本發(fā)明涉及一種基于雙余度六旋翼無人機的無線電探空系統(tǒng)，屬于氣象探測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大氣邊界層是人類活動和各項生態(tài)環(huán)境構(gòu)成的主要層次，是地球表面和自由大氣間動量、熱量和物質(zhì)屬性交換必經(jīng)的氣層。國內(nèi)外重大氣象實驗大都把大氣邊界層研究作為核心的科學(xué)內(nèi)容之一,其探測的氣象要素一般包括氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等。

大氣邊界層探測可依托現(xiàn)有的高空氣象站開展。高空氣象站是氣象部門設(shè)在陸地或海上實施高空氣象觀測的場所，其主要任務(wù)是定時施放攜帶無線電探空儀的探空氣球探測高空氣象要素值，并將獲取的資料按世界氣象組織規(guī)定的統(tǒng)一格式整理、編報，通過通信系統(tǒng)傳輸給有關(guān)部門。高空站設(shè)備和場地除施放的無線電探空儀外，主要有溫、濕、壓等氣象要素的探空信號接收機和記錄設(shè)備。有不少高空氣象站還采用測風(fēng)雷達系統(tǒng)追蹤氣球的方式來進行風(fēng)速和風(fēng)向的探測。由于高空氣象站站點較少，站間距較大，其數(shù)據(jù)僅能代表一定范圍內(nèi)的邊界層特征，往往無法滿足科學(xué)研究的實際需求；同時無線電探空儀探空儀上升速度高達6~7m/s，以保證傳感器的通風(fēng)要求，導(dǎo)致無法對大氣邊界層進行高分辨率探測。

若研究區(qū)域距離高空氣象站站點較遠，則往往通過系留探空系統(tǒng)開展大氣邊界層探測。系留探空系統(tǒng)組成主要包括氣艇、系留繩、絞車、探空儀以及地面接收系統(tǒng)等，其中氣艇體積一般超過6立方米、絞車重量達60千克。為保證系留探空系統(tǒng)的安全，要求風(fēng)速較大或有降水事件發(fā)時停止觀測。因此，在系留探空系統(tǒng)開展大氣邊界層探測時，可能因氣象條件不符合要求而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測；同時氣艇、絞車等也需轉(zhuǎn)移至庫房等安全區(qū)域，對野外觀測場地提出苛刻的要求，也造成人力的大量浪費。

小型六旋翼無人機以其靈活簡便的操控性、優(yōu)越的低速飛行性能、簡易的機體結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)垂直起降和定點懸停等優(yōu)點而得到廣泛的使用。目前多旋翼無人機的慣導(dǎo)模塊( 航姿傳感器) 多采用單模塊設(shè)計。而慣導(dǎo)模塊是多旋翼無人機飛行的核心部分，此模塊出現(xiàn)問題，多旋翼無人機無法正常飛行，導(dǎo)致多旋翼無人機的可靠性與安全性降低。多旋翼無人機由于姿態(tài)傳感器安裝的位置或重心等問題，導(dǎo)致配平點姿態(tài)不為0，在遙控器不打桿的情況下會向某個方向漂移。多旋翼無人機在電池電量低的情況，高度控制不穩(wěn)，容易掉高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙余度六旋翼無人機的無線電探空系統(tǒng)，用于開展全天候的高分辨率大氣邊界層探測，在確保探測數(shù)據(jù)的完整性的同時，還可有效減少人力的支出，是現(xiàn)有大氣邊界層探測常用手段的可行性替代方案。本發(fā)明采用航姿傳感器雙余度，提高六旋翼無人機飛行的可靠性與安全性；在高度保持中融合電池的電量，可保證六旋翼無人機在電池電量低的情況下，依然能夠高度保持，有效的解決在低電狀態(tài)下，高度不穩(wěn)的問題；通過地面站上傳俯仰通道和滾裝通道的配平點控制量，減弱六旋翼無人在手動模式下的漂移，可提高后續(xù)定點和自動飛行控制的品質(zhì)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種基于雙余度六旋翼無人機的無線電探空系統(tǒng)，包括六旋翼無人機、無線電探空儀和地面站，其中，六旋翼無人機包括機架、六個飛行機構(gòu)、飛行控制單元、傳感器模塊、機載無線數(shù)傳模塊、電源模塊和遙控接收機；所述六個飛行機構(gòu)設(shè)置在所述機架的六個機臂的端點上；所述飛行機構(gòu)包含依次相連的槳葉、電機和電子調(diào)速器，且電子調(diào)速器通過PWM 輸出驅(qū)動電路與所述飛行控制單元相連；所述傳感器模塊包含MTI 姿態(tài)傳感器、六軸姿態(tài)傳感器、三軸磁場傳感器和氣壓計；所述飛行控制單元分別和MTI 姿態(tài)傳感器、六軸姿態(tài)傳感器、三軸磁場傳感器、氣壓計、機載無線數(shù)傳模塊、電源模塊、遙控接收機相連；無線電探空儀包括供電的電源模塊、微型處理器、氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、衛(wèi)星定位導(dǎo)航傳感器、無線數(shù)傳模塊；無線電探空儀設(shè)置在六旋翼無人機內(nèi)；地面站包括控制模塊、存儲模塊、地面無線數(shù)傳模塊和遙控器，其中，地面無線數(shù)傳模塊分別與機載無線數(shù)傳模塊、無線數(shù)傳模塊進行無線通訊；地面站控制六旋翼無人機升空后，無線電探空儀中各傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過第二無線數(shù)傳模塊傳輸至地面站；地面無線數(shù)傳模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至存儲模塊進行存儲，以供工作人員調(diào)用。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，遙控器采用2.4GHz 的FUTABA 遙控器。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述飛行控制單元采用STM32F407單片機。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述電機通過連桿機構(gòu)與固定翼無人機連接。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述MTI 姿態(tài)傳感器采用的是XSENS 公司的MTI-300。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述氣壓計采用由MEAS 推出的新一代高分辨率氣壓傳感器MS5611。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明的技術(shù)方案可開展全天候的高分辨率大氣邊界層探測，在確保探測數(shù)據(jù)的完整性的同時，還可有效減少人力的支出。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

本發(fā)明提供一種基于雙余度六旋翼無人機的無線電探空系統(tǒng)，包括六旋翼無人機、無線電探空儀和地面站，其中，六旋翼無人機包括機架、六個飛行機構(gòu)、飛行控制單元、傳感器模塊、機載無線數(shù)傳模塊、電源模塊和遙控接收機；所述六個飛行機構(gòu)設(shè)置在所述機架的六個機臂的端點上；所述飛行機構(gòu)包含依次相連的槳葉、電機和電子調(diào)速器，且電子調(diào)速器通過PWM 輸出驅(qū)動電路與所述飛行控制單元相連；所述傳感器模塊包含MTI 姿態(tài)傳感器、六軸姿態(tài)傳感器、三軸磁場傳感器和氣壓計；所述飛行控制單元分別和MTI 姿態(tài)傳感器、六軸姿態(tài)傳感器、三軸磁場傳感器、氣壓計、機載無線數(shù)傳模塊、電源模塊、遙控接收機相連；無線電探空儀包括供電的電源模塊、微型處理器、氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、衛(wèi)星定位導(dǎo)航傳感器、無線數(shù)傳模塊；無線電探空儀設(shè)置在六旋翼無人機內(nèi)；地面站包括控制模塊、存儲模塊、地面無線數(shù)傳模塊和遙控器，其中，地面無線數(shù)傳模塊分別與機載無線數(shù)傳模塊、無線數(shù)傳模塊進行無線通訊；地面站控制六旋翼無人機升空后，無線電探空儀中各傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過第二無線數(shù)傳模塊傳輸至地面站；地面無線數(shù)傳模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至存儲模塊進行存儲，以供工作人員調(diào)用。

本發(fā)明采用“X 型”六旋翼無人機機架結(jié)構(gòu)，其飛行軌跡及飛行姿態(tài)均由六個槳葉及電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)：當(dāng)六個旋翼的轉(zhuǎn)速同時增大( 減小) 時，飛機水平上升( 下降) ；當(dāng)前側(cè)兩個旋翼轉(zhuǎn)速大于( 小于) 后側(cè)兩個旋翼轉(zhuǎn)速時，飛機后仰( 前俯) ；當(dāng)左側(cè)三個旋翼轉(zhuǎn)速大于( 小于) 右側(cè)三個旋翼轉(zhuǎn)速時，飛機向右( 左) 偏轉(zhuǎn)；當(dāng)互成120 度的三個機臂旋翼轉(zhuǎn)速大于另外三個互成120 度機臂時，多旋翼無人機向左( 右) 偏轉(zhuǎn)航向。

一、飛行控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)原理

本發(fā)明中，該六旋翼無人機和地面站的通信有兩種方式，即2.4GHz 的FUTABA 遙控器無線通信和915MHz 無線傳輸模塊通信。

FUTABA 遙控器是日本雙葉電子工業(yè)株式會社生產(chǎn)的一款航模通用的遙控器，與該品牌接收機配套使用。航模操縱者可以通過撥動遙控器上的一些撥桿，各撥桿所處的不同位置對應(yīng)于不同的行程，能產(chǎn)生具有不同脈寬的各通道遙控PWM 信號。無線數(shù)傳模塊傳輸頻率為915MHz，最大傳輸距離為700m，分為兩個模塊，分別是Air 模塊( 串口) 用于飛行器搭載，Ground 模塊(USB 接口) 用于地面連接電腦使用。

本發(fā)明的六旋翼無人機包括飛行控制單元(CPU)、傳感器模塊、無線傳輸模塊、電源模塊和遙控接收機。三對槳葉及電機位于六旋翼機機臂的六個端點，通過PWM 輸出驅(qū)動電路與飛行控制單元(CPU) 連接；六軸姿態(tài)傳感器、氣壓計和三軸磁場傳感器通過I2C 總線與飛行控制單元(CPU) 連接；無線數(shù)傳模塊通過UART 串口與飛行控制單元(CPU) 連接；地面站部分的地面無線數(shù)傳模塊與機載部分的無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)通訊；遙控器接收機通過UART 串口( 采用SBUS 協(xié)議) 與飛行控制單元(CPU) 連接；電源模塊通過AD 接口與飛行控制單元相連。

（1）飛行控制計算機硬件設(shè)計

本發(fā)明的飛行控制單元采用32位浮點型單片機，控制器為STM32F407。

控制器STM32F407是基于252MIPS 的Cortex-M4架構(gòu)的32位單片機，時鐘頻率高達168MHZ，其豐富的硬件接口資源（4個USART，2個USAT，3個I2C，3個SPI，3個12位AD，2個CAN等等）及功能強大的DMA控制方式，充分保證固定翼無人機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。以下對飛行控制計算機詳細描述：

飛行控制單元，集飛控、導(dǎo)航、與地面站通信功能于一身。主要負責(zé)讀取氣壓傳感器、遙控器、姿態(tài)傳感器等數(shù)據(jù)，同時負責(zé)與地面站進行無線數(shù)據(jù)傳輸，其功能是實時計算飛行器姿態(tài)和航線給予多旋翼無人機導(dǎo)航和飛性控制，并輸出控制指令給電子調(diào)速器，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。姿態(tài)傳感器飛行采用高低搭配雙余度，在正常飛行時，由MTi( 掛載)提供姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，板載航姿傳感器(IMU) 模塊作為備份和比較監(jiān)控信號。當(dāng)MTi 模塊出現(xiàn)故障時，由板載IMU 模塊提供姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，保證六旋翼無人機的穩(wěn)定飛行。其中，飛行控制單元的控制原理為常規(guī)技術(shù)手段，在各類專業(yè)文獻中均有刊出。

（2）傳感器模塊的設(shè)計

本發(fā)明中使用到的傳感器模塊包括：

1. 姿態(tài)傳感器

高精度MTI 姿態(tài)傳感器，低精度MPU6000 和HMC5883l 組合九軸姿態(tài)傳感，構(gòu)成姿態(tài)傳感器的雙余度。

MTI 姿態(tài)傳感器采用的是XSENS 公司的MTI-300，具有抗機械抖動和撞擊的優(yōu)異性能，能直接輸出高精度的3 軸角度、3 軸角速率和3 軸加速度等數(shù)據(jù)。靜態(tài)條件下，滾轉(zhuǎn)角與俯仰角測量偏差在0.2° -0.25°之間；動態(tài)情況下，其測量偏差分別為0.3° -1.0°之間，偏航角測量偏差最大為1.0°。提供高達2kHz 輸出數(shù)據(jù)頻率和低于2ms 的數(shù)據(jù)延遲。

六軸姿態(tài)傳感器選用美國Invensense 公司生產(chǎn)的MPU-6000，其整合了3 軸陀螺儀、3 軸加速器，為全球首例整合性6 軸運動處理組件。相較于多組件方案，MPU-6000 免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間，具有低功耗、低成本、高性能的特點。傳感器的測量數(shù)據(jù)最終可通過最高400kHz 的I2C 總線或最高20MHz 的SPI總線輸出。

三軸磁場傳感器采用的是Honeywell 公司的HMC5883L。該傳感器能在±8 高斯的磁場中實現(xiàn)5 毫高斯分辨率，內(nèi)置自檢功能，能讓羅盤航向精度精確到1° -2°，采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR) 技術(shù)，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點。

2. 無線數(shù)傳模塊

無線數(shù)傳模塊是該發(fā)明中用于遠程控制無人機一種方法，其控制范圍決定了無人機的飛行半徑。無線數(shù)傳模塊用于實現(xiàn)位于地面的地面站和位于空中無人機搭載的飛控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互傳。該設(shè)計選用3DR Radio Telemetry 數(shù)傳模塊，傳輸頻率為915MHz，最大傳輸距離為700m，使用UART 接口輸出數(shù)據(jù)。

3. 氣壓計

氣壓計采用由MEAS 推出的新一代高分辨率氣壓傳感器MS5611，該傳感器用來測量多旋翼飛行器絕對飛行高度。該模塊包含了一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，提供了一個精確的24 位數(shù)字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉(zhuǎn)換速度并優(yōu)化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實現(xiàn)高度計/ 溫度計功能。工作溫度范圍：-40-85℃，精確度：在飛行高度750m 時，偏差-1.5m ～ +1.5m。

本發(fā)明中，使用10000mAh、25C、22.2V 鋰電池為固定翼無人機的飛行動力供電，飛行控制單元的電源需進行降壓，提供5V、3.3V 這兩種直流電源以滿足控制芯片的需求。使用MP2482 芯片實現(xiàn)動力電池穩(wěn)定輸出5V ；使用美國MICREL 公司生產(chǎn)的MIC5219-3.3 實現(xiàn)5V → 3.3V 的低壓降，可達到很高的效率，且成本低，噪音低，靜態(tài)電流小。

本發(fā)明所設(shè)計的自動飛行控制系統(tǒng)能通過地面站設(shè)定航線及六旋翼無人機飛行動作，比如，起飛、降落、航線跟蹤，并通過無線數(shù)傳模塊將航線信息傳輸給六旋翼無人機。本發(fā)明采用100Hz作為控制頻率，完成對姿態(tài)傳感器的解析與控制律的運算，經(jīng)過轉(zhuǎn)換以PWM值輸出給電機和舵機，驅(qū)動六旋翼無人機完成航線飛行。

本發(fā)明一種基于六旋翼無人機的無線電探空系統(tǒng)，其具體工作流程如下：根據(jù)實際需求，在地面中預(yù)先設(shè)置程序，控制六旋翼無人機升空；無線電探空儀將所在高度的氣象要素采集后，通過無線數(shù)據(jù)傳送的方式把數(shù)據(jù)發(fā)至地面站；地面站通過地面無線數(shù)傳模塊接收，并發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲模塊，實現(xiàn)氣象要素數(shù)據(jù)的存儲。當(dāng)無線電探空儀上升至指定高度后，地面站結(jié)束數(shù)據(jù)的處理工作，工作人員對接收到的數(shù)據(jù)進行整理與分析，并根據(jù)要求制作大氣邊界層高度、逆溫層、風(fēng)場特性以及溫、濕廓線等探測報告產(chǎn)品。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。