CN110083172B - 一种无人飞行器操控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无人飞行器操控系统。该无人飞行器操控系统中，信息耦合设备的信号输出端与虚像显示系统以及震动音响系统的信号输入端连接；信息耦合设备与地面控制系统传动连接，信息耦合设备的信号输入端与地面控制系统的信号输出端连接；地面控制系统与无人控制系统无线双向通讯连接；有人控制系统为用户提供操作设备；虚像显示系统根据信息耦合设备传输的视频信号显示无人飞行器周围的环境画面；震动音响系统用于在信息耦合设备的驱动下模拟无人飞行器飞行时产生的震动和声音。信息耦合设备和地面控制系统用于实现地面与无人机的信息交传递。本发明的无人飞行器操控系统能够提高环境的还原程度。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器控制领域，特别是涉及一种无人飞行器操控系统。
背景技术
现有的无人飞行器除飞行功能外，凭借丰富的传感器系统和控制功能，可实时监测位置、速度、高度、系统故障及剩余能量并回传数据，具有较强的环境适应和自我保护能力，在控制人员的参与下可以完成航拍、巡查以及安全警戒等较复杂的任务。与有人飞行器相比，能最大限度地减少航行消耗，降低安全风险。目前，无人飞行器都是由操控者采用传统的指令式控制，即：无人飞行器起飞后在空中执行飞行表演、侦查或航拍任务，地面人员通过目视无人飞行器(视距内)或通过查看实时数据及图传画面(视距外)掌握飞行器动态，并通过遥控器或地面控制站的指令界面远程改变飞行状态，执行特定的动作，如释放彩烟，拍照，投送物品等。
在指令式控制方式中，控制者一般以第三人称视角或第一人称视角观察飞机。当采用第一人称视角时，操控者观看固定在无人飞行器固上的摄像头实时传回的屏幕画面，通过景物变化直接判断无人飞行器姿态速度。然而这种观察方式只能为操控者提供视觉上的信息，环境还原程度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人飞行器操控系统，提高环境的还原程度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无人飞行器操控系统，包括：有人控制系统、信息耦合设备、地面控制系统、无人控制系统、虚像显示系统和震动音响系统；
所述信息耦合设备的信号输出端与所述虚像显示系统的信号输入端以及所述震动音响系统的信号输入端连接；所述信息耦合设备与所述地面控制系统传动连接，且所述信息耦合设备的信号输入端与所述地面控制系统的信号输出端连接；所述地面控制系统与所述无人控制系统通过无线双向通讯连接；
所述有人控制系统、所述虚像显示系统和所述震动音响系统均安装在地面操控室内；所述有人控制系统用于为用户提供操作设备；所述虚像显示系统用于根据所述信息耦合设备传输的视频信号显示无人飞行器周围的环境画面；所述震动音响系统用于在所述信息耦合设备的驱动下模拟无人飞行器飞行时产生的震动和声音；所述信息耦合设备用于检测所述操作设备的操作动作，并将所述操作动作转换成与所述地面控制系统相适应的机械动作，并将所述机械动作传动给所述地面控制系统；所述信息耦合设备还用于将所述地面控制系统传输的视频信号传输给所述虚像显示系统，根据所述地面控制系统传输的飞行数据驱动所述震动音响系统产生震动和声音；所述地面控制系统用于检测所述机械动作，并将所述机械动作转换成控制指令，并将所述控制指令传输给所述无人控制系统；所述地面控制系统还用于将所述无人控制系统传输的视频信号和飞行数据传输给所述信息耦合设备；所述无人控制系统用于根据所述控制指令控制所述无人飞行器飞行，还用于检测所述无人飞行器的飞行数据和拍摄所述无人飞行器周围的环境形成视频信号，并将所述飞行数据和所述视频信号传输给所述地面控制系统。
可选的，所述虚像显示系统包括显示器和球面反射镜；所述显示器的信号输入端与所述信息耦合设备的信号输出端连接，用于接收所述信息耦合设备输出的视频信号并显示所述环境画面；所述球面反射镜位于操作位的正前方，用于将所述环境画面反射到用户眼中。
可选的，所述有人控制系统包括：座椅和操作设备；所述操作设备用于传递用户的操作意图。
可选的，所述信息耦合设备包括操作传感器、跟随舵机控制板、跟随舵机、电磁离合器、摇臂连杆；所述操作传感器安装在所述操作设备上，所述操作传感器信号输出端与所述跟随舵机控制板的信号输入端连接；所述跟随舵机控制板的控制输出端与所述跟随舵机的控制输入端连接；所述跟随舵机通过所述电磁离合器与所述摇臂连杆传动连接；所述摇臂连杆与所述地面控制系统传动连接；
所述操作传感器用于采集所述操作设备的运动信息，并将所述运动信息转换成电信号传递给所述跟随舵机控制板；所述跟随舵机控制板用于根据所述操作传感器输出的电信号向所述跟随舵机发送动作指令；所述跟随舵机用于根据所述动作指令产生动作；所述电磁离合器用于在通电时将所述动作传递给所述摇臂连杆，所述摇臂连杆用于将所述动作传递给所述地面控制系统。
可选的，所述地面控制系统包括地面控制器和拨杆；所述拨杆与所述摇臂连杆传动连接；所述地面控制器与所述拨杆连接，且与所述无人控制系统双向通讯连接；所述拨杆在所述摇臂连杆的带动下产生运动；所述地面控制器用于检测所述拨杆的运动参数，并将所述运动参数转换成所述控制指令，并将所述控制指令发送至所述无人控制系统。
可选的，所述信息耦合设备还包括数据解析计算机；所述数据解析计算机的信号输入端与所述地面控制器的信号输出端连接，所述数据解析计算机信号输出端分别与所述显示器和所述震动音响系统的信号输入端连接；
所述地面控制器还用于将所述无人控制系统传输的视频信号和飞行数据传输给所述数据解析计算机；所述数据解析计算机用于对所述视频信号和所述飞行数据进行解析，并将解析后的视频信号传输给所述显示屏，根据解析后的所述飞行数据驱动所述震动音响系统产生震动和声音。
可选的，所述球面反射镜为凹面镜。
可选的，所述操作设备包括但不限于驾驶杆、脚蹬和油门杆；所述驾驶杆用于控制所述无人飞行器的滚转方向和俯仰方向；所述脚蹬用于控制所述无人飞行器的航行方向；所述油门用于控制所述无人飞行器的飞行速度。
可选的，所述操作传感器包括但不限于驾驶杆位置传感器、脚蹬传感器和油门杆位置传感器；所述驾驶杆位置传感器用于检测所述驾驶杆的移动位置，所述脚蹬传感器用于检测所述脚蹬的下压深度；所述油门杆位置传感器用于检测所述油门杆的位置。
可选的，在所述地面操控室内还设置有空调。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的无人飞行器操控系统，通过虚像显示系统显示环境画面，通过震动音响系统模拟无人飞行器飞行时产生的震动和声音，从而用户提供视觉、触觉和听觉上的信息，提高环境还原程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无人飞行器操控系统实施例的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明无人飞行器操控系统实施例的系统结构图。
参见图1，该无人飞行器操控系统，包括：有人控制系统1、信息耦合设备2、地面控制系统3、无人控制系统、虚像显示系统4和震动音响系统5；
所述信息耦合设备2的信号输出端与所述虚像显示系统4的信号输入端以及所述震动音响系统5的信号输入端连接；所述信息耦合设备2与所述地面控制系统3传动连接，且所述信息耦合设备2的信号输入端与所述地面控制系统3的信号输出端连接；所述地面控制系统3与所述无人控制系统通过无线双向通讯连接；
所述有人控制系统1、所述虚像显示系统4和所述震动音响系统5均安装在地面操控室6内；所述有人控制系统1用于为用户提供操作设备；所述虚像显示系统4用于根据所述信息耦合设备2传输的视频信号显示无人飞行器7周围的环境画面；所述震动音响系统5用于在所述信息耦合设备2的驱动下模拟无人飞行器7飞行时产生的震动和声音；所述信息耦合设备2用于检测所述操作设备的操作动作，并将所述操作动作转换成与所述地面控制系统3相适应的机械动作，并将所述机械动作传动给所述地面控制系统3；所述信息耦合设备2还用于将所述地面控制系统3传输的视频信号传输给所述虚像显示系统4，根据所述地面控制系统3传输的飞行数据驱动所述震动音响系统5产生震动和声音；所述地面控制系统3用于检测所述机械动作，并将所述机械动作转换成控制指令，并将所述控制指令传输给所述无人控制系统；所述地面控制系统3还用于将所述无人控制系统传输的视频信号和飞行数据传输给所述信息耦合设备2；所述无人控制系统用于根据所述控制指令控制所述无人飞行器7飞行，还用于检测所述无人飞行器7的飞行数据和拍摄所述无人飞行器7周围的环境形成视频信号，并将所述飞行数据和所述视频信号传输给所述地面控制系统3。
所述虚像显示系统4包括显示器和球面反射镜；所述显示器的信号输入端与所述信息耦合设备2的信号输出端连接，用于接收所述信息耦合设备2输出的视频信号并显示所述环境画面；所述球面反射镜位于操作位的正前方，用于将所述环境画面反射到用户眼中。
所述有人控制系统1包括：座椅和操作设备；所述操作设备用于传递用户的操作意图。
信息耦合设备2是用户与地面控制系统3之间的媒介，作用是把用户的实际操作动作，转换成地面控制系统3能接收的动作。所述信息耦合设备2包括操作传感器、跟随舵机控制板、跟随舵机、电磁离合器、摇臂连杆和通断按钮；所述操作传感器安装在所述操作设备上，所述操作传感器信号输出端与所述跟随舵机控制板的信号输入端连接；所述跟随舵机控制板的控制输出端与所述跟随舵机的控制输入端连接；所述跟随舵机通过所述电磁离合器与所述摇臂连杆传动连接；所述摇臂连杆与所述地面控制系统3传动连接。所述通断按钮与所述电磁离合器连接。
所述操作传感器用于采集所述操作设备的运动信息，并将所述运动信息转换成电信号传递给所述跟随舵机控制板；所述跟随舵机控制板用于根据所述操作传感器输出的电信号向所述跟随舵机发送动作指令；所述跟随舵机用于根据所述动作指令产生动作；所述电磁离合器用于在通电时将所述动作传递给所述摇臂连杆，所述摇臂连杆用于将所述动作传递给所述地面控制系统3。所述通断按钮用于通断所述电磁离合器的电源。
所述地面控制系统3包括地面控制器和拨杆；所述拨杆与所述摇臂连杆传动连接；所述地面控制器与所述拨杆连接，且与所述无人控制系统双向通讯连接；所述拨杆在所述摇臂连杆的带动下产生运动；所述地面控制器用于检测所述拨杆的运动参数，并将所述运动参数转换成所述控制指令，并将所述控制指令发送至所述无人控制系统。
所述信息耦合设备2还包括数据解析计算机；所述数据解析计算机的信号输入端与所述地面控制器的信号输出端连接，所述数据解析计算机信号输出端分别与所述显示器和所述震动音响系统5的信号输入端连接；
所述地面控制器还用于将所述无人控制系统传输的视频信号和飞行数据传输给所述数据解析计算机；所述数据解析计算机用于对所述视频信号和所述飞行数据进行解析，并将解析后的视频信号传输给所述显示屏，根据解析后的所述飞行数据驱动所述震动音响系统5产生震动和声音。
正常操纵时，用户按下通断按钮使电磁离合器通电时，跟随舵机与拨杆成为机械硬连接，跟随舵机的运动直接带动拨杆产生相应的移动，地面控制器检测拨杆的运动参数并生成相应的控制指令，并将控制指令发送至无人控制系统，无人控制系统接收控制指令后产生相应的动作，实现驾驶功能；当用户按下通断按钮使电磁离合器断电时，跟随舵机的摇臂连杆与地面控制器的拨杆脱开，此时无论用户怎样移动操作设备，跟随舵机的动作均不能传递到拨杆上，拨杆处在中立无指令输出位置，地面控制器没有控制指令发出，无人控制系统依靠自身稳定功能保持无人飞行器的稳定飞行。所述电磁离合器的作用是实现人工飞行与自动稳定之间的无缝过渡，降低初学者的难度和风险。
在信息耦合过程中，地面控制器与无人控制系统的控制状态转换是关键。地面控制器一方面将拨杆操纵的机械运动转换为电信号，另一方面要管理和控制拨杆操纵的增益，增益的大小直接影响自动稳定与按指令飞行的转换时机，以及按指令飞行时的操纵灵敏度。由拨杆机械运动到无人控制系统为：1)拨杆位移转换为电压信号，进一步转换成表示位移大小的数据u；2)对数据u通过增益变换，得到表示指令大小的控制输入量uk；3)判断指令uk绝对值幅度，如果小于设定的空行程阈值u0，则无人控制系统的基准值为0，处于自稳定状态，如果指令uk绝对值大于空行程阈值u0，无人控制系统的基准值不为0，并且基准值Xu的大小与指令uk离开空行程阈值u0的大小具有正相关关系，具体为Xu＝uk-u0·sign(uk)，sign为符号函数；4)无人控制系统按照PID算法，控制飞机姿态和速度符合基准输入。
数据解析计算机连接地面控制器的数据输出接口(如USB)，将实时接收到的飞行姿态等飞行数据从数据包中解析出来，然后通过串口、以太网、现场总线等方式驱动震动音响系统，如模拟的声音大小变化、运动的幅度变化等。
信息耦合设备的引入，使得用户摆脱传统无人机控制方式在信息感知和操纵响应方面的局限性，更加接近于人的正常应激反应过程，使在地面的用户像在空中实际驾驶有人飞机一样操控无人飞行器。
所述球面反射镜为凹面镜。环境画面通过球面反射镜后被用户观察到，使观用户产生与实际在空中摄像机一样的深度和距离情境感。
所述操作设备包括但不限于驾驶杆、脚蹬和油门杆；所述驾驶杆用于控制所述无人飞行器7的滚转方向和俯仰方向；所述脚蹬用于控制所述无人飞行器7的航行方向；所述油门用于控制所述无人飞行器7的飞行速度。
所述操作传感器包括但不限于驾驶杆位置传感器、脚蹬传感器和油门杆位置传感器；所述驾驶杆位置传感器用于检测所述驾驶杆的移动位置，所述脚蹬传感器用于检测所述脚蹬的下压深度；所述油门杆位置传感器用于检测所述油门杆的位置。
在所述地面操控室6内还设置有空调。
飞行数据包括飞行姿态、位置和高度。所述无人控制系统包括姿态传感器、位置传感器、高度传感器和飞行器舵机。所述姿态传感器用于检测无人飞行器7的飞行姿态，所述位置传感器用于检测无人飞行器7的位置，所述高度传感器用于检测无人飞行器7的高度；所述飞行器舵机用于控制舵面和动力输出，实现稳定飞行。本发明的无人控制系统具有自稳定能力。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的无人飞行器操控系统，通过虚像显示系统显示环境画面，通过震动音响系统模拟无人飞行器飞行时产生的震动和声音，从而用户提供视觉、触觉和听觉上的信息，提高环境还原程度。
除此以外，本发明还具有以下技术效果：
1.本发明通过信息耦合设备将用户的操控转换成适用于地面控制系统的机械运动，从而使得本发明的无人飞行器操控系统配套适用现有的带有地面控制系统的无人飞行器，不破环原有的无人飞行器的接口和设备，不影响后续无人飞行器的独立使用。
2.采用带有球面反射镜的虚像显示系统，摆脱普通屏幕显示没有深度和距离感的局限，完全还原了空中的视觉效果，使用户获得更真实的飞行体验，并且加上声音和运动刺激，使用户能产生驾驶真实飞机的感觉，从而使对无人飞行器的控制更直观、准确。
3.用户直接从空中飞行的角度感知环境变化，在复杂决策方面比单纯依靠无人飞行器的自稳定控制更可靠、安全。
4.利用信息耦合设备实现人控与自控的瞬间转换，提升飞行体验的同时，大大降低了操控风险，使系统的适用对象不仅仅局限于受过训练的专业人人士，普通人也可以直接使用并根据自身情况逐渐提高难度，成为学习飞行的有效手段。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种无人飞行器操控系统，其特征在于，包括：有人控制系统、信息耦合设备、地面控制系统、无人控制系统、虚像显示系统和震动音响系统；
所述信息耦合设备的信号输出端与所述虚像显示系统的信号输入端以及所述震动音响系统的信号输入端连接；所述信息耦合设备与所述地面控制系统传动连接，且所述信息耦合设备的信号输入端与所述地面控制系统的信号输出端连接；所述地面控制系统与所述无人控制系统通过无线双向通讯连接；
所述有人控制系统、所述虚像显示系统和所述震动音响系统均安装在地面操控室内；所述有人控制系统用于为用户提供操作设备；所述虚像显示系统用于根据所述信息耦合设备传输的视频信号显示无人飞行器周围的环境画面；所述震动音响系统用于在所述信息耦合设备的驱动下模拟无人飞行器飞行时产生的震动和声音；所述信息耦合设备用于检测所述操作设备的操作动作，并将所述操作动作转换成与所述地面控制系统相适应的机械动作，并将所述机械动作传动给所述地面控制系统；所述信息耦合设备还用于将所述地面控制系统传输的视频信号传输给所述虚像显示系统，根据所述地面控制系统传输的飞行数据驱动所述震动音响系统产生震动和声音；所述地面控制系统用于检测所述机械动作，并将所述机械动作转换成控制指令，并将所述控制指令传输给所述无人控制系统；所述地面控制系统还用于将所述无人控制系统传输的视频信号和飞行数据传输给所述信息耦合设备；所述无人控制系统安装在所述无人飞行器上；所述无人控制系统用于根据所述控制指令控制所述无人飞行器飞行，还用于检测所述无人飞行器的飞行数据和拍摄所述无人飞行器周围的环境形成视频信号，并将所述飞行数据和所述视频信号传输给所述地面控制系统；
所述有人控制系统包括：座椅和操作设备；所述操作设备用于传递用户的操作意图；
所述信息耦合设备包括操作传感器、跟随舵机控制板、跟随舵机、电磁离合器、摇臂连杆和通断按钮；所述操作传感器安装在所述操作设备上，所述操作传感器信号输出端与所述跟随舵机控制板的信号输入端连接；所述跟随舵机控制板的控制输出端与所述跟随舵机的控制输入端连接；所述跟随舵机通过所述电磁离合器与所述摇臂连杆传动连接；所述摇臂连杆与所述地面控制系统传动连接；所述通断按钮与所述电磁离合器连接；
所述操作传感器用于采集所述操作设备的运动信息，并将所述运动信息转换成电信号传递给所述跟随舵机控制板；所述跟随舵机控制板用于根据所述操作传感器输出的电信号向所述跟随舵机发送动作指令；所述跟随舵机用于根据所述动作指令产生动作；所述电磁离合器用于在通电时将所述动作传递给所述摇臂连杆，所述摇臂连杆用于将所述动作传递给所述地面控制系统；所述通断按钮用于通断所述电磁离合器的电源；
所述地面控制系统包括地面控制器和拨杆；所述拨杆与所述摇臂连杆传动连接；所述地面控制器与所述拨杆连接，且与所述无人控制系统双向通讯连接；所述拨杆在所述摇臂连杆的带动下产生运动；所述地面控制器用于检测所述拨杆的运动参数，并将所述运动参数转换成所述控制指令，并将所述控制指令发送至所述无人控制系统，具体包括：所述地面控制器将所述拨杆的位移转换为电压信号，将所述电压信号转换为表示位移大小的数据，并对所述表示位移大小的数据进行增益变换，得到表示指令大小的控制输入量uk；所述地面控制器将所述表示指令大小的控制输入量uk的绝对值幅度与预先设定的空行程阈值u0进行比较，若所述绝对值幅度小于所述空行程阈值u0，则将所述无人控制系统的基准值Xu设为0，以使所述无人飞行器处于自稳定状态；若所述绝对值幅度大于所述空行程阈值u0，则令所述基准值Xu＝uk-u0·sign(uk)，其中，sign为符号函数；所述无人控制系统按照PID算法，控制所述无人飞行器的飞行姿态和飞行速度符合基准输入。
2.根据权利要求1所述的无人飞行器操控系统，其特征在于，所述虚像显示系统包括显示器和球面反射镜；所述显示器的信号输入端与所述信息耦合设备的信号输出端连接，用于接收所述信息耦合设备输出的视频信号并显示所述环境画面；所述球面反射镜位于操作位的正前方，用于将所述环境画面反射到用户眼中。
3.根据权利要求2所述的无人飞行器操控系统，其特征在于，所述信息耦合设备还包括数据解析计算机；所述数据解析计算机的信号输入端与所述地面控制器的信号输出端连接，所述数据解析计算机信号输出端分别与所述显示器和所述震动音响系统的信号输入端连接；
所述地面控制器还用于将所述无人控制系统传输的视频信号和飞行数据传输给所述数据解析计算机；所述数据解析计算机用于对所述视频信号和所述飞行数据进行解析，并将解析后的视频信号传输给所述显示屏，根据解析后的所述飞行数据驱动所述震动音响系统产生震动和声音。
4.根据权利要求2所述的无人飞行器操控系统，其特征在于，所述球面反射镜为凹面镜。
5.根据权利要求1所述的无人飞行器操控系统，其特征在于，所述操作设备包括但不限于驾驶杆、脚蹬和油门杆；所述驾驶杆用于控制所述无人飞行器的滚转方向和俯仰方向；所述脚蹬用于控制所述无人飞行器的航行方向；所述油门用于控制所述无人飞行器的飞行速度。
6.根据权利要求5所述的无人飞行器操控系统，其特征在于，所述操作传感器包括但不限于驾驶杆位置传感器、脚蹬传感器和油门杆位置传感器；所述驾驶杆位置传感器用于检测所述驾驶杆的移动位置，所述脚蹬传感器用于检测所述脚蹬的下压深度；所述油门杆位置传感器用于检测所述油门杆的位置。
7.根据权利要求1所述的无人飞行器操控系统，其特征在于，在所述地面操控室内还设置有空调。
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