一种小型飞行器自动驾驶系统与方法与流程

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种小型飞行器自动驾驶系统与方法。

背景技术：

小型载人飞行器，例如旋翼飞机机或固定翼飞机，本质上是不稳定的，通常需要驾驶员利用一只手来保持与周期变距操纵杆的持续相互作用，甚至是周期变距操纵杆的瞬间松开都会导致周期变距操纵杆或控制杆的“抖动”，伴随的是对小型飞行器失去控制。当驾驶员需要参与双手活动时，诸如例如调节头戴式送受话器或者参照地图的硬拷贝时，这样特别不方便。此外，对周期变距操纵杆进行持续控制的需要会使驾驶员变得疲劳。

传统的自动驾驶仪能够提供多方面的益处，包括允许驾驶员释放周期变距操纵杆以参与双手任务，以及减轻驾驶员的疲劳。然而，申请人认识到，传统的中大型飞行器的自动驾驶仪的成本非常高，而现有的小型飞行器通常是人工操作的。例如，传统的或常规的自动驾驶仪的成本与小型飞行器本身的成本相比是如此之高以至于在轻型小型飞行器中很难见到自动驾驶仪，而且传统小型载人飞行器在驾驶过程中获得的数据不够准确，安全性低，不能监测并存储飞行器工作状态。

因此，本领域急需一种价格低廉且自动驾驶安全高效的小型飞行器自动驾驶系统与方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有小型载人飞行器的缺陷，提供了一种小型飞行器自动驾驶系统与方法，并具有以下优点：模块化的设计，便于元器件更换和软硬件升级，按照集成化、小型化设计，自我保护功能完善，操作简便，提高了安全性降低了对用户操作技能的要求，稳定性高，成本低。

本发明的目的是这样实现的：

一种小型飞行器自动驾驶系统，所述小型飞行器自动驾驶系统安装在小型载人飞行器上，所述小型载人飞行器具有自动驾驶及手动驾驶两种操控模式，所述系统包括嵌入式控制单元、与嵌入式控制单元输出端通信相连的驱动单元以及与嵌入式控制单元输入端分别通信连接的惯导模块、通用GPS模块和数据采集单元，其中，

所述惯导模块用于测量飞行姿态和控制信息，其包括三向加速度计、陀螺仪和高度表；

所述数据采集单元包括单片机、以及与单片机的AD转换器分别相连的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，所述第一霍尔传感器用于测量旋翼的转速，所述第二霍尔传感器用于测量螺旋桨的转速，所述单片机用于采集传感器数据并对采集的数据进行预处理后传输给嵌入式控制单元进行分析计算；

所述驱动单元包括功率驱动模块、以及与功率驱动模块分别通信相连的横滚电机、俯仰电机和航向电机；

所述嵌入式控制单元通过调取惯导模块、通用GPS模块和数据采集单元的数据信息，并通过功率驱动模块控制横滚电机、俯仰电机和航向电机，从而改变小型载人飞行器的俯仰、横滚或航向控制，实现自动驾驶。

优选地，所述数据采集单元还包括与单片机的AD转换器分别相连包括空速传感器、缸温传感器、油量传感器和水温传感器。

优选地，所述嵌入式控制单元是利用嵌入式计算机系统作为机载控制中心，辅助以外部扩展电路，能够实现导航控制、数据采集、数据处理和无线通讯的功能，所述嵌入式计算机系统为ARM11处理器。

优选地，所述嵌入式控制单元通过DC/DC转换器与电源相连，所述电源为12V，所述DC/DC转换器还连接有预旋电机。

优选地，所述嵌入式控制单元还连接有声光报警模块，所述声光报警模块在小型载人飞行器工作不稳定状态或根据所述通用GPS模块预设的禁飞区域进行报警。

优选地，所述嵌入式控制单元还连接有数据存储模块、无线通讯模块和视频采集模块，所述无线通讯模块为数传电台，所述数据存储模块用于保存飞行过程中飞行姿态、航线、视频及各传感器的数据。

优选地，所述嵌入式控制单元包括第一判断模块、第二判断模块和第三判断模块(17)，所述第一判断模块用于根据惯导模块判断所述小型载人飞行器横滚是否越界，所述第二判断模块用于根据惯导模块判断所述小型载人飞行器俯仰是否越界，所述第一判断模块用于根据惯导模块和通用GPS模块判断所述小型载人飞行器航向是否越界。

相应的本发明还提供一种小型飞行器自动驾驶系统的实现方法，所述方法包括如下步骤：

S201启动单片机，通过第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、空速传感器、缸温传感器、油量传感器和水温传感器采集数据，并对小型载人飞行器参数进行初始化设置；

S202嵌入式控制单元启动惯导模块和通用GPS模块，并生成线程；

S203在选择自动驾驶操控模式时，嵌入式控制单元读取所述惯导模块数据，计算并调整所述小型载人飞行器的飞行姿态；

S204显示实时高度、航向、发动机和传感器的数据，并对数据进行储存。

优选地，计算并调整所述小型载人飞行器的飞行姿态线，具体为：

S2031在第一判断模块判断出横滚越界时，判断差值是否大于零，若是，则控制横滚电机正转，否则，则控制横滚电机反转；

S2032在第二判断模块判断出俯仰越界时，判断差值是否大于零，若是，则控制俯仰电机正转，否则，则控制俯仰电机反转；

S2033在第三判断模块判断出航向越界时，判断差值是否大于零，若是，则控制航向电机正转，否则，则控制航向电机反转；

优选地，在选取手动驾驶操控模式后，通过数据存储模块对数据进行储存，所述数据存储模块为SD卡。

由此可见，本发明提供了一种价格低廉且自动驾驶安全高效的小型飞行器自动驾驶系统与方法，通过应用本发明的技术方案，采用数字化技术，提高测量精度，可靠性和安全性，模块化的设计，便于元器件更换和软硬件升级，按照集成化、小型化设计，自我保护功能完善，操作简便，提高了安全性降低了对用户操作技能的要求，稳定性高，成本低。

附图说明

图1为本申请提出的小型飞行器自动驾驶系统示意图；

图2为本申请提出的小型飞行器自动驾驶方法流程图；

图3为本申请提出的小型飞行器自动驾驶方法流程图。

具体实施方式

有鉴于现有技术中传统的中大型飞行器的自动驾驶仪的成本非常高，而且现有的小型飞行器没有自动驾驶功能，操作比较复杂，稳定性低、不能自动获取相关数据的问题，本发明提供了一种小型飞行器自动驾驶系统与方法。

为了进一步阐述本发明的技术思想，结合具体应用场景对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，为本申请提出的一种小型飞行器自动驾驶系统，所述小型飞行器自动驾驶系统安装在小型载人飞行器上，所述小型载人飞行器具有自动驾驶及手动驾驶两种操控模式，所述系统包括嵌入式控制单元1、与嵌入式控制单元1输出端通信相连的驱动单元5以及与嵌入式控制单元1输入端分别通信连接的惯导模块2、通用GPS模块3和数据采集单元4，

其中，通用型GPS模块为GPS传感器，用于测量地理位置信息，结合嵌入式控制单元计算，输出飞行路线信息，并记录飞行线路，划分禁飞区域及其他障碍提示等；

所述惯导模块2用于测量飞行姿态和控制信息，其包括三向加速度计21、陀螺仪22和高度表23；

所述数据采集单元4包括单片机41、以及与单片机41的AD转换器分别相连的第一霍尔传感器42和第二霍尔传感器43，所述第一霍尔传感器42用于测量旋翼的转速，所述第二霍尔传感器43用于测量螺旋桨的转速，所述单片机41用于采集传感器数据并对采集的数据进行预处理后传输给嵌入式控制单元1进行分析计算；

所述驱动单元5包括功率驱动模块51、以及与功率驱动模块51分别通信相连的横滚电机52、俯仰电机53和航向电机54；

所述嵌入式控制单元1通过调取惯导模块2、通用GPS模块3和数据采集单元4的数据信息，并通过功率驱动模块51控制横滚电机52、俯仰电机53和航向电机54，从而改变小型载人飞行器的俯仰、横滚或航向控制，实现自动驾驶。其中，电机采用三组直流减速电机，功率30瓦，通过大功率半导体驱动器，驱动执行电机正反转，控制飞行器操纵杆及尾舵，达到控制俯仰，横滚，航向等，闭环响应时间小于100毫秒。

需要说明的是，本申请的采用半导体惯性传感器，包含加速度计，陀螺，高度表等传感器与嵌入式处理器构成捷联式惯导系统，并与GPS定位系统进行系统修正，达到数据可靠目的；并利用空速管结合惯导系统进行飞行速度修正，采集如螺旋桨、旋翼转速、发动机状态信号监测并存储飞行器工作状态；利用嵌入计算机输出控制信号驱动电机等执行部件，控制航向，横滚，俯仰等，达到自动驾驶目的。

在具体的应用场景中，所述数据采集单元4还包括与单片机41的AD转换器分别相连包括空速传感器44、缸温传感器45、油量传感器46和水温传感器47。

需要说明的是，传感器还有如下：油量传感器，采用超声测距方式，在1米范围内可精确到3毫米。根据油箱的截面积刻度后应用显示在液晶屏，测量精度10％；水温传感器，插入式热敏电阻测量冷却液温度，测量精度1度；发动机温度传感器，采用热电偶进行测量，精度1度；电压传感器，测量电源电压，精度0.1V；空速传感器，即空速管经过气压传感器及温度传感器修正后测量空速，并与惯性加速度计积分值相互补偿修正后显示在液晶屏。

在具体的应用场景中，所述嵌入式控制单元1是利用嵌入式计算机系统作为机载控制中心，辅助以外部扩展电路，能够实现导航控制、数据采集、数据处理和无线通讯的功能，所述嵌入式计算机系统为ARM11处理器。

需要说明的，自动驾驶系统有两个处理器，前端预处理单片机，负责采集来自个传感器的数据，包括，旋翼转速，螺旋桨转速，由计数器完成，通过HIS输入测量油箱液面，通过A/D转换，采集发动机缸温，散热器水温，空速传感器等数据，打包后传送给主处理器。嵌入计算机采用ARM11，作为主处理器，负责采集来自惯性导航模块的传感器数据，计算数学模型，采集来自得出计算结果，输出控制信号到执行电机及其他输出设备。嵌入式控制单元采用arm11嵌入式处理器，10.4寸液晶显示器，背光处理，显示有关飞行参数及传感器数据，同时具有黑匣子功能，保存飞行过程中飞行姿态，航线，及各传感器的数据，可通过网络接口或SD卡，导出数据到电脑进行回放。前沿处理器(单片机)采用带A/D转换和PCA功能的单片机做分布式处理采集相应传感器数据及预处理，通过串行接口传送给主处理器(嵌入式控制单元)进行分析计算。

在具体的应用场景中，述嵌入式控制单元1通过DC/DC转换器与电源相连，所述电源为12V，所述DC/DC转换器还连接有预旋电机。

其中，采用DC_DC形式将12V直流电源转换为强弱系统所需，并进行隔离，提高了系统可靠性。

在具体的应用场景中，所述嵌入式控制单元1还连接有声光报警模块11，所述声光报警模块11在小型载人飞行器工作不稳定状态或根据所述通用GPS模块3预设的禁飞区域进行报警。其中，小型载人飞行器工作不稳定状态是指传感器检测到的数据超出预设的服务表规定正常状态的预设值。

在具体的应用场景中，所述嵌入式控制单元1还连接有数据存储模块12、无线通讯模块13和视频采集模块14，所述无线通讯模块13为数传电台，所述数据存储模块12用于保存飞行过程中飞行姿态、航线、视频及各传感器的数据。

其中，采用数传电台，通讯频率340M，输出功率50w.可传输一定带宽的声音和图象信号。

在具体的应用场景中，所述嵌入式控制单元1包括第一判断模块15、第二判断模块16和第三判断模块17，所述第一判断模块15用于根据惯导模块2判断所述小型载人飞行器横滚是否越界，所述第二判断模块16用于根据惯导模块2判断所述小型载人飞行器俯仰是否越界，所述第一判断模块15用于根据惯导模块2和通用GPS模块3判断所述小型载人飞行器航向是否越界。

本发明提供一种小型飞行器自动驾驶系统的实现方法，如图2所示，所述方法包括如下步骤：

S201启动单片机41，通过第一霍尔传感器42、第二霍尔传感器43、空速传感器44、缸温传感器45、油量传感器46和水温传感器47采集数据，并对小型载人飞行器参数进行初始化设置；

S202嵌入式控制单元1启动惯导模块2和通用GPS模块3，并生成线程；

S203在选择自动驾驶操控模式时，嵌入式控制单元1读取所述惯导模块2数据，计算并调整所述小型载人飞行器的飞行姿态；

其中，计算并调整所述小型载人飞行器的飞行姿态线，具体为：

S2031在第一判断模块15判断出横滚越界时，判断差值是否大于零，若是，则控制横滚电机52正转，否则，则控制横滚电机52反转；

其中，差值是设定的临界值或者阻尼系数。

S2032在第二判断模块16判断出俯仰越界时，判断差值是否大于零，若是，则控制俯仰电机53正转，否则，则控制俯仰电机53反转；

S2033在第三判断模块17判断出航向越界时，判断差值是否大于零，若是，则控制航向电机54正转，否则，则控制航向电机54反转；

S204显示实时高度、航向、发动机和传感器的数据，并对数据进行储存。

在具体的应用场景中，在选取手动驾驶操控模式后，通过数据存储模块12对数据进行储存，所述数据存储模块12为SD卡。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。(基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施场景所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。