无人直升机实时机载和地面站软件架构设计

研究了无人直升机飞行控制系统实时软件系统设计架构,针对机载嵌入式飞控计算机系统和地面站计算机系统,提出了基于VxWorks实时操作系统的多线程任务机载软件设计方案和基于WindowsXP操作系统的地面站软件设计方案,有助于加快完成无人直升机飞行控制系统的设计和验证。机载系统软件设计为数据采集和测量、伺服舵机驱动、飞行控制与发动机控制实现、通信和数据请求存储等功能。地面站系统软件设计为与机载系统的数据通信、终端用户操控,以及实时飞行状态监视等功能。利用组件对象模型设计技术实现了系统软件设计的模块化、软件结构分层组件化,方便了软件系统的集成与扩展。采用多任务线程机制,有效地满足了飞行控制系统实时性要求。利用实时操作系统的定时器任务机制,确保飞行模式的任务管理和调度。依据所提出的软件设计架构完成了实时机载软件和地面站软件组件模块的设计与开发,而且软件集成快捷方便。研究成果已成功应用于某型无人直升机飞行控制系统。     

自主飞行机器人导航系统设计

自主飞行机器人系统是以微型直升机模型为载体的复杂系统。在该系统中导航系统采集各传感器数据得到机器人当前飞行姿态、空间位置以及相应的监控信息,控制模块依此监控信息按照给定策略计算并发出控制信号,实现飞行机器人的自主控制。本文对自主飞行机器人导航系统设计及功能实现做出了详细阐述。首先,给出了本自主飞行机器人的系统构造;其次,给出了导航系统的硬件组成部分以及各部分所完成的功能任务;最后阐述了导航系统的功能实现,包括飞行姿态和空间位置的获取。     

基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统

为实现无人直升机的先进飞行控制算法,设计基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统。DSP数字信号处理能力强,主要实现复杂的飞行控制算法;FPGA作为DSP的协处理器,主要实现传感器信号的采集和处理、舵机驱动以及地面站监控。由于任务分配合理,该系统计算能力强、实时性好、灵活度高,为实现先进飞行控制算法提供了良好的硬件基础。通过无人直升机姿态控制实验验证了该系统的有效性。     

基于ARM的空中机器人飞行控制系统的设计

提出了一种基于ARM9内核的嵌入式处理器S3C2440的空中机器人飞行控制系统的设计方案,详细介绍了系统的硬件结构组成及基于嵌入式Linux操作系统的飞行控制软件设计,并描述了软件的功能划分和控制策略的实现。该飞行控制系统使空中机器人具备遥控遥测、指令处理、姿态控制飞行和自主导航等功能,成本低、性能高。     

基于VxWorks的无人直升机控制系统设计

组建了一种基于嵌入式实时操作系统VxWorks平台的无人直升机控制系统,实现远距离无人直升机飞行状态信息传输,接收地面基站命令后完成自主定点飞行任务.主要利用基于优先级的消息队列方法和嵌入式操作系统VxWorks的信号量与看门狗定时功能实现多任务问调度,获得飞行状态数据向地面基站传输与自主定点飞行的同步.通过实验飞行,该系统的正确性与可靠性得到了验证.     

无人直升机分布式飞行控制与虚拟资源网

控制组件动态配置/重构可使无人直升机飞行控制系统适应自身条件和/或外部环境的变化,实现自主飞行.本文介绍一种无人自主飞行直升机分布式控制系统结构方案,提出了虚拟资源网在无人直升机飞行控制系统中的全新应用,实现控制组件的分布式计算和动态配置/重构.控制组件设计在地面站或不同的机载计算机系统上,构成分布式飞行控制系统.虚拟资源网为无人直升机依据任务在线要求重配所能得到的资源提供了独特的能力.控制组件以网络资源形式实现使组件具有灵活性、重用性和即插即用能力,可缩短无人了直升机飞行控制系统的研发周期.     

小型无人直升机点对点数据链系统设计

无人直升机远距离飞行需要安全可靠的数据链传输系统,以Compulab公司的嵌入式核心板CM-t3530为基站的主要硬件载体,通过对无人机遥控器信号、控制器参数和目标队列的数据融合与编码.采用点对点数据链通信协议,设计了数据链通信的消息标准,实现了无人机和地面站的空地数据的实时可靠传输.实验结果表明,点对点数据链系统能够有效解决远距离通信不可靠的问题,能够满足无人直升机远距离飞行的要求.     

小型无人直升机自主控制系统介绍

介绍了一种小型无人直升机的自主控制系统,该系统可以实现小型无人直升机的自主姿态控制、任务规划、视频图像处理等功能,具有模块化程度高、成本低等优点。系统分为机载部分和地面站部分,机载部分负责飞机姿态控制,地面站部分负责任务规划及图像处理。机载部分各模块之间采用双余度总线通讯,可有效提高通讯可靠性。     

基于AVR的电源管理系统的设计

为了能实时监控无人机电源系统的状态和提高无人机的安全可靠性,利用Atmega16l丰富的资源和接口,设计了一套无人机电源管理系统;该系统通过单片机采集供电电源和备用电源的电压,根据这些数据以及地面站的控制命令,对两组电源进行充放电管理;该系统采用了无线射频模块XT09-SI,利用其长距离特性及高级网络安全等特点,将单片机采集到的电源信息发送给地面站,并接收地面监控平台发送过来的充放电等控制命令。实验结果表明该系统能自主完成机载电源的充放电管理,快速准确的传输飞机的电源、控制等信息,能够保障自主飞行时无人直升机的安全。     

邻域约束下空地异构机器人系统路径规划方法

针对一类带邻域约束的空地异构机器人系统的路径规划问题,提出了一种利用混合整数凸优化模型进行求解的方法.异构机器人系统由一台空中飞行机器人与一台地面自主移动机器人构成.机器人系统的任务是按给定顺序访问已知的目标序列.由于空中机器人每次持续飞行时间受限,因此必须及时返回地面机器人以节省能量或补充能量.分别考虑了空中飞行机器人和地面移动机器人的最大运动速度,空中飞行机器人的最小充电时间、最大滞空时间,以及各目标位置的邻域等约束,以完成所有目标序列访问任务的总时间最短为代价,建立了相应的目标优化模型,从而将机器人系统的路径规划问题转化为混合整数凸优化问题.基于建立的凸优化模型,考虑飞行机器人起降过程的时间消耗,分析了无人机起降过程的敏捷性能对路径规划结果的影响.最后通过仿真实验验证了所提方法的可行性和有效性.     

旋翼微小型无人机地面站系统的设计与实现

针对旋翼机的控制复杂性,设计一套面向旋翼式微小型无人机的地面控制站系统。利用该系统可进行航迹设定和任务规划,存储和回放飞机航行记录,接收航拍图像,并通过对旋翼式无人机虚拟模型和视频图像的融合处理,实时显示飞机飞行姿态、位置及运行状态,实现旋翼式微小型无人机的超视距遥控,具有直观、形象的良好操控性能。     

基于3D GIS无人直升机地面站系统软件设计与实现

为了实现无人直升机地面站系统的空间数据处理、三维可视化和导航的功能,提出了基于3D GIS无人直升机地面站系统软件设计及其实现的方法.首先对无人直升机的整体系统框架进行说明,然后对地面站系统的软件框架设计和各个功能模块做了详细的分析,在此基础上重点分析了利用World Wind Java软件开发包来实现3D GIS导航的过程.整个地面站软件系统使用Java语言编写,嵌入3DGIS.最后以实例证明了该地面站系统软件的可行性,并且具有良好的可移植性和可扩充性.     

基于姿态随动技术的直升机低高度测量

在飞行试验中悬停性能是直升机性能的重要试飞科目。该科目科研试飞鉴定要求有大量的样本数据(海拔、温度、重量、构形的组合)以获取比较准确的试验结论。其中,离地高度是悬停科目试飞与小速度科目试飞中的关键参数。直升机的低高度信息通常由气压式高度传感器、无线电高度表获取。由于受到地面效应、姿态、风速风向等诸多因素的干扰,从而无法保证高精度和可靠性。激光测距逐渐成为一种先进的测量手段应用于直升机低高度测量中。但是在具体实施过程中由于直升机机动飞行姿态变化导致激光高度测量的误差增大与失效。通过机载姿态跟随技术研究不仅克服了直升机机动状态下姿态变化引起的低高度测量误差与失效,而且可由机载综合采集系统将低高度数据融合,实时发送给地面站遥测接收与存储,可以极大扩充数据样本,从而获取比较准确的试验结论。     

无人机综合仿真与测试平台技术研究

固定翼无人机在军事,国防,民用上都具有非常广泛的应用。无人机系统包括三大部分：无人机机体,无人机地面控制站以及无人机地面综合检测站。详细介绍了当前已交付使用的一种适应于多种型号的无人机地面综合实验平台,包括无人机地面飞行仿真和地面检测和故障诊断三个部分。从整体设计方案出发,从技术角度分析各个子系统的功能和设计方案。提出了可以应用于无人机地面实验平台的基于专家系统的遥控-遥测知识对的知识库的建立和通过搜索知识库的故障诊断方法。并以一个平台子系统为例介绍了以任务管理和数据流控制为核心的软硬件设计方案。     

扑翼飞行器的多机协同飞行设计与实践

扑翼飞行器（flapping-wing aerial vehicle,FAV）是一种模仿动物飞行方式的新型飞行器,其具有仿生性且飞行声音小等特点,具有广泛的军事和民用前景。由于扑翼飞行器动力学模型复杂且容易受到风等环境因素的影响,目前尚无成熟稳定的控制算法可以用来控制扑翼飞行器。目前对扑翼飞行器的控制大多仍以手动控制为主,然而手动控制扑翼飞行器的方式会受到飞手操作水平的限制,难以大范围推广。通过对PX4固件和QGC地面站进行定制化改造以满足在一定应用背景下扑翼飞行器的有效控制,实现了扑翼飞行器的自动控制和协同飞行。同时还将扑翼飞行器多机协同飞行设计与实践引入到了“嵌入式计算技术”课程教学中,激发了学生的学习热情,提高了学生的创新实践能力。     

Design and implementation of an autonomous flight control law for a UAV helicopter

In this paper, we present the design and implementation of an autonomous flight control law for a small-scale unmanned aerial vehicle (UAV) helicopter. The approach is decentralized in nature by incorporating a newly developed nonlinear control technique, namely the composite nonlinear feedback control, together with dynamic inversion. The overall control law consists of three hierarchical layers, namely, the kernel control, command generator and flight scheduling, and is implemented and verified in flight tests on the actual UAV helicopter. The flight test results demonstrate that the UAV helicopter is capable of carrying out complicated flight missions autonomously.     

Design and Attitude Control of a Quad-Rotor Tail-Sitter Vertical Takeoff and Landing Unmanned Aerial Vehicle

In this paper, we present the development of a quad-rotor tail-sitter unmanned aerial vehicle (UAV) that is composed of quad rotors and a fixed wing. The developed UAV can hover like a quad-rotor helicopter and can fly long distance like a fixed-wing airplane. The main wing of the developed UAV is taken from a commercially available radio-controlled airplane and other parts such as the body frame are newly developed. A microcomputer, various sensors and a battery are mounted on the UAV for autonomous flight without any support from a ground system. Attitude and altitude control systems are developed for the UAV. In order to verify the designed controller, a three-dimensional flight simulator of a quad-rotor tail-sitter UAV is developed by use of MATLAB/Simulink. This paper also describes attitude control experiments. The results show that the propeller slipstream has a negative influence on attitude control. Solutions for the negative influence of the propeller slipstream are also discussed in this paper.     

A binocular vision-based UAVs autonomous aerial refueling platform

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are highly focused and widely used in various domains, and the capability of autonomous aerial refueling (AAR) becomes increasingly important. Most of the research in this area concerns the verification of the algorithms while the experiments are conducted on the ground. In this work, in order to verify the vision system designed for boom approach AAR, an integrated platform is built and tested. The platform consists of a tanker UAV, a receiver UAV and a ground station. The pictures of the marker on the receiver UAV are captured by the binocular vision system on the tanker UAV and then used for flight control and boom control. Performance and feasibility of the platform are demonstrated by the real out-door flight tests, and the experimental results verified the feasibility and effectiveness of our developed binocular vision-based UAVs AAR.