,同时通过线轮伺服电机驱动器(22)控制线轮同步收线,此时线缆仍保持悬停张力Fx;
在监测到飞行器下降到低于线缆倾斜敏感高度Hj后,开启线缆倾斜判断对飞行器水平位置的微调,并使线缆进一步绷紧保持收线张力Fs,同时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的垂直程度,如果倾斜太大则微调遥控输出的俯仰或横滚通道值使飞行器微调悬停水平位置使其垂直;
在尽力保持线缆垂直的情况下继续微调油门控制飞行器按设定下降速率降低高度,直到检测到下降速率持续为零,并且车载设备发出着陆到位反馈后,向自动驾驶仪(13)发遥控指令收油停桨加锁完成自主降落,切换到地面静止状态。
7.根据权利要求4或5或6所述的车载系留多旋翼控制系统控制方法,其特征在于:
进入自动跟随工作状态的流程和控制方法是:
如果是自主起飞或自主降落未完成而通过切换K2提前进入,则捕获当前高度作为新的飞行目标高度,中止原来起飞或降落流程提前转入自动跟随工作状态;
在自动跟随工作状态其飞行高度控制方法是:
自动驾驶仪(13)保持在自主悬停的工作模式,由自动驾驶仪(13)自动维持飞行器在飞行目标高度悬停,微处理器A(102)监测反馈回的实际高度值,当发现实际高度与飞行目标高度偏差超过既定值后微调油门遥控量进行修正;
其位置跟随控制方法是:
在实际飞行高度大于线缆倾斜敏感高度Hj时,主要使用传统的GPS坐标定位跟踪办法,即每隔一定周期通过地面站及车载控制器(25)取得车的GPS坐标并经由微处理器B(202)由光纤信道传给微处理器A(102),作为飞行器的新目标位置,而从自驾取得的飞行器当前GPS坐标为起始位置,由微处理器A(102)按传统算法解算出横滚和俯仰应给的遥控量,控制飞行器在保持高度情况下向车的位置移动;
在实际飞行高度不大于线缆倾斜敏感高度Hj时,主要使用线缆倾斜判断对飞行器水平位置进行调整,这时通过系留线缆多维受力传感器(16)采集的信息计算判断系留缆的倾斜方向和水平方向力的相对大小,根据在实验中实际测得的经验数值调整遥控输出的俯仰、横滚通道的控制量,控制飞行器向系留线缆倾斜减小的方向移动,宏观效果上看就像飞行器被系留线缆拖拽着跟随车飞。
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