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一种无人机起飞辅助车起飞系统

申请号 CN202210265241.3 申请日 2022-03-17 公开(公告)号 CN114721252B 公开(公告)日 2024-05-10
申请人 西北工业大学; 发明人 郭庆; 徐尚儒; 张新宇; 郭瑾;
摘要 本 发明 公开了一种无人机 起飞 辅助车起飞系统,包括 数据采集 和控制系统、航向控制系统和地面端显示系统;数据采集和控制系统、航向控制系统设置于起飞辅助车上;地面端显示系统设置于地面,用于操作人员监控;数据采集和控制系统采集无人机的 空速 和压 力 数据,控制无人机起飞,并将数据传送给地面端显示系统;航向控制系统实时按照设定航向控制起飞辅助车的前进方向。本发明大幅度提高了对无人机起飞条件判断的准确性,从而提高无人机的起飞效率。
权利要求

1.一种无人机起飞辅助车起飞系统,其特征在于,包括数据采集和控制系统、航向控制系统和地面端显示系统;所述数据采集和控制系统、航向控制系统设置于起飞辅助车上;所述地面端显示系统设置于地面,用于操作人员监控;
所述数据采集和控制系统包括数据采集模、车载微控制器、数字信号传输模块和终端装置;所述数据采集模块包括空速测量模块和压传感模块;
所述终端装置包括无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,所述无人机释放装置为电磁设备,通过电磁吸附作用固定或释放无人机;所述起飞辅助车倒杆装置通过数字机控制起飞辅助车主支撑杆的倒杆;
所述空速测量模块通过测量气流总压和静压以确定气流速度,得到空速数据;所述压力传感模块实时测量无人机对起飞辅助车的压力数据;
所述车载微控制器通过总线通讯接收空速数据和压力数据,将空速数据和压力数据处理后输出PWM控制信号至无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,同时将空速数据和压力数据通过数字信号传输模块无线发送至地面端显示系统;所述无人机释放装置在无人机滑跑状态下通过电磁力吸附无人机,当接收到车载微控制器发出的释放无人机的信号后,断开电磁力,无人机在升力的作用下升空;所述起飞辅助车倒杆装置使用数字舵机进行控制,起飞辅助车倒杆装置在接收到车载微控制器发出的倒杆信号后,起飞辅助车主支撑杆随着舵机的转动而倒杆,降低起飞辅助车的高度,给无人机留下安全高度裕度;
所述航向控制系统包括GPS模块和PID纠正控制器;所述GPS模块采集起飞辅助车的实时位置、无人机航向并且计算起飞辅助车相对于地面的绝对速度,并将实时的无人机航向角输入PID纠正控制器;所述PID纠正控制器收到无人机航向角后,根据设定的航向通过PID控制算法处理后发送信号到起飞辅助车的前轮转向舵机,控制起飞辅助车的滑跑航向;
所述地面端显示系统包括移动计算机和数字信号传输模块;所述数字信号传输模块将无线接收到的空速数据和压力数据有线传输至移动计算机并在移动计算机屏幕上显示;操纵人员能够通过地面端显示系统实时监控无人机滑跑起飞过程中空速、压力数据。
2.根据权利要求1所述的一种无人机起飞辅助车起飞系统,其特征在于,所述车载微控制器采用STM32F103C8T6单片机
3.根据权利要求1所述的一种无人机起飞辅助车起飞系统,其特征在于,所述空速测量模块采用Pix32数字差动空速传感器
4.根据权利要求1所述的一种无人机起飞辅助车起飞系统,其特征在于,所述压力传感模块采用RP‑S柔性薄膜压敏传感器,该压敏传感器使用温度为‑40℃~+85℃,压力感应范围在10g~10kg之间。
5.根据权利要求1所述的一种无人机起飞辅助车起飞系统,其特征在于,所述PID纠正控制器为模糊PID控制器,并使用蚁群算法整定参数,具体如下:
所述蚁群算法通过设定纠正性能指标,建立优化函数:
J=k1*yd+k2*td+k3*σd
其中,yd、td、σd分别为无人机侧向距离正差、纠正时间和航向角超调量,k1、k2、k3为权值,通过求解优化函数,得到最优PID参数;
所述模糊PID控制器以蚁群算法得到的最优参数为基础,通过模糊规则在纠正过程中在线调整PID参数:模糊规则以实时无人机航向角与设定航向角的误差以及误差变化率为输入,输出为PID控制器的3个参数KP、KI、KD的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD,通过在线调整参数,形成自整定模糊PID控制器;基本的模糊控制规则如下:当航向角误差大于设定高误差时,则KP增大,KI、KD减小;当航向角误差在设定的高误差和低误差之间时,则KP减小,KI、KD不变;当航向角误差小于设定的低误差时,则KP、KI增大;若航向角误差变化率较大时,KD减小;KP、KI、KD分别为比例系数、积分系数、微分系数。

说明书全文

一种无人机起飞辅助车起飞系统

技术领域

[0001] 本发明属于无人机技术领域,具体涉及一种无人机起飞辅助车起飞系统。

背景技术

[0002] 固定翼无人机的起飞方式有滑跑起飞、弹射起飞、手掷起飞等,部分长航时无人机由于其任务特殊性会采用起飞辅助车起飞方式。起飞辅助车在无人机滑跑起飞过程中充当无人机的起落架,当达到无人机起飞条件后,起飞辅助车与无人机分离。无人机起飞阶段是无人机作业时最重要的阶段之一,传统的起飞辅助车由操作员进行无线遥控,滑跑方向以及起飞速度主要依靠操作员的主观经验判断,这对操作员的素质要求高且无人机起飞效率较低。
[0003] 而现有的固定翼无人机起飞系统主要应用于自带起落架的无人机,不适用于无人机借助起飞辅助车起飞。主要原因在于:
[0004] 1.无人机借助起飞辅助车滑跑起飞时,要精准地对判断起飞条件。过早的释放无人机,无人机由于升不足会坠地;过晚的释放无人机,无人机会携带起飞车起飞。
[0005] 2起飞辅助车轮胎尺寸较小,整体高度较高且长航时无人机大多采用大展现比的结构,在滑跑过程中不正确地修正航向可能会引起的整体侧翻。
[0006] 因此,对于无人机起飞辅助车的研究是一个重要的方向,

发明内容

[0007] 为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种无人机起飞辅助车起飞系统,包括数据采集和控制系统、航向控制系统和地面端显示系统;数据采集和控制系统、航向控制系统设置于起飞辅助车上;地面端显示系统设置于地面,用于操作人员监控;数据采集和控制系统采集无人机的空速和压力数据,控制无人机起飞,并将数据传送给地面端显示系统;航向控制系统实时按照设定航向控制起飞辅助车的前进方向。本发明大幅度提高了对无人机起飞条件判断的准确性,从而提高无人机的起飞效率。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
[0009] 一种无人机起飞辅助车起飞系统,包括数据采集和控制系统、航向控制系统和地面端显示系统;所述数据采集和控制系统、航向控制系统设置于起飞辅助车上;所述地面端显示系统设置于地面,用于操作人员监控;
[0010] 所述数据采集和控制系统包括数据采集模、车载微控制器、数字信号传输模块和终端装置;所述数据采集模块包括空速测量模块和压力传感模块;
[0011] 所述终端装置包括无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,所述无人机释放装置为电磁设备,通过电磁吸附作用固定或释放无人机;所述起飞辅助车倒杆装置通过数字机控制起飞辅助车主支撑杆的倒杆;
[0012] 所述空速测量模块通过测量气流总压和静压以确定气流速度,得到空速数据;所述压力传感模块实时测量无人机对起飞辅助车的压力数据;
[0013] 所述车载微控制器通过总线通讯接收空速数据和压力数据,将空速数据和压力数据处理后输出PWM控制信号至无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,同时将空速数据和压力数据通过数字信号传输模块无线发送至地面端显示系统;所述无人机释放装置在无人机滑跑状态下通过电磁力吸附无人机,当接收到车载微控制器发出的释放无人机的信号后,断开电磁力,无人机在升力的作用下升空;所述起飞辅助车倒杆装置使用数字舵机进行控制,起飞辅助车倒杆装置在接收到车载微控制器发出的倒杆信号后,起飞辅助车主支撑杆随着舵机的转动而倒杆,降低起飞辅助车的高度,给无人机留下安全高度裕度;
[0014] 所述航向控制系统包括GPS模块和PID纠正控制器;所述GPS模块采集起飞辅助车的实时位置、无人机航向并且计算起飞辅助车相对于地面的绝对速度,并将实时的无人机航向角输入PID纠正控制器;所述PID纠正控制器收到无人机航向角后,根据设定的航向通过PID控制算法处理后发送信号到起飞辅助车的前轮转向舵机,控制起飞辅助车的滑跑航向;
[0015] 所述地面端显示系统包括移动计算机和数字信号传输模块;所述数字信号传输模块将无线接收到的空速数据和压力数据有线传输至移动计算机并在移动计算机屏幕上显示;操纵人员能够通过地面端显示系统实时监控无人机滑跑起飞过程中空速、压力数据。
[0016] 优选地,所述车载微控制器采用STM32F103C8T6单片机
[0017] 优选地,所述空速测量模块采用Pix32数字差动空速传感器
[0018] 优选地,所述压力传感模块采用RP‑S柔性薄膜压敏传感器,该压敏传感器使用温度为‑40℃~+85℃,压力感应范围在10g~10kg之间。
[0019] 优选地,所述PID纠正控制器为模糊PID控制器,并使用蚁群算法整定参数,具体如下:
[0020] 所述蚁群算法通过设定纠正性能指标,建立优化函数:
[0021] J=k1*yd+k2*td+k3*σd
[0022] 其中,yd、td、σd分别为无人机侧向距离正差、纠正时间和航向角超调量,k1、k2、k3为权值,通过求解优化函数,得到最优PID参数;
[0023] 所述模糊PID控制器以蚁群算法得到的最优参数为基础,通过模糊规则在纠正过程中在线调整PID参数:模糊规则以实时无人机航向角与设定航向角的误差以及误差变化率为输入,输出为PID控制器的3个参数KP、KI、KD的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD,通过在线调整参数,形成自整定模糊PID控制器;基本的模糊控制规则如下:当航向角误差大于设定高误差时,则KP增大,KI、KD减小;当航向角误差在设定的高误差和低误差之间时,则KP减小,KI、KD不变;当航向角误差小于设定的低误差时,则KP、KI增大;若航向角误差变化率较大时,KD减小;KP、KI、KD分别为比例系数、积分系数、微分系数。
[0024] 本发明的有益效果如下:
[0025] 1、本发明提高了无人机起飞辅助车的智能度,减少对操纵员的依赖。
[0026] 2、本发明利用空速测量模块监测空速,通过算法得到飞机升力,结合压力传感模块数据,组成起飞多变量复合释放系统。大幅度提高了对无人机起飞条件判断的准确性,从而提高无人机的起飞效率。
[0027] 3、基于蚁群算法与模糊PID的航向控制系统能够自主保持航向,极大地减少了起飞阶段起飞车侧翻情况,减少了动能损失,缩短了起飞距离与起飞时间,降低了起飞车对于跑道的要求,使整个起飞过程变得方便、安全、高效。附图说明
[0028] 图1为本发明数据采集和控制系统示意图。
[0029] 图2为本发明航向控制系统示意图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0031] 一种无人机起飞辅助车起飞系统,包括数据采集和控制系统、航向控制系统和地面端显示系统;所述数据采集和控制系统、航向控制系统设置于起飞辅助车上;所述地面端显示系统设置于地面,用于操作人员监控;
[0032] 所述数据采集和控制系统包括数据采集模块、车载微控制器、数字信号传输模块和终端装置;所述数据采集模块包括空速测量模块和压力传感模块;
[0033] 所述终端装置包括无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,所述无人机释放装置为电磁设备,通过电磁吸附作用固定或释放无人机;所述起飞辅助车倒杆装置通过数字舵机控制起飞辅助车主支撑杆的倒杆;
[0034] 所述空速测量模块采用Pix32数字差动空速传感器,通过测量气流总压和静压以确定气流速度,得到空速数据;所述压力传感模块采用RP‑S柔性薄膜压敏传感器,实时测量无人机对起飞辅助车的压力数据;
[0035] 所述车载微控制器采用STM32F103C8T6单片机,通过总线通讯接收空速数据和压力数据,将空速数据和压力数据处理后输出PWM控制信号至无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,同时将空速数据和压力数据通过数字信号传输模块无线发送至地面端显示系统;所述无人机释放装置在无人机滑跑状态下通过电磁力吸附无人机,当接收到车载微控制器发出的释放无人机的信号后,断开电磁力,无人机在升力的作用下升空;所述起飞辅助车倒杆装置使用数字舵机进行控制,起飞辅助车倒杆装置在接收到车载微控制器发出的倒杆信号后,起飞辅助车主支撑杆随着舵机的转动而倒杆,降低起飞辅助车的高度,给无人机留下安全高度裕度;
[0036] 所述航向控制系统包括GPS模块和PID纠正控制器;所述GPS模块采集起飞辅助车的实时位置、无人机航向角并且计算起飞辅助车相对于地面的绝对速度,并将实时的无人机航向角输入PID纠正控制器;所述PID纠正控制器收到无人机航向角后,根据设定的航向通过PID控制算法处理后发送信号到起飞辅助车的前轮转向舵机,控制起飞辅助车的滑跑航向;
[0037] 所述地面端显示系统包括移动计算机和数字信号传输模块;所述数字信号传输模块将无线接收到的空速数据和压力数据有线传输至移动计算机并在移动计算机屏幕上显示;操纵人员能够通过地面端显示系统实时监控无人机滑跑起飞过程中空速、压力数据。
[0038] 优选地,所述PID纠正控制器为模糊PID控制器,并使用蚁群算法整定参数,具体如下:
[0039] 所述蚁群算法通过设定纠正性能指标,建立优化函数:
[0040] J=k1*yd+k2*td+k3*σd
[0041] 其中,yd、td、σd分别为无人机侧向距离正差、纠正时间和航向角超调量,k1、k2、k3为权值,通过求解优化函数,得到最优PID参数;
[0042] 所述模糊PID控制器以蚁群算法得到的最优参数为基础,通过模糊规则在纠正过程中在线调整PID参数:模糊规则以实时无人机航向角与设定航向角的误差以及误差变化率为输入,输出为PID控制器的3个参数KP、KI、KD的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD,通过在线调整参数,形成自整定模糊PID控制器;基本的模糊控制规则如下:当航向角误差大于设定高误差时,则KP增大,KI、KD减小;当航向角误差在设定的高误差和低误差之间时,则KP减小,KI、KD不变;当航向角误差小于设定的低误差时,则KP、KI增大;若航向角误差变化率较大时,KD减小;KP、KI、KD分别为比例系数、积分系数、微分系数。
[0043] 具体实施例:
[0044] 一种无人机起飞辅助车起飞系统,包括数据采集和控制系统、航向控制系统、地面端显示系统。数据采集和控制系统和航向控制系统是两套独立的系统,在滑跑起飞过程中两个系统同时工作,数据采集和控制系统负责对起飞条件地判断,此期间航向控制系统不断修正无人机滑跑航向,使无人机始终沿特定方向滑行,在达到起飞条件后起飞辅助车迅速释放无人机,完成任务。
[0045] 数据采集和控制系统包括车载微控制器、空速测量模块、压力传感模块、无人机释放装置及起飞辅助车倒杆装置。数据采集和控制系统示意图如图1所示,车载微控制器采用STM32F103C8T6单片机,通过总线通讯接收空速测量模块采集的空速数据和压力传感模块采集的压力数据。将数据处理后输出PWM控制信号至无人机释放装置和起飞辅助车倒杆装置,同时将数据通过数字信号传输模块无线发送至地面端显示系统。操纵人员可以实时监控滑跑起飞过程中空速、压力等数据。
[0046] 空速测量模块采用Pix32数字差动空速传感器,通过测量气流总压和静压以确定气流速度,具有低偏移、高分辨率、抗干扰能力强等特点。压力传感模块采用RP‑S柔性薄膜压敏传感器,由综合机械性能优异的聚酯薄膜,高导电材料和纳米级压力敏感材料组成。其响应速度快、使用周期长、抗干扰、可定制形状。该压敏传感器使用温度为‑40℃~+85℃,压力感应范围在10g~10kg之间,适用于起飞辅助车的工作环境。
[0047] 无人机释放装置使用电磁设备实现无人机的固定与分离,无人机释放装置在接收到释放无人机的信号后,瞬间减少电磁力,无人机在升力的作用下升空。起飞辅助车倒杆装置使用数字舵机进行控制,起飞辅助车倒杆装置在接收到倒杆的信号后,主支撑杆随着舵机的转动而倒杆,瞬间减低起飞辅助车的高度,给无人机留下够的安全高度裕度。
[0048] 如图2所示,航向控制系统包括GPS模块和PID纠正控制器。GPS模块可以采集起飞辅助车的实时位置、车头指向方向并且计算出起飞辅助车相对于地面的绝对速。由于起飞辅助车车轮尺寸小,起飞设备整体重量较轻,跑道的凸起、坑洼和阵等因素都会对航向产生影响,在纠正过程中要避免出现速度损失或侧翻等问题。航向控制系统采用纠正航向角正差的航向控制方案,在降低无人机侧翻风险的同时降低无人机的动能消耗,缩短纠正时间,使无人机能够尽快达到起飞速度,减少滑跑距离。PID纠正控制器根据起飞辅助车的姿态输出信号至前轮舵机,进行航向控制。传统的PID参数整定方法是先将非线性模型线性化,然后进行PID参数整定,这种方法需要大量平衡点数据,效率低且效果不佳。本发明所述PID纠正控制器使用蚁群算法(ACO)和模糊PID控制器。所述蚁群算法(ACO)通过设定纠正性能指标,建立优化函数J=k1yd+k2td+k3σd(yd,td,σd分别为无人机侧向距离正差、纠正时间和航向角超调量k1,k2,k3为权值),得到最优的PID参数。所述模糊PID控制器可进一步提高PID纠正控制器的性能,模糊PID控制器以蚁群算法得到的最优参数为基础,通过模糊规则在纠正过程中在线调整PID参数,使无人机具有更好得纠正性能。模糊规则以无人机航向角误差和误差变化率为输入,输出为PID控制器的3个参数KP、KI、KD的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD,通过在线调整KPfuzz、KIfuzz、KDfuzz,形成自整定模糊PID控制器,有效提高控制系统纠正性能。基本的模糊控制规则如下:当航向角误差较大时,则KP增大,KI,KD减小;当航向角误差适中时,则KP适当减小,KI,KD取值适中;当航向角误差较小时,则KP,KI增大,若航向角误差变化率较大时,KD减小,否则适中。
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