本發明屬于系留多旋翼無人機技術領域，特別涉及到一種車(船)載系留多旋翼控制系統架構及其控制方法。

背景技術：

在當前的無人機技術領域中，有一類通過系留線纜從地面向無人機提供電能和有線（光纖或載波）通信鏈路的系留無人機，特別是一類系留在移動的載具比如車、船等移動平臺上，可以在空中懸停或跟隨平臺運動，也可以隨時精確降落在平臺上或從平臺上自動起飛的多旋翼無人機系統。早起的這類系統基本由傳統的地面定點系留多旋翼系統甚至非系留多旋翼改裝而來，跟隨平臺移動靠傳統自駕上的基于普通衛星定位的航點跟蹤算法，由于定位精度差漂移大，滿足不了在載具上精準自主起飛和精準自主降落的要求而主要靠人工遙控操作，由于起降要與線纜的收放同步，這就更加劇了人工遙控的技術難度和繁瑣，并容易疏忽造成故障頻發；雖然隨著技術的進步，發明了多種自動收放線裝置，靠檢測并保持線纜恒定張力自動控制收放線（比如cn201620919257.1、cn201521023147.9cn201610489544.8等等），但它們是一個比較獨立的裝置，并沒有和無人機上自駕形成閉環的自動控制反饋系統，而只是在無人機升高或降低后被動的靠張力檢測控制線纜收放，因此在自主起飛和降落時很容易造成收放不夠或過度的弊端；這就迫切需要一個能總體協調各傳感器及執行機構，綜合統一的進行閉環控制的自動控制系統。

針對上邊所述的精準起飛和降落中的定位問題，最近公開了一種利用衛星差分定位的技術諸如cn106200656a專利，但它的最大不足是成本高、體積大、天線等結構笨重安裝復雜且對環境要求高易受干擾，并且受衛星系統的安全性所制約；還有一種cn105629995a專利申請所公開的使用機械十字軸和陀螺傳感器的跟隨技術，它由于使用了十字軸等可轉動的機械部件使結構繁雜故障率高，且傾斜傳感器采用陀螺姿態間接測量，帶來陀螺所固有的抗震性能差，數據處理算法復雜、漂移大校準操作繁瑣等弊病。

技術實現要素：

針對背景技術中的現狀和不足，本發明提供一種新型的車載系留多旋翼控制系統架構。

本發明在系統架構中創造性的引入了綜合控制器空中部分10，擯棄了已有技術中用自駕做飛行器控制中心的傳統概念，而把綜合控制器空中部分10做成了名副其實的“控制自駕的控制器”，它把傳統自駕當作一個和其他傳感器和外設等同地位的智能模塊，并與使用系留線纜多維受力傳感器16和機載備用遙控接收機12、機上電源11、機載光端機14等傳感器和外設構成空中子系統1；由綜合控制器地面部分20同系留控制中已有的恒張力收放線、光纖綜合通信、地面站和車載起降機械設備、地面電源等構成地面子系統2；通過系留光纖實時通信把空中子系統和地面子系統相連接，組成一個強大的雙微處理器協調控制系統，利用已有技術中功能單一價格低廉卻成熟穩定的傳統非系留用多旋翼自駕及其通信協議，以及雙遙控接收機不同類型鏈路傳輸優選仲裁等技術統一協調組成一個閉環的天空與地面緊密聯系的控制反饋系統，從而實現了不用車載系留專用自駕就能實現車載系留系統的功能，而且做的更好；因此本發明的實施與使用車載系留專用自駕和各子系統分別自行控制的傳統方案相比有極強的性價比優勢。

本發明在系統架構中創造性的引入了系留線纜多維受力傳感器16和用它來通過測量系留線纜傾斜角推算飛行器距離放線輪的偏離方位和偏離量大小的方法，在自主精準起飛和精準降落時有效解決了現有背景技術中利用衛星差分定位和利用陀螺傳感器實現跟隨的技術的各種不足和弊病，也解決了現有技術中使用超聲、激光、紅外、微波雷達或光學成像檢測等其他有源主動式傳感器對環境要求高不易戶外維護易受干擾而不實用的缺點；

同時，本發明還公開了利用上述新型系統架構實現比現有技術更具優勢的控制方法：它定義了系統中手動模式、自動模式和地面站模式三種工作模式，在自動模式中又定義了自主起飛、自主降落、自動跟隨和地面靜止等四種工作狀態，并在不同工作模式和工作狀態采用不同的控制策略和方法，簡潔高效的克服了上述已有技術中的不足，實現了本發明的目的。

下面通過對照附圖的詳細說明和具體實施方案對本發明內容進行更清晰的深入闡述。

附圖說明：

圖1為本發明用用一種車載系留多旋翼控制系統架構的整體組成示意圖；

在圖中，各標號所代表的部件是：

1空中子系統；10綜合控制器空中部分；11機上電源；

12機載備用遙控接收機；13多旋翼飛行器自動駕駛儀；14機載光端機；

15線纜內光纖；16系留線纜多維受力傳感器；

100機殼機載控制器用；101機載電路板；102微處理器a;

103機載控制固件；104機上板載電源；105機上遙控輸入口；

106機上遙控輸出口；107機上第一串口；108機上第二串口；

109機上傳感器接口；

2地面子系統；20綜合控制器地面部分；21地面電源；

22線輪伺服電機驅動器；23光電滑環；24地面光端機；

25地面站及車載控制器；26地面遙控接收機；27系留線纜張力傳感器；

200機殼地面控制器用；201地面電路板；202微處理器b；

203地面控制固件；204地面板載電源；205地面第一串口；

206地面第二串口；207地面第三串口；208地面遙控輸入口

209地面傳感器接口。

下面結合附圖詳細說明各部件間的包含和相互連接關系：

所述車載系留多旋翼控制系統架構，分為空中子系統1和地面子系統2兩大部分，它們之間通過線纜內光纖15相連接。

其中，空中子系統1包括：綜合控制器空中部分10、機上電源11、機載備用遙控接收機12、多旋翼飛行器自動駕駛儀13、機載光端機14、線纜內光纖15和系留線纜多維受力傳感器16組成；

所述的綜合控制器空中部分10，包括機殼100和裝在它里邊的機載電路板101；

所述的機載電路板101，是一塊或多塊通過接插件相連的pcb電路板，pcb板上包括以下電路：微處理器a102和它內部固化的機載控制固件103、機上板載電源104、機上遙控輸入口105、機上遙控輸出口106、機上第一串口107、機上第二串口108和機上傳感器接口109。

其中，地面子系統2包括：綜合控制器地面部分20、地面電源21、線輪伺服電機驅動器22、光電滑環23、地面光端機24、地面站及車載控制器25、地面遙控接收機26、系留線纜張力傳感器27組成；

所述的綜合控制器地面部分20，包括機殼200和裝在它里邊的地面電路板201；

所述的地面電路板201，是一塊或多塊通過接插件相連的pcb電路板，pcb板上包括以下電路：微處理器b202和它內部固化的地面控制固件203、地面板載電源204、地面第一串口205、地面第二串口206、地面第三串口207、地面遙控輸入口208和地面傳感器接口209。

上述各部件間的電路連接關系，已在圖1中用連接線清楚標明，下面再解釋說明一下：

在機載電路板101上，機上板載電源104、機上遙控輸入口105、機上遙控輸出口106、機上第一串口107、機上第二串口108、機上傳感器接口109分別與微處理器a102相電路連接。

在地面電路板201上，地面板載電源204、地面第一串口205、地面第二串口206、地面第三串口207、地面遙控輸入口208和地面傳感器接口209分別與微處理器b202相電路連接。

需要說明的是，隨著微處理器芯片技術的發展，上邊所說的電路板上的某些電路外設部件可能已經集成到了芯片內部，因此這些電路及連接也可能是隱含在微處理器a102或微處理器b202內部的；圖1將上述與微處理器直接相連的外圍接口部件明確畫出來只是為了更清晰闡述系統架構的連接關系，并不意味著這些部件一定以分立形式存在于電路板上，它們也完全可以集成在芯片內部；這種集成可以通過芯片的技術說明明確界定而不影響本發明的權利要求范圍。

在空中子系統1中，系留線纜多維受力傳感器16和機上傳感器接口109相連接；機上電源11和機上板載電源104相連接；機載備用遙控接收機12和機上遙控輸入口105相連接；多旋翼飛行器自動駕駛儀13分別和機上遙控輸出口106、機上第一串口107相連接；機載光端機14和機上第二串口108相連接。

在地面子系統2中，線輪伺服電機驅動器22和地面第一串口205相連接；地面電源21和地面板載電源204相連接；地面光端機24和地面第二串口206相連接；地面站及車載控制器25和地面第三串口207相連接；地面遙控接收機26和地面遙控輸入口208相連接；系留線纜張力傳感器27和地面傳感器接口209相連接；

除了以上電信號連接關系外，地面光端機24還通過光纖經由光電滑環23連接線纜內光纖15的地面端，線纜內光纖15的空中端連接機載光端機14，從而完成連接空中子系統1和地面子系統2的光通信鏈路。

在實施方案中也有對附圖需要進一步說明的地方進行了文字說明解釋。

具體實施方案：

下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施方案：

附圖1中所述的系留線纜多維受力傳感器16，它是一個三維拉力傳感器及其配套變送器的組合，它的靜態固定基座剛性連接在多旋翼飛行器的底部，而測力端與系留線纜連接器件剛性連接在一起，從而在系留線纜有一定張力繃緊時，此拉力傳感器相互垂直的幾個力分量的比例關系可以計算出系留線纜受力的矢量方向，綜合控制器空中部分10通過它感知系留線纜在空間的方位角從而提供一種在飛行高度低于線纜傾斜敏感高度hj時測量飛行器和地面系留點偏移方位和偏移大小的手段；

在線纜繃緊到一定程度時，線纜受力的矢量方向可以看作是線纜在空間的傾斜角度，而飛行器距離線輪放線器的高度是可以實時測量得到的，因為系留線纜多維受力傳感器16與飛行器是剛性固連，它的x,y,z三個坐標軸和飛行器的姿態是固定的已知關系，特別是當飛行器懸停時可看成俯仰角和橫滾角都基本為0，偏航角也可以通過自動駕駛儀上的磁羅盤等傳感器得到，因此通過簡單的空間幾何關系運算，就可計算出飛行器距離放線輪的偏離方位和偏離量大小。

但上述計算在實施中有些限制，一方面系留線纜是有重量的，而其繃緊的程度也受飛行器最大升力的影響，另外還有風的影響，這使得在線纜長度比較長時誤差變大且靈敏度變差而不實用，但是在線纜長度較短時還是很有效的，我們根據實際經驗設定一個這種算法可以使用的閾值，因為這種算法只在精準起飛降落或超低空跟隨時才用，而這時的控制目標都是要讓飛行器到達線輪正上方即線纜盡量垂直，因此我們就使用飛行器的高度來定義這個閾值，就是上面所述的線纜傾斜敏感高度hj，這是個實際測得的經驗值，它和傳感器本身精度、線纜百米重量，線纜柔軟程度和線纜的張力以及風速等因素有關，一般在5米到30米左右。

附圖1中所述的系留線纜張力傳感器27，它是一個多滑輪式的線繩張力傳感器及其配套變送器的組合，它安裝在地面系留纜線輪前端用來測量系留線纜的實時張力，綜合控制器地面部分20通過它感知系留纜繩的繃緊程度；

附圖1中所述的線輪伺服電機驅動器22，它是一個具有串行通信接口的智能伺服電機控制驅動器，可以根據串口通信協議接受對伺服電機的參數設置和實時控制，綜合控制器地面部分20通過它實時控制線輪的收放方向、速度和轉矩；

附圖1中所述的多旋翼飛行器自動駕駛儀13，它是個具有遙控接口和串行通訊接口，具有自主定點懸停能力的通用多旋翼自動駕駛儀，但它的遙控接口不是直接接遙控接收機，而是通過機上遙控輸出口106接收綜合控制器空中部分10的遙控指令，它的串行通訊接口不是通過類似數傳電臺等遠程通信設備接地面站，而是通過連接機上第一串口107與綜合控制器空中部分10的微處理器a102雙向交互信息，這種連接結構使得綜合控制器空中部分10可以完全替代人工自動的控制多旋翼飛行器自動駕駛儀13，也可以完全透明的轉發人工控制指令和反饋信息。

附圖1中所述的地面遙控接收機26和機載備用遙控接收機12，是通用的無人機無線遙控接收機，這兩個接收機使用相同或兼容的型號，使得兩者可以同時和同一個遙控器對頻同時接收遙控指令；

機載備用遙控接收機12通過與其連接的機上遙控輸入口105將其接收的遙控指令傳送給微處理器a102；

地面遙控接收機26通過與其連接的地面遙控輸入口208將其接收的遙控指令傳送給微處理器b202，并由微處理器b202將其打包到光纖傳送的數據包內轉發到微處理器a102；

微處理器a102通過上述電路連接關系同時取得經兩路不同傳輸信道接收的同一遙控指令并對其優選后進一步處理。

上面已經從系統架構的角度詳細說明了本系統的實施方案，面再從控制方法角度對本發明的實施進行更深一層次的細節說明：

所述的車載系留多旋翼控制系統中的多旋翼飛行器自動駕駛儀(13)本身不需有控制系留多旋翼跟隨車輛飛行和自主精準起飛、降落并同步自動收放系留線纜的功能，上述功能是由綜合控制器空中部分(10)通過自動駕駛儀(13)上的串口和遙控口與其通信并智能控制它，同時通過光纖與綜合控制器地面部分(20)實時通信協同合作實現的，具體控制方法是：

綜合控制器空中部分(10)有手動模式、自動模式和地面站模式三種工作模式，在自動模式下又分為自主起飛、自主降落、自動跟隨和地面靜止等四種工作狀態，上述工作模式和工作狀態可通過監視遙控輸入的兩個既定通道的值由遙控器設定：遙控器上的一個三檔開關k1對應通道用于切換手動模式、自動模式和地面站模式，另一個三檔開關k2對應通道用于切換自主起飛、自主降落和自動跟隨工作狀態(地面靜止狀態是在系統上電初始化完成或自主降落完成后自動進入），只有在k1為自動模式時k2才起作用，并且在飛行器正在空中飛行時切換到自主起飛無效，正在地面靜止狀態時切換到自主降落無效，在丟失遙控信號時默認k1在地面站模式；

在所述的手動模式下，微處理器a(102)透明的轉發仲裁優選后的遙控指令到自動駕駛儀(13)，透明的雙向轉發地面站到自動駕駛儀(13)的通信數據，從而實現純手動的人工操控系留飛行器，此時綜合控制器地面部分(20)根據系留線纜張力傳感器(27)的值按恒定張力控制算法同步的收放線纜；

在所述的地面站模式下，微處理器b(202)用接收自地面站搖桿的橫滾、俯仰、偏航和油門通道的數據替代地面遙控接收機(26)的相應通道數據通過光纖發送給微處理器a(102)并直接透明轉發到自動駕駛儀(13)，從而實現用地面站搖桿純手動的人工操控系留飛行器，其他同手動模式；

在所述的自動模式下，微處理器a(102)按一定周期動態查詢三檔開關k2對應通道的狀態值，當發現本次查詢的狀態值與上次查詢不同時，就切換進入本次查詢值對應的工作狀態；

在所述的自動模式下，微處理器a(102)把自己仿真為一個地面站通過串口與多旋翼飛行器自動駕駛儀(13)雙向交換數據，取得當前自駕狀態并發送諸如設置目標高度、目標位置、設置切換航點、返航等地面站控制指令且接收結果數據反饋，，同時還把自己仿真為一個遙控接收機，向自動駕駛儀(13)的遙控接收口發送根據一定算法自動生成的遙控指令實現小范圍內對飛行器位置姿態的微調，從而實現控制飛行器的跟隨車輛飛行和自主精準起飛、降落；

在由微處理器a(102)進行高度和位置跟隨控制的同時，由微處理器b(202)根據系留線纜張力傳感器(27)采集的數據，使用傳統的恒張力控制算法，控制線輪同步收放線，使系留纜線繃緊并維持一定張力。

由于在自動模式下使用了上邊所說的由線纜傾斜角度推算飛行器距離放線輪的偏離方位和偏離大小的算法，在既定的hj下，一般情況下張力越大，測量線纜傾斜角度精度越高；因為在自主起飛、低空跟隨和自主降落時對這種估算精度有不同要求，同時也考慮收線、放線的速度對張力控制的影響，在實施本方案時可以在不同工作狀態設定不同的線纜繃緊張力，它們分別是：在低空跟隨和維持懸停時的線纜張力fx、在自主起飛等工作狀態線輪放線時的張力ff和在自主降落等工作狀態線輪收線時的張力fs，這三個值都是需要在實施中根據實驗數據確定的經驗值，和線纜特性、放線輪機械結構、飛機動力情況等多種因素相關。

下面著重介紹一下自動模式下各工作狀態的具體控制流程和方法：

進入自主起飛工作狀態的流程和控制方法是：

先判斷是否從地面靜止狀態進入的，如果不是就直接返回原工作狀態，如果是就向地面站及車載控制器(25)發指令進行起飛前的車載設備初始化化并取得起飛點坐標、飛行目標高度、默認上升速率等起飛參數，同時與自動駕駛儀(13)通信取得gps定位狀況等參數；

在車載設備和自駕都滿足起飛條件后，向自動駕駛儀(13)發遙控指令解鎖，并切換到自主懸停模式，然后逐漸加大油門，使飛行器起飛，并根據反饋回的高度和上升速率動態調節油門量保持飛行器平穩上升，同時通過線輪伺服電機驅動器(22)控制線輪同步放線，并使線纜繃緊保持放線張力ff，同時通過系留線纜多維受力傳感器(16)采集的信息計算判斷系留纜的垂直程度，如果傾斜太大則微調遙控輸出的俯仰或橫滾通道值使飛行器微調懸停水平位置使其垂直；

在監測到飛行器上升超過線纜傾斜敏感高度hj后，關閉線纜傾斜判斷對飛行器水平位置的微調，在監測到飛行器上升到既定的飛行目標高度后，控制線輪停止放線，同時微調油門的大小，使系留纜線繃緊并維持懸停張力fx，待飛行器懸停穩定后完成自主起飛，切換到自動跟隨工作狀態。

進入自主降落工作狀態的流程和控制方法是：

先判斷是否從地面靜止狀態進入的，如果是就仍然保持地面靜止狀態不變，否則就向地面站及車載控制器(25)發指令進行降落前的車載設備準備并取得降落點坐標、降落點高程、默認下降速率等降落參數；

在車載設備滿足自動降落條件后，向自動駕駛儀(13)發遙控指令逐漸減小油門，使飛行器下降，并根據反饋回的高度和下降速率動態調節油門量保持飛行器平穩回落，同時通過線輪伺服電機驅動器(22)控制線輪同步收線，此時線纜仍保持懸停張力fx；

在監測到飛行器下降到低于線纜傾斜敏感高度hj后，開啟線纜傾斜判斷對飛行器水平位置的微調，并使線纜進一步繃緊保持收線張力fs，同時通過系留線纜多維受力傳感器(16)采集的信息計算判斷系留纜的垂直程度，如果傾斜太大則微調遙控輸出的俯仰或橫滾通道值使飛行器微調懸停水平位置使其垂直；

在盡力保持線纜垂直的情況下繼續微調油門控制飛行器按設定下降速率降低高度，直到檢測到下降速率持續為零，并且車載設備發出著陸到位反饋后，向自動駕駛儀(13)發遙控指令收油停槳加鎖完成自主降落，切換到地面靜止狀態。

進入自動跟隨工作狀態的流程和控制方法是：

如果是自主起飛或自主降落未完成而通過切換k2提前進入，則捕獲當前高度作為新的飛行目標高度，中止原來起飛或降落流程提前轉入自動跟隨工作狀態；

在自動跟隨工作狀態其飛行高度控制方法是：

自動駕駛儀(13)保持在自主懸停的工作模式，由自動駕駛儀(13)自動維持飛行器在飛行目標高度懸停，微處理器a(102)監測反饋回的實際高度值，當發現實際高度與飛行目標高度偏差超過既定值后微調油門遙控量進行修正；

其位置跟隨控制方法是：

在實際飛行高度大于線纜傾斜敏感高度hj時，主要使用傳統的gps坐標定位跟蹤辦法，即每隔一定周期通過地面站及車載控制器(25)取得車的gps坐標并經由微處理器b(202)由光纖信道傳給微處理器a(102)，作為飛行器的新目標位置，而從自駕取得的飛行器當前gps坐標為起始位置，由微處理器a(102)按傳統算法解算出橫滾和俯仰應給的遙控量，控制飛行器在保持高度情況下向車的位置移動；

在實際飛行高度不大于線纜傾斜敏感高度hj時，主要使用線纜傾斜判斷對飛行器水平位置進行調整，這時通過系留線纜多維受力傳感器(16)采集的信息計算判斷系留纜的傾斜方向和水平方向力的相對大小，根據在實驗中實際測得的經驗數值調整遙控輸出的俯仰、橫滾通道的控制量，控制飛行器向系留線纜傾斜減小的方向移動，宏觀效果上看就像飛行器被系留線纜拖拽著跟隨車飛。

經過上述從系統架構和控制方法兩個角度對本發明的詳細描述可以看出，本發明的實施，已經從基本架構和原理上解決了背景技術中的缺點和不足。

本發明旨在公開一種車載系留多旋翼控制系統架構及其控制方法，而不糾結于系統架構中某個部件如何選型、某行程序代碼如何編寫、以至于某顆螺釘用銅還是鋁等等這樣的實施中瑣碎細節問題，因為針對本發明的系統架構和控制方法，不同的開發者可能根據自己的經驗和技術儲備選擇很多種具體型號的器件和軟件編程風格，而且新的傳感器和微處理器等器件也日新月異層出不窮，在此說明中沒有必要也不可能一一羅列其具體型號。顯然，本領域技術人員可以不脫離本發明的系統架構和控制方法在多種具體型號微處理器、傳感器及執行機械設備以至于程序編程代碼風格、人機界面畫面這些方面選擇組合出很多很多種實施實例，類似這類情況都不構成對本發明權利要求范圍的限制；

另外特別申明，雖然本發明是基于車載系統的闡述，也還沒有進行過其他載具（比如艦/船）上的實施實驗，但倘若本領域技術人員在沒有進行任何其他創造性改進而直接把本方案實施于其他載具并且有效，則這種載具的不同也不應構成對本發明本質性技術的改變。

通過本說明的公開，相信有從事車載系留多旋翼開發能力的本領域研發人員已獲得充分的實施本專利權利要求范圍內的技術信息。