专利名称：一种无人直升机自动导航系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及导航技术领域，属于智能控制，具体地说是用于无人直升 机、无人旋翼机的自动导航系统，目的是实现直升机无人驾驶和智能自主 飞行。
背景技术：
目前，无人直升机的自动导航系统正在成为全球的研究热点，尤其是
重量为5公斤以下的无人直升机、旋翼机，都是采用地面遥控驾驶方式， 即由操作手手持遥控器遥控无人直升机飞行的方向和路径，实现飞行。这 种地面遥控驾驶方式，操控不便，飞行线路不精准，续航距离有限。
发明内容
本发明的目的是为无人直升机提供一种可实现自动导航的系统，以实 现无人直升机的自动驾驶控制，并支持遥控驾驶和自动驾驶之间的自由切 换，实现无人直升机的智能控制。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是
一种无人直升机自动导航系统，包括模型直升机、地面控制中心两部 分，其中，模型直升机上设有嵌入式控制单元、无线通讯装置和电池组，
地面控制中心包括计算机、无线通讯装置和地面遥控器；直升机上还设有
导航单元，包括自动导航中心处理单元、全球卫星定位单元、陀螺仪惯性 导航单元和一个高度计传感器，这些设备与嵌入式控制单元电连接，采集 的数据全部输入到嵌入式控制单元中，由控制单元进行数据处理，并实现
自动导航；
各组成部分之间按常规电连接；
各种电器、电子装置置于外壳内，固装于设备托盘上,设备托盘水平 设置，四角以橡胶带与遥控直升机的起落架软性连接；
导航单元与地面控制中心的计算机之间为无线通讯连接。
所述的自动导航系统，其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，并在原有的遥控回路中增加了一个多路 切换装置，该切换装置能够通过地面控制计算机或遥控器的一个通道实现 自动导航和手动驾驶之间的切换。
所述的自动导航系统，其所述地面部分和空中无人直升机之间为无线 通讯连接，无线通讯部分包括无人直升机的手动驾驶遥控器和接收器，以 及自动导航系统提供的无线通讯模块建立的无线链路。
所述的自动导航系统，其所述地面控制中心的无线通讯模块和手动遥 控器的无线通讯在两个通讯频段上，地面控制中心采用315腿Z频段，手 动遥控采用47MHZ频段，以保证二者之间的通讯不受干扰。
所述的自动导航系统，其所述起落架，该尺寸大于现有航模直升机起 落架。
所述的自动导航系统，其所述嵌入式计算机系统，以A固9.0为中央 控制器。
所述的自动导航系统，其所述卫星定位单元，包括卫星定位接收器和
卫星定位天线，在同时锁定4颗以上卫星的情况下，以1HZ的速率更新定
位数据。
所述的自动导航系统，其所述惯性导航单元，结合了三个方向角速率
陀螺仪，三向加速度计，三轴磁强计，在三轴360度的运动状态下，提供 角度为欧拉角，四元素和矩阵格式的数据。
所述的自动导航系统，其所述橡胶带与遥控直升机的起落架软性连 接，是橡胶带一段固接于设备托盘的四角，另一端通过起落架上的固定环 与起落架的支柱相连。
本发明的自动导航系统，以模型直升机为实施例，以嵌入式控制系统 为控制核心，实现了无人直升机的自动导航和飞行。实际飞行实验验证了 本发明的有效性，使无人直升机的飞行路线精准，续航距离增大，同时本 发明的系统也适用于重量和体积更大的无人直升机自动导航。
本发明的突出特点是利用嵌入式计算机系统作为机载控制中心，在原 有的遥控模型直升机上进行必要的电器和机械改造，使得遥控模型直升机
具有自主导航和飞行的功能。进行的机械改造包括将遥控直升机原有的 起落架去掉，更换为适合安装自动导航设备的起落架。电器改造包括在 原有的遥控回路中增加了一个多路切换装置，该切换装置能够通过地面控 制计算机或遥控器的一个通道实现自动导航和手动驾驶之间的切换；在遥 控直升机上，一 安装了多种传感器设备，包括PGS接收机和航空天线，惯性
导航设备，高度计传感器，这些传感器设备采集的数据全部进入到嵌入式 控制中心中，由控制中心进行数据处理，并实现自动导航。
图1为本发明的无人直升机自动导航系统示意图；上部为直升机和机载 设备；下部为地面控制站。图中 1一一无人直升机
2 _—设备外壳
3 _—起落架
4 —一柔性连接 5——设备托盘
6 — 一高度计
7 — 一嵌入式控制器(包含多路开关) 8—一无线通讯模块
9 _— GPS接收机
10 — —惯性导航单元 11一_电池组
12 — 一 GPS接收天线
13 _ —无线通讯模块
14 一一地面控制计算机
15 — 一地面操作员
16 — —直升机遥控器
具体实施例方式
本发明的无人直升机自动导航系统，是利用嵌入式智能控制技术、为 直升机设计的自动导航和自动驾驶系统，该系统可适用于各种遥控航模直 升机、无人直升机的自动驾驶控制，以及遥控旋翼模型飞机的自动导航控 制，实现无人直升机、旋翼机的自主飞行，在人为可控制或可限制的范围 内，按照操作员给定的飞行路径，完成指定的飞行任务或巡航任务。
一种无人直升机自动导航系统，由无人直升机、自动导航中心处理单 元、全球卫星定位系统(GPS)单元和陀螺仪惯性导航单元组成，其特征 在于提供了一套完整的导航系统，包括地面控制中心，和空中控制载体 两部分。其中地面控制中心由个人计算机、无线通讯装置组成，二者之间 为电连接；空中控制载体由无人直升机本体、嵌入式控制单元、导航单元、 无线通讯装置和电池组组成，各组成部分之间按常规电连接。
利用嵌入式计算机系统作为机载控制中心，在原有的遥控模型直升机 上进行必要的电器和机械改造，使得遥控模型直升机具有自主导航和飞行 的功能。进行的机械改造包括将遥控直升机原有的起落架去掉，更换为 适合安装自动导航设备的起落架。电器改造包括在原有的遥控回路中增 加了一个多路切换装置，该切换装置能够通过地面控制计算机或遥控器的 一个通道实现自动导航和手动驾驶之间的切换；在遥控直升机上，安装了 多种传感器设备，包括PGS接收机和航空天线，惯性导航设备，高度计传 感器，这些传感器设备采集的数据全部进入到嵌入式控制中心中，由控制 中心进行数据处理，并实现自动导航。
其地面部分和空中飞行载体部分之间为无线通讯连接，无线通讯部分
包括航模直升机的手动驾驶遥控器和接收器，以及自动导航系统提供的无 线通讯模块建立的无线链路。
其地面控制中心包括控制计算机、无线通讯模块、手动遥控器，其中 无线通讯模块和手动遥控器的无线通讯必须安排在两个差别较大的频段 上，以保证二者之间的通讯不受干扰。
其空中控制载体部分的模型直升机经过改造，将原有直升机起落架换 成自制的起落架，增加了起落架的高度和强度，以便安装各种电器、电子 装置。
其所述嵌入式中心控制单元以A脂9.0为中央控制器，辅以外部扩展 电路组成，能够实现导航控制、数据采集、数据处理和无线通讯的功能。
其所述GPS单元由GPS接收器和高精度GPS天线组成，要求在同时锁 定4颗以上卫星的情况下，以1HZ的速率更新定位数据。
其惯性导航装置，结合了三个方向角速率陀螺仪，三向加速度计，三 轴磁强计，在三轴360度的运动状态下，能够提供角度在欧拉角、四元素 和矩阵格式的数据。
其所述空中控制载体部分还包括一个高度计传感器，能够提供直升机 的飞行高度。
其所述嵌入式中心控制单元以ARM9.0为中央控制器，辅以外部扩展 电路组成，能够实现导手动遥控/自动导航切换、导航控制、数据采集、 数据处理和无线通讯的功能。
请参阅图1。本发明的系统由两部分组成直升机和机载设备，地面 控制站。在直升机和机载设备中，无人直升机1的起落架3为特制的装置，
尺寸比原有的起落架大，以便适合安装机载自动导航设备。机载自动导航
设备包括高度计6，嵌入式控制器(ARM) 7，无线通讯模块8、 GPS接收机 9和GPS天线12，惯性导航装置10，以及为这些设备提供电能的电池组 11。其中设备6、 7、 8、 9、 10、 11集中安装在一个铝制的外壳2内，外 壳2在受到外力冲击的时候起到保护内部设备的作用。起落架3通过固定 螺丝与直升机l连接，起落架下部带有一个设备托盘5，用于支撑机载导 航设备。托盘通过四个柔性橡胶带4连接在起落架上的固定环上，柔性连 接4的目的是减小直升机飞行过程中的高频震动对自动导航设备的影响。 高度计6，无线通讯模块8， GPS接收机9以及惯性导航装置10分别通过 串行接口与嵌入式控制器(A固9) 7连接，电池组11分别为上述设备提供 电源。
地面控制站主要由地面控制计算机14、无线通讯模块13、模型直升 机遥控器16和地面操作员15组成。其中无线通讯模块13通过串口与地 面控制计算机14连接，地面操作员直接操作地面控制计算机14和遥控器 16，以切换直升机的导航与驾驶方式手动遥控驾驶或自动导航驾驶。
本发明的工作原理
使用本发明系统进行直升机自动导航时，首先，由地面操作员启动地 面控制计算机和机载导航装置，建立无线通讯模块的通讯连接，机载嵌入 式控制器采集高度计、全球卫星定位系统(GPS)，惯性导航设备的数据， 使卫星定位(GPS)单元至少锁定4个卫星。以当前卫星定位(GPS)的经 纬度作为惯性导航单元的初始值。然后操作员通过地面控制计算机的键盘 和人机界面，将直升机的驾驶方式设定为手动遥控驾驶方式，使用遥控器
手动驾驶模型直升机启动并进入正常飞行状态。在手动遥控驾驶过程中，
机载的自动导航设备不间断地记录下直升机的飞行路径和姿态，并通过无
线通讯模块将数据发送到地面控制计算机中。接下来，操作员可通过地面
控制计算机的键盘按键切换到自动导航状态，机载的导航设备进入自动导
航控制方式。此时嵌入式控制器一边监听地面站的指令， 一边使直升机处
于悬停状态，当接收到地面控制站给定的目标点之后，嵌入式控制器以当
前直升机的位置和姿态为起始点，以接收到的目标点为终点，通过计算规
划出直升机的运动方向和速度，并控制直升机到达目标点。直升机到达目
标点之后，进入悬停状态，等待地面站的指令。
本实施例中，遥控模型直升机采用了美国产的雷虎90型混合燃料直
升机，遥控器为9通道，频率设定为47MHZ，遥控距离为半径1500米，GPS 设备为美国产superstar接收机和航空天线，嵌入式系统选用了ARM9系 列的AT91RM9200，惯性制导单元为3DM-GX1复合惯性导航单元，电池组选 用了锂电池。地面控制计算机为IBM-51R系列笔记本电脑，无线通讯模 块为通讯距离为2000米的无线数传模块，通讯频率设定为315MHZ。
使用本发明系统，采用实现实例的配置，通过实验验证了本发明系统 的有效性。
权利要求
1、一种无人直升机自动导航系统，包括无人直升机、地面控制中心两部分，其中，无人直升机上设有嵌入式控制单元、无线通讯装置和电池组，地面控制中心包括计算机、无线通讯装置和地面遥控器；其特征在于无人直升机上还设有导航单元，包括自动导航中心处理单元、全球卫星定位系统单元、陀螺仪惯性导航单元和一个高度计传感器，这些设备与嵌入式控制单元电连接，采集的数据全部输入到嵌入式控制单元中，由控制单元进行数据处理，并实现自动导航；各组成部分之间按常规电连接；各种电器、电子装置置于外壳内，固装于设备托盘上，设备托盘水平设置，四角以橡胶带与无人直升机的起落架软性连接；导航单元与地面控制中心的计算机之间为无线通讯连接。
2、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述嵌入式控 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，并在原有的 遥控回路中增加一个多路切换装置，该切换装置能够通过地面控制计算机 或遥控器的一个通道实现自动导航和手动驾驶之间的切换。
3、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述地面部分 和空中无人直升机之间为无线通讯连接，无线通讯部分包括无人直升机的 手动驾驶遥控器和接收器，以及自动导航系统提供的无线通讯模块建立的 无线链路。
4、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述地面控制 中心的无线通讯模块和手动遥控器的无线通讯是在两个频段上，地面控制中心采用300MHZ频段，手动遥控采用40MHZ频段，以保证二者之间的通 讯不受干扰。
5、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述起落架， 该尺寸大于现有航模直升机起落架。
6、 如权利要求2所述的自动导航系统，其特征在于所述嵌入式计算机系统，以ARM9.0为中央控制器。
7、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述卫星定位 单元，包括卫星定位接收器和卫星定位天线，在同时锁定4颗以上卫星的 情况下，以1HZ的速率更新定位数据。
8、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述惯性导航 单元，结合了三个方向角速率陀螺仪，三向加速度计，三轴磁强计，在三 轴360度的运动状态下，提供角度为欧拉角，四元素和矩阵格式的数据。
9、 如权利要求1所述的自动导航系统，其特征在于所述橡胶带与 遥控直升机的起落架软性连接，是橡胶带一段固接于设备托盘的四角，另 一端通过起落架上的固定环与起落架的支柱相连。
全文摘要
本发明一种无人直升机自动导航系统，由无人直升机、自动导航中心处理单元、全球卫星定位系统(GPS)单元和陀螺仪惯性导航单元组成。无人直升机采用遥控航模赛直升机改造而成，能够在自动驾驶和手动驾驶模式之间切换；自动导航中心处理单元为嵌入式ARM控制器和外部扩展接口组成；GPS单元由GPS接收机和高精度接收天线组成；陀螺仪惯性导航单元由陀螺仪和数据采集电路组成。本发明的自动导航系统，实现了无人直升机的自动导航和自主飞行控制。
文档编号G01C21/20GK101382426SQ20071012136
公开日2009年3月11日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者侯增广, 超 周, 曹志强, 猛 柏, 王晓东, 胡勇强, 民 谭, 赵晓光, 邓海波 申请人:中国科学院自动化研究所