一种无人机遥控方式的选择方法

暂无

一种无人机遥控方式的选择方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于无人机遥控系统领域，具体涉及一种无人机遥控方式的选择方法。\n背景技术\n[0002] 无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种作战任务并能重复使用的无人机战术飞行器。无人机在飞行中存在地面遥控飞行和自主飞行两种形式，当执行地面遥控飞行时，需要地面操纵人员的参与，一般利用指挥控制车的车内遥控(包括软件面板和硬件面板)和车外遥控器协同的方式。在中高空飞行阶段，无人机飞行环境和飞行速度相对稳定因而一般使用车内的硬件面板和软件面板进行遥控；而起飞和降落阶段对遥控系统的实时性和可靠性要求较高，因此一般地面操纵人员通过观察无人机的状态利用车外遥控器来遥控无人机。无论采取何种遥控方式，地面站都需在各种操纵状态处理成有效的遥控指令后，再经指令编码器形成规定格式的遥控帧上传至无人机。\n[0003] 遥控指令是地面站控制无人机及其有效载荷运作的一种命令。它是一种即时指令，即机载的指令译码器译出指令后立即送至机载各设备执行。遥控指令包括开关和比例指令两种，开关指令是为了改变无人机状态而设置，如开车、关车、自主/遥控切换等，在遥控帧中某一路开关指令通常以离散化单比特数字0和1表示；而比例指令则用于精确地控制无人机姿态，如俯仰、横滚和航向等，在遥控帧中某一路比例指令通常以量化的单字节范围在0x00至0xFF之间的数字表示。\n[0004] 图1为兼容多种遥控方式的无人机遥控系统简化硬件构架。如图1所示，在实际飞行时操纵人员可以选择通过车内遥控模块1、车外遥控模块2或运行于遥控处理计算机\n3之上的软件遥控模块4这三种方式来实现对无人机的遥控。遥控处理计算机3实现对三种遥控指令的统一处理和遥控方式的统一管理，其中车内遥控模块1和车外遥控模块2为机械电子设备，产生的比例指令和开关指令首先以数字信号的形式被信号处理计算机5采集，信号处理计算机5将一定格式的车内和车外指令帧以特定周期分别上传至遥控处理计算机3，其接口方式一般为异步串行接口；软件遥控模块4由于其实现方式的局限，只能以软件按钮的方式实现开关指令，被遥控处理计算机3的相关模块采集和处理。遥控处理计算机3根据需要选择一种或两种遥控方式的比例指令和开关指令，发送至指令编码器6形成遥控帧经测控收发装置7发送至无人机8。\n[0005] 实现无人机控制的软件遥控模块、车内遥控模块和车外遥控模块一般由三个不同的地面人员操纵，并且三种遥控方式适用的情况略有不同。车内遥控模块以软件按钮方式实现开关指令，操纵简便，因而通常作为产生开关指令的主要方式；车内遥控模块通常为固定于指挥控制车上的机柜硬件面板，稳定性较好，产生的比例指令零点和变化范围稳定且线性度好，因而作为发送比例指令的主要方式。另外车内遥控模块由于采用硬件方式，产生的开关指令可以作为突发情况，例如遥控处理计算机鼠标由于震动而断开连接时开关指令的备份；车外遥控采用便携式的小型机电设备实现，机动性好，可由操纵人员携带并作用于车外一定范围，因而适用于车内遥控和软件遥控的操纵人员视野受限的情况，一般为无人机起飞降落地点不在指挥控制车视野范围之内、起飞降落地点路面不平整或雨雾天气等。\n[0006] 在无人机实际遥控飞行中，外界突发情况难以避免，三种遥控方式之间的配合和切换对于安全的遥控飞行非常重要，这就涉及遥控方式选择方法的设计问题。而现有的遥控方式的选择方法存在如下缺陷：\n[0007] 1、遥控方式切换过于死板，部分系统采取初始飞行时的遥控方式即为全飞行的遥控方式的策略，飞行过程中不能切换，遥控系统适应能力弱；\n[0008] 2、三种遥控方式兼容性差，即虽然遥控方式可以进行随时切换，但遥控处理计算机的判断策略混乱，造成“切换有效而遥控无效”的情况，易引发重大责任事故；\n[0009] 3、车内、车外和软件遥控的比例和开关指令不能组合，当前宜采用的遥控方式比例或开关指令的一种发生故障时，不能由其他遥控方式的比例或开关指令代替；\n[0010] 4、遥控模块的防误操作设计差，尤其对于部分关键开关指令而言，当两种需要互相切换的遥控方式的开关指令相反时，一旦切换即造成误操作，而且系统在遥控方式发生故障时无提示。\n发明内容\n[0011] 本发明公开了一种无人机遥控方式的选择方法，该方法在不改变无人机地面指挥控制车硬件构架的前提下，设计一种能够兼容多种遥控方式的遥控信号处理系统，针对不同的飞行环境提出三种应用模式：自动模式、固定模式和复合模式，并在各应用模式中制定了遥控方式优先级的选择策略，实现了遥控方式的有效切换和指令的有效组合，避免了多种遥控方式共存时潜在的冲突。\n[0012] 一种无人机遥控方式的选择方法，包括以下几个步骤：\n[0013] 步骤一、构建遥控信号处理系统；\n[0014] 步骤二、选择工作模式；\n[0015] 步骤三：初始化模式信息；\n[0016] 步骤四：遥控信息处理；\n[0017] 步骤五：告警信息处理；\n[0018] 步骤六：切换模式条件判断；\n[0019] 步骤七：遥控结束条件判断，结束遥控；\n[0020] 本发明的优点在于：\n[0021] 1、兼容多种遥控方式，且工作模式切换便捷，遥控方式指令组合灵活；\n[0022] 2、采用防误操作处理，比例指令采用三发两判制，开关指令采用软件遥控面板关键指令确认等措施；\n[0023] 3、本方法不改变现有系统硬件构架，易于实现。\n附图说明\n[0024] 图1为兼容多种遥控方式的无人机遥控系统简化硬件构架；\n[0025] 图2为本发明的方法流程图；\n[0026] 图3为本发明遥控信号处理系统结构示意图；\n[0027] 图4为本发明的指令帧结构；\n[0028] 图5为本发明步骤四的流程图；\n[0029] 图6为本发明步骤六种工作模式切换状态图。\n[0030] 图中： 1.车内遥控模块 2.车外遥控模块[0031] 3.遥控处理计算机 4.软件遥控模块 5.信号处理计算机[0032] 6.指令编码器 7.测控收发装置 8.无人机\n[0033] 9.信号采集处理模块 10.遥控处理模块 11.软件总体控制模块[0034] 12.软件告警模块\n具体实施方式\n[0035] 下面结合附图对本发明方法的具体实施方式进行说明。\n[0036] 本发明的一种无人机遥控方式的选择方法如图2所示，包括以下几个步骤：\n[0037] 步骤一、构建遥控信号处理系统；\n[0038] 遥控信号处理系统如图3所示，包括车内遥控模块1、车外遥控模块2、软件遥控模块4、信号采集模块9、遥控处理模块10、软件总体控制模块11和软件告警模块12。\n[0039] 首先，车内遥控模块1产生车内指令帧A，车内指令帧A包括车内比例指令和车内开关指令，车外遥控模块2产生车外指令帧B，车外指令帧B包括车外比例指令和车外开关指令，车内指令帧A和车外指令帧B传送至信号采集模块9；信号采集模块9以预先设置的采样速率采集车内遥控模块1和车外遥控模块2实时发来的指令帧，信号采集模块9将车内指令帧A和车外指令帧B以周期t上传送至遥控处理模块10。\n[0040] 然后，操纵人员通过软件遥控模块4的人机界面进行软件开关指令的选择，软件遥控模块4根据操纵人员的选择形成软件指令帧C，软件指令帧C只包含软件开关指令，软件指令帧C传送给遥控处理模块10；\n[0041] 最后，遥控处理模块10完成对遥控指令的处理，遥控处理模块10还完成判断车内指令帧A、车外指令帧B和软件指令帧C所带的指令故障标志，产生告警信息E，将告警信息E发送至软件告警模块12，软件告警模块12的人机界面显示告警信息；\n[0042] 软件总体控制模块11将总体信息D载入到遥控处理模块10，实现遥控信号处理系统的初始化，进而完成全系统的总体控制；\n[0043] 所述的车内遥控模块1、车外遥控模块2和软件遥控模块4作为遥控指令产生机构产生的指令帧结构相同，均包括帧头、比例指令、开关指令、故障标志和帧尾。\n[0044] 以本发明方法应用于某型无人机系统为例，如图4所示，其指令帧结构设计如下：\n[0045] 帧头为固定的2字节数据0xEB、0x90；帧尾为固定的1字节数据0xEE；指令来源用以指示遥控指令是来自车内遥控模块1、车外遥控模块2还是软件遥控模块4，分别以1字节数据0xAA、0xBB和0xCC表示；比例指令为8路用于精确地控制无人机姿态的单字节数据，而在帧设计中采用三发两判制，即连续发送3组相同的8路比例指令数据，当判断其中至少两组相同时该指令帧方为有效，否则无效，因此比例指令共计8×3＝24字节；开关指令为16路用于改变无人机状态的单比特数据，0和1表示相反的作用效果，共计2字节；故障标志由各遥控模块内部的故障监控单元产生，包括比例指令故障标志和开关指令故障标志，其中比例指令故障标志为8比特数据，各比特数据分别表征8路比例指令的故障状态，其中0表示无故障，1表示有故障，开关指令故障标志为16比特数据，原理同比例指令故障标志，故障标志共计2字节。\n[0046] 本发明方法在应用于其他型号的无人机系统时，指令帧结构的设计可以参考上述应用实例。\n[0047] 步骤二、选择工作模式；\n[0048] 在遥控飞行过程中，飞行环境可能出现的诸多情况，并且各种遥控方式的应用范围也不尽相同。为此充分考虑可能发生的情况，无人机的工作模式分为：自动模式、固定模式和复合模式，操纵人员根据实际情况对工作模式进行选择。\n[0049] 自动模式适用于各遥控方式初始状况良好，各遥控方式的操纵人员均到位，无人机起降环境和中高空飞行环境良好时，系统判断指令故障常规优先级自动切换遥控方式，避免各遥控模块可能存在故障隐患的情况。常规优先级是指，对于开关指令而言，优先级由低到高依次为：车内遥控→车外遥控→软件遥控；对于比例指令，优先级由低到高依次为：\n车外遥控→车内遥控。\n[0050] 固定模式适用于某一种或两种遥控方式发生故障，或某一种或两种遥控方式的操纵人员缺席的情况，以此时操纵人员固定使用一种遥控方式。当车内遥控和车外遥控均发生故障时，只有软件遥控的开关指令有效，无比例指令产生，指令帧的比例指令全部为\n0x00。\n[0051] 复合模式的适用范围涵盖了自动模式和固定模式，尤其适用于无人机起降环境恶劣，中高空飞行环境恶劣或各遥控模块存在隐性故障时，以便操纵人员随时根据需要切换遥控方式，按自定义的指令优先级及其组合以适应各种突发情况。\n[0052] 步骤三：初始化模式信息；\n[0053] 比例指令和开关指令组合包括：a.软件开关+车内比例；b.软件开关+车外比例；\nc.车内开关+车内比例；d.车内开关+车外比例；e.车外开关+车外比例；f.车外开关+车内比例。所述的“+”表示组合，例如a.软件开关+车内比例为例，表示当前指令组合为软件开关指令和车内比例指令的组合；\n[0054] 操纵人员通过步骤二选择一种工作模式，然后初始化该模式的信息，这些信息包括：所选模式对应的遥控指令组合以及各遥控方式中比例指令和开关指令的各自的优先级。指令组合及其优先级一旦确定后，遥控处理模块便形成了遥控方式的选择策略。\n[0055] 具体为：\n[0056] 如果为自动模式，指令优先级为常规优先级，即有效的开关指令默认为软件遥控，有效比例指令默认为车内遥控。当开关指令或比例指令发生故障时，系统自动切换到该指令比当前故障指令优先级低一级的指令组合。\n[0057] 例：当前为软件遥控开关指令良好而车内遥控比例指令发生故障，指令组合自动切换顺序为：1.软件开关+车内比例→2.软件开关+车外比例；\n[0058] 例：以当前为车内遥控比例指令良好而开关指令连续发生故障，指令组合自动切换顺序为：a.软件开关+车内比例→f.车外开关+车内比例→c.车内开关+车内比例。\n[0059] 如果为固定模式，遥控方式选择分别设置“默认”/“选择”两种方式。\n[0060] 若采用“默认”，则开关指令默认为软件遥控；比例指令默认为车内遥控。\n[0061] 若选择“选择”，则在车内遥控和车外遥控两种之一选择固定的遥控方式，开关指令和比例指令均来自所选择的遥控方式，此时开关指令失效，指令组合只能选择c.车内开关+车内比例和e.车外开关+车外比例。\n[0062] 如果为复合模式，对软件遥控、车内遥控和车外遥控的三种开关指令设置高/中/低三种优先级，对车内遥控和车外遥控的两种比例指令设置高/低两种优先级。初始的指令组合为两种指令优先级均最高的组合，当该组合的比例指令或开关指令发生故障时，系统自动切换到该指令比当前故障指令优先级低一级的指令组合。\n[0063] 例：当前开关指令优先级从低到高依次设置为：车内→软件→车外、比例指令优先级从低到高依次设置为：车外→车内，则默认最高优先级的指令组合为f.车外开关+车内比例。当开关指令连续发生故障时指令组合自动切换顺序为：f.车外开关+车内比例→a.软件开关+车内比例→c.车内开关+车内比例。\n[0064] 因此对于自动模式和复合模式指令组合选择范围为：a-f，而对于固定模式指令组合选择范围为：a、c和e。\n[0065] 步骤四：遥控信息处理；\n[0066] 步骤二和步骤三是在软件总体控制模块11中进行设置的，因此其产生的总体信息D包括工作模式和初始化模式信息，总体信息以函数参数的形式传递给遥控处理模块\n10。遥控处理模块10是整个遥控信息处理的核心模块。\n[0067] 遥控信息处理流程如图5所示，包括以下几个步骤：\n[0068] ①遥控处理模块10载入总体信息D，形成对车内遥控、车外遥控和软件遥控三种遥控方式的选择策略。\n[0069] ②遥控处理模块10完成对车内遥控、车外遥控和软件遥控所上传的车内指令帧、车外指令帧和软件指令帧的接收和过滤，过滤的准则遵循步骤三所预设的指令组合及其优先级。遥控处理模块10首先判断当前最高优先级的指令是否发生故障，即判断各路遥控指令帧中设置的故障标志位是否有效。当判断结果为是，即当前选择的遥控指令(至少比例指令和开关指令之一)发生故障，软件告警模块12的人机界面显示故障信息，进入步骤③；\n当判断结果为否，则指令无故障，形成有效的遥控指令，转到步骤④。\n[0070] ③在发生故障后，判断是否有低优先级的指令替换。\n[0071] 如果判断为是，则存在低优先级的遥控指令作为备份，则当前遥控指令被低优先级的无故障的指令替换，替换后形成有效遥控指令，转到步骤④；如果判断为否，软件告警模块12的人机界面提示操纵人员切换工作模式。\n[0072] ④遥控处理模块将无故障的遥控指令处理形成有效遥控指令后，返回步骤②继续完成下一周期各路遥控指令帧的接收和过滤。\n[0073] 步骤五：告警信息处理；\n[0074] 当前采用的遥控方式中比例指令或开关指令之一发生故障，或需要切换模式时，软件告警模块12发出具有详细说明的告警信息；\n[0075] 例：当前指令组合为b.软件开关+车外比例时，当车外比例发生故障，而其低一优先级的比例指令为车内比例无故障时，则软件告警模块12的人机界面显示“车外比例故障，将自动切换至车内比例”；\n[0076] 例：当前指令组合为c.车内开关+车内比例时，当车内比例发生故障，而其低一优先级的比例指令为车外比例同样有故障时，则软件告警模块12的人机界面显示“车内比例故障，无替换指令，需切换工作模式”。\n[0077] 在无人机状态控制中存在关键开关指令，这些指令在实施后往往没有补救措施，如“关车”、“自毁”等。关键开关指令在当前指令组合帧中有效时，在软件告警模块12的人机界面显示提示“关键指令发送确认”对话框，操纵人员再次确认后方可发送，避免误操作。\n[0078] 步骤六：切换模式条件判断。\n[0079] 判断是否切换模式，根据步骤五所述，在当前遥控指令发生故障后，软件告警模块\n12显示没有低优先级的指令替换，需要操纵人员切换工作模式；在飞行环境发生变化或操纵人员需要交替工作的情况下，也可进行工作模式的切换。当判断需要进行切换模式时，返回步骤二。\n[0080] 遥控方式切换如图6所示，在首次初始化完成后，进入所选的工作模式，一旦该工作模式的指令组合都发生故障或飞行环境发生改变，则需要进行切换工作模式，各种模式之间的切换状态具体为：\n[0081] 在系统开始运行时，操纵人员通过软件总体控制模块11的人机界面进行系统的首次初始化，可以选择自动模式、固定模式和复合模式；当选择自动模式，一旦符合切换模式的条件即可通过软件总体控制模块11的人机界面进行再次初始化，选择固定模式或复合模式或返回选择自动模式；当选择固定模式，符合切换模式的条件后也可再次初始化，选择自动模式或复合模式或返回选择固定模式；当选择复合模式，符合切换模式的条件后也可再次初始化，选择自动模式或固定模式或返回选择复合模式。\n[0082] 无论是否发生故障都可以随时更换工作模式；当前选择的指令组合及其低优先级指令组合发生故障，但该模式存在无故障的指令组合时，可以暂时退出该工作模式，进行再次初始化进入该模式选择无故障的指令组合，例如固定模式下车外遥控发生故障可以暂时退出该模式，并再次进入该模式选择无故障的车内遥控；当前选择的指令组合及其低优先级指令组合发生故障，且没有其他无故障指令组合时，可以先切换到其他工作模式进行遥控，待故障消除之后再次进入该模式。\n[0083] 如果不需要切换模式，执行步骤七；\n[0084] 步骤七：遥控结束条件判断，结束遥控。\n[0085] 整个飞行遥控是否结束依赖于操纵人员实时观察告警信息，了解飞机状态、飞行环境和飞行阶段。判断是否结束遥控，当产生以下四个个条件时，遥控结束：\n[0086] 1、各遥控方式均产生故障；\n[0087] 2、存在无故障的遥控方式，但该方式不适用当前飞行环境；\n[0088] 3、飞机平稳着陆，飞行结束。\n[0089] 4、飞行状况无需地面遥控，切换至自主飞行。\n[0090] 在满足以上四个条件后，可以结束遥控。在1和2两种情况下，结束遥控并不是放弃对无人机的控制，而是结束地面遥控飞行状态，无人机进入自主飞行状态。\n[0091] 如果为否，返回步骤四。