毕业论文范文——多旋翼无人机接力遥控系统设计与应用研究

毕业设计（论文）报告纸 编号 南京航空航天大学毕业论文题 目多旋翼无人机接力遥控系统设计与应用研究学生姓名学 号 学 院自动化学院专 业自动化班 级指导教师 年 月多旋翼无人机接力遥控系统设计与应用研究摘 要本文基于已有的多旋翼无人机飞行控制系统设计并实现了多旋翼无人机接力遥控（Relay Remote control, RRC）系统，并对其在电力系统张力放线中的应用进行了研究。多旋翼无人机在进行远距离电力放线等超视距作业时，由于无人机操控人员视线不佳而经常难以有效完成任务。RRC系统旨在通过分布在作业航路上的多个操控人员接力操控无人机以解决这一问题。无人机RRC系统由RRC控制器与无人机飞控组成，RRC控制器可同时接收四个遥控器信号，根据某一遥控器的请求将该遥控信号映射给多旋翼无人机飞控系统，将无人机交由发送请求的遥控器控制，从而实现多人对无人机的接力操控。此外，由于应用多旋翼无人机进行电力放线作业时必须遵循严格的操作规范，本文对无人机接力遥控系统在电力放线中的应用进行了方法研究，描述了基于RRC系统的电力放线操作规范。关键词：多旋翼无人机，接力遥控，电力放线Design and Implementation Research of Relay-Remote Control System of Multi-Rotor AircraftAbstractIn this paper, a RRC(Relay-Remote Control) system of multi-rotor UAVs is designed and achieved, which is based on the flight control system of multi-rotor aircraft we already have , and the application of the system in the process of tension stringing in power system is also studied.Since its hard for the pilot to operate the UAV effectively when its conducting a beyond visual range task like the remote tension stringing, the RRC system is designed to solve the problem by allowing several pilots who are distributed along the flight path to operate the UAV one by one. The RRC system of UAVs consists of the flight control system of UAV and the RRC controller, which can receive four remote signals at the same time, and output one of them to the flight control system according to the request of the remote controller. By that way the RRC system provides a possibility for relay remote control. After the implementation, this paper did a lot of research on the operation specification of the application of RRC system during tension stringing process in power system, and made a detial instruction for use.Key Words：multi-rotor aircraft; relay-remote control; tension stringing目录摘 要iAbstractii第一章 引言11.1 研究背景11.1.1 多旋翼无人机应用背景11.1.2 无人机电力放线技术现状31.2 研究意义41.3 研究目标与关键技术分析41.3.1 研究目标41.3.2 关键技术分析51.4 本文研究的主要内容5第二章 RRC控制器硬件设计与实现62.1 整体硬件构成62.2 RRC电路原理图设计72.2.1 主控器件最小系统82.2.2 S.BUS信号处理电路92.2.3 PWM信号驱动电路102.2.4 USB-RS232转换模块112.3 接力遥控器PCB设计122.3.1 PCB信号线布线设计122.3.2 晶振电路布线设计122.3.3 电源及接地线设计13第三章 RRC系统软件设计153.1 RRC功能定义153.2 RRC嵌入式程序设计163.2.1 Futaba遥控信号解码173.2.2 遥控切换逻辑203.2.3 平滑切换方案213.3 RRC上位机调参软件设计223.4 RRC系统失控保护策略研究24第四章 RRC系统电力放线研究264.1 电力放线基本方法264.1.1 电力放线基本概念264.1.2 初导引绳展放方法对比274.2基于RRC系统的放线规范研究294.2.1 前期准备工作294.2.2 制定方案304.2.3 现场布置354.2.4 起飞前准备工作354.2.5 无人机起飞作业364.3 RRC系统电力放线实验验证36第五章 总结与展望395.1 全文总结395.2 研究展望39参考文献40致 谢41vi第一章 引言1.1 研究背景1.1.1 多旋翼无人机应用背景按照布局形式划分，多旋翼飞行器属于非共轴式碟形飞行器，其中又以四旋翼飞行器最为常见。四旋翼飞行器的研究历史最早可以追溯至上世纪初期。1907年Breguet兄弟与Richet教授合作建造了世界上第一架大型四旋翼飞行器Breguet-Richet，但是该四旋翼飞行器四个螺旋桨的动力全部来自同一台内燃机，由于在当时缺乏有效的控制手段以精确控制各个旋翼的转速，因而无法实现长时间稳定飞行，该研究计划最终被放弃1。之后的半个多世纪内一些学者也陆续搭建了类似的大型四旋翼飞行器，但一直没有取得重大进展。虽然多旋翼飞行器历史由来已久，但直到最近十几年才取得实质性的发展。从上世纪90年代开始，随着新材料技术、微机电（MEMS）技术以及计算机控制技术的迅猛发展，一系列小型电动多旋翼飞行器应运而生，其优点也逐渐显现，吸引了国内外众多学者以及飞行器爱好者团体，取得了很多突出的研究成果。欧美发达国家最早涉足多旋翼飞行器的研究，在美国像宾夕法尼亚大学、斯坦福大学和麻省理工学院等高校在多旋翼飞行器相关研究领域均取得了令人瞩目的成绩2345。德国也很早就开始了对小型多旋翼飞行器的研究，目前有一些公司已经开发出相当成熟的多旋翼飞行器产品，当中较典型的是由德国Microdrones GmbH 公司研发的MD4系列四旋翼飞行器6。MD4-1000 和MD4-3000 是目前商业领域多旋翼飞行器中最先进的代表，其中MD4-1000的续航时间最长可达88分钟，为多旋翼飞行器赋予了的更强的实用价值，如图1.1所示。图1.1 MD4-1000四旋翼无人机多旋翼飞行器在国内兴起得较晚，但近年来成为了热点研究课题。北京航空航天大学、国防科技大学、南京航空航天大学等高校较早投入到国内小型多旋翼飞行器的研究，均取得了一定的成果，但是距离国际先进水平还有很大的差距。目前国内市场上较为成熟的商业多旋翼飞行器厂家主要是深圳大疆创新公司以及北京零度智控等航模公司。其中大疆创新公司自主生产的NAZA、WOOKONG等多旋翼飞控系统被广泛应用于航模表演和专业航拍领域，在国际市场上也占有一定的份额。大疆公司还生产航拍专用的多旋翼机体，如图1.2所示。图1.2 DJI 筋斗云S800 EVO八旋翼无人机多旋翼无人机的机体结构相对简单，一般将旋翼对称分布在机体周围，通过协调各个旋翼的转速就可以改变无人机姿态，继而实现垂直起降、悬停、侧飞，甚至倒飞等多种飞行动作，且其飞行姿态十分稳定，能够有效消除外界环境中的微小扰动。与固定翼无人机相比，多旋翼无人机具有纵向的运动能力，能够实现悬停以及垂直起降，极大地降低了对起降的场地要求。高度智能化后，多旋翼无人机甚至能够实现自主起飞、自主着陆和编辑航路点飞行等自主飞行任务7。多旋翼无人机虽然发展时间不长，但是已经取得了许多显著的应用成果，在军事和民用领域拥有广阔的发展前景，并且已经有了一定的应用基础。在军事领域，多旋翼无人机可以应用于敌情侦察、通信中继、反恐训练等方面，甚至可以携带小型火炮武器执行敌后攻击任务。在民用领域，多旋翼无人机主要用来执行航拍任务。由于其优异的稳定性，使用多旋翼无人机进行航拍能够获得清晰稳定的高质量影像。此外，电力行业对多旋翼无人机同样有强烈的需求，尤其是在智能巡检输电线路74以及无人机电力放线技术领域。在智能巡检输电线路技术领域，利用多旋翼无人机巡查输电线路上的故障，不仅大幅降低巡线所需时间，提高了工作效率，而且还避免了人工巡线中发生人员伤亡的可能性，如图1.2所示。而利用多旋翼无人机进行电力放线作业更改变了传统所使用的人工架线的作业方式，经过实际测试证明了其巨大的优越性，并且已经成功应用在电力系统放线作业中。图1.2 多旋翼无人机智能巡检输电线路1.1.2 无人机电力放线技术现状电力系统进行高压铁塔间的架线操作时，需要在架设输电导线前先展放导引绳，以导引输电导线架设。传统的导引绳的展放方式为人力及机械牵引方式10，这种方式需要操作人员携带导引设备爬上高空铁塔，存在较大的安全隐患且效率较低。近年来随着技术的不断成熟，无人机也逐渐被应用于电力放线中初导引绳的展放作业。无人机展放初导引绳是利用无人机作为牵引设备，和专用的放线设备相互配合，进行“一牵一张”张力展放的方法11。在展放过程中，利用无人机牵引初导绳通过放线段塔顶，操作人员通过对讲机引导将初导绳投放在塔顶，完成架线的操作，如图1.3所示。图1.3 多旋翼无人机展放初导引绳无人机展放初导引绳的施工方法，适用于平原和丘陵地区的各电压等级输电线路的初导引绳展放作业，尤其适用于交叉跨越复杂的架线段和跨越档距在300m左右的跨越工程的初导绳展放施工。无人机起飞一次可以展放300至500m长的导引绳。在展放过程中，地面人员可以通过地面站通信设备返回的各项数据对无人机的参数进行实时监控。无人机在铁塔上空根据需要可进行悬停、侧飞或升降等姿态调整，必要时可以进行倒飞。1.2 研究意义遥控多旋翼无人机在进行远距离输电线路初导引绳展放操作时，由于远端输电铁塔会超出操控人员视线范围，因而无法始终保障对无人机的有效操控。造成这一问题的根本原因是单个地面操控人员的操控范围无法覆盖到飞行航路中的所有位置，而受到输电线路环境及无人机自身安全性能的制约，目前还无法完全依靠无人机自主飞行进行放线作业。因此在目前所具备的条件下，较好的解决方案就是增加操控人员人数，使多个操控人员沿输电线路分布在不同位置，通过接力操控无人机的方式避免上述问题。根据市场调研，目前市场上的多旋翼无人机只能够支持单人操作，因此需要设计专门的控制器以实现多人接力遥控操作无人机这一目标。本文以多旋翼无人机在电力放线作业中的工程应用为背景，设计了多旋翼无人机接力遥控（Relay-Remote Control,RRC）系统。该系统由RRC控制器与无人机飞控系统组合形成，其中RRC控制器的工程实现是本文的重点研究内容。RRC控制器能够同时接收四路遥控信号，选择某一路遥控信号输出给无人机飞控，并可以随时根据现场发出的请求信息选择有效的遥控信号，实现了多人接力操控无人机的目标，具有很强的实用性和应用价值。1.3 研究目标与关键技术分析1.3.1 研究目标本文的总体研究目标是：针对多旋翼无人机进行电力放线作业时单人操控方式存在的局限，设计专用的控制器使其能够允许多个人员对无人机进行接力操控，从而避免上述问题。具体目标包括：l 设计制作RRC控制器硬件，与多旋翼无人机飞控组成RRC系统；l 在RRC硬件上设计嵌入式程序以完成RRC系统的主体功能；l 设计RRC系统的上位机调参软件，以配置RRC系统的参数；l 制定基于多旋翼无人机RRC系统的电力放线规范。RRC系统的主体功能包括接收多路遥控信号、响应切换指令及输出有效信号（切换是指根据触发条件将RRC接收端的其中一路信号映射到输出端，输出给无人机主控），同时要设计RRC的平滑切换策略。1.3.2 关键技术分析多旋翼无人机接力遥控系统的关键技术具体涉及如下几个方面：1）RRC硬件电路设计：利用Altium-Designer电子开发软件设计电路原理图及PCB印刷线路板。 2）遥控信号处理：能够将遥控器的S.BUS信号解码并处理成相应形式（PWM或S.BUS）的信号输出。3）平滑切换策略设计：设计相应的算法策略以保证多RRC在切换过程中无人机姿态不会产生突变。4）RRC电力系统放线规范研究：为多旋翼无人机RRC系统在电力放线作业中的应用制定具体的规范。1.4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容安排如下：第一章，引言。首先介绍了多旋翼无人机的相关背景，以及多旋翼无人机在电力放线行业中的应用现状，进而指出多遥控模块在其中的应用价值及意义。最后提出了本文的研究目标，分析了本文所涉及的关键技术。第二章，接力遥控系统硬件设计与实现。首先介绍了系统整体的硬件结构、各个部分的功能划分及其相互关系。接着设计了RRC各关键模块的电路原理图，并对其功能进行了描述。最后介绍了PCB印刷线路板和RRC硬件实体的实现。第三章，接力遥控系统程序设计。首先设计了RRC嵌入式程序，完成了接力遥控系统的基本功能。然后设计了RRC的上位机调参软件，完成了对RRC进行参数配置的附加功能。第四章，接力遥控系统电力放线应用研究。首先对比了几种电力放线的基本方法，接着重点描述了RRC系统电力放线应用的具体规范，最后介绍了电力放线的实验验证。第五章，总结与展望。在总结前期研究工作和收获的基础上，为后续的研究提出了构想。第二章 RRC控制器硬件设计与实现本章将主要介绍多旋翼无人机接力遥控系统的硬件设计，首先简要阐述系统整体的硬件构成、各个部分的功能划分及其之间的相互关系。接着详细介绍RRC的硬件设计，最后针对RRC硬件设计中的关键点，介绍关键电路模块的功能和设计方法。2.1 整体硬件构成无人机接力遥控系统由RRC控制器（以下简称“RRC”）与无人机飞控系统在功能上进行集合而构成，无人机飞控系统的核心是飞行控制单元（Flight Control Unit, FCU）。系统的整体结构示意图如图2.1所示。图2.1 无人机接力遥控系统结构示意图图中最左侧为地面远程控制系统，包括地面站和四个遥控器，其中地面站控制台还包括无线数据传输模块。操作人员通过遥控器操控无人机飞行，通过地面站给无人机上传复杂任务并进行数据监控。RRC为系统完成多遥控操作的硬件核心，其输入端分别与四个遥控接收机连接，输出端与无人机FCU连接。对于接力遥控系统的基本用途来说，同一时刻只有一路遥控器信号能够有效控制无人机，如果某一时刻需要另一台遥控器接管无人机则需要向RRC发送一个切换指令，提示RRC要对有效的遥控信号源进行切换。RRC对各个接收机的串行总线（Serial Bus, S.BUS）信号进行解码，若检测到遥控器请求切换的指令，则根据切换逻辑判断要将哪一路信号映射到输出端并立即执行。FCU是多旋翼无人机的控制核心，进行无人机的姿态稳定控制及上层控制。FCU根据惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）得到的飞行器姿态数据和上层的控制输入计算控制信号，输出到电子调速器（Electronic Speed Controller, ESC）驱动电机，从而稳定多旋翼无人机的姿态。上层控制层根据获取的无人机位置和速度信息计算期望的位置指令，然后将位置指令转化为期望的欧拉角，同时与遥控器输入的期望角进行融合，作为最终的期望角度输出到控制器。无人机位置信息包括高度信息和水平位置信息，其中水平位置由GPS模块测量得到12。无人机接力遥控系统的硬件方案即基于上述结构，其中主要的工作任务在于RRC硬件的设计和实现。2.2 RRC电路原理图设计RRC硬件的电气原理框图如图2.2所示。RRC的输入信号是来自四个遥控接收机的S.BUS信号，输出信号有两种形式可供选择，一种是与输入信号相同形式的S.BUS信号，另一种是PWM（Pulse Width Module, 脉冲宽度调制）信号。主控芯片STM32F103通过串口UART1UART4接收四路S.BUS遥控信号，解码后根据切换逻辑判断要将哪一路信号映射到输出端，并根据调参软件的配置信息以S.BUS或PWM信号的形式输出。RRC通过一个串口转USB接口与PC机调参软件进行通信，调参软件向RRC发送配置信息，用来对RRC的输出方式及参数进行配置。 程序下载口为SWD接口，可以通过ST-Link或J-Link仿真器下载及在线调试程序。以上介绍了RRC硬件的整体结构和功能，下面将分别介绍RRC各个关键模块的电路原理图设计。 图2.2 RRC电气原理框图2.2.1 主控器件最小系统本系统的控制芯片选择为ARM架构的STM32F103（以下简称STM32），STM32是意法半导体公司基于ARM Cortex-M3内核设计的32位增强型闪存微控制器13，其系统架构如图2.3所示。Cortex-M系列内核是ARM公司最新的先进内核架构中面向微控制器领域的一种，其Cortex-M3型内核具有低功耗、高性能、实时应用以及高性价比等优点14。STM32F103是STM32系列中比较有代表性的一个型号，最高工作频率为72MHz，通过APB总线连接了种类丰富、功能强大的片内外设和I/O接口，主要特性有：l 拥有时钟、复位、电源管理模块以及3种低功耗模式，可大幅降低使用功耗；l 拥有最高达512KB的Flash存储器和64KB的SRAM存储器；l 支持SWD和JTAG两种程序调试模式，减少了硬件设计中调试接口所占的空间；l 拥有丰富的快速I/O端口与定时器、DMA控制器；l 拥有包括I2C、USART、CAN、USB、SDIO等在内的多种通信接口。基于以上特性，使用STM32F103作为控制芯片让嵌入式系统开发得到了极大的简化15。本设计选用的子型号是STM32F103TB，它拥有128KB的内置Flash存储器和20KB的SRAM存储器。图2.3 STM32系统架构2.2.2 S.BUS信号处理电路由于遥控接收机直接输出的S.BUS信号是反向的PWM信号，不利于CPU进行解码和处理，并且遥控接收机输出信号的高电平电压为5V，与CPU的3.3V高电平不匹配，因此需要S.BUS信号处理模块将接收到的遥控信号进行电平反向并转换电压。S.BUS信号处理模块使用的芯片是SN74AHC1G04，该芯片是德州仪器公司生产的单路反相器芯片，其内部包含一个非门逻辑电路，推荐的供电电压范围为2V5.5V。使用3V电压供电时其高电平输入电压最小值为2.1V，低电平输入电压最大值为0.9V，而输出电压范围为0VVCC，因此该芯片同时还起到了电压转换的作用，满足了对于S.BUS信号处理电路的上述两个要求，其电路原理图如图2.4所示。图2.4 S.BUS信号处理模块电路原理图2.2.3 PWM信号驱动电路由于CPU输出的PWM信号高电平为3.3V，而FCU对于控制输入信号高电平的要求是5V，因此需考虑电平兼容的问题。PWM信号驱动模块的作用一方面是增强信号驱动能力，另一方面就是将CPU输出的PWM信号转化为5V TTL器件可用的信号。PWM信号驱动模块选用的电平转换芯片为74LVTH245，它包含8路三态输出的非反相双向缓冲器。74LVTH245芯片的发送/接收（T/R）端状态决定了数据流通过双向缓冲器的方向。当T/R为高电平时该端口处于发送状态，此时数据由A端口向B端口传输；当T/R为低电平时端口处于接收状态，此时数据由B端口向A端口传输。另外可以通过输出使能端控制数据缓冲器的通断，当输出使能端为高电平时A、B端口会被置于高阻状态从而失效。74LVTH245芯片是为3.3V低电压应用设计的，同时能为5V TTL器件提供TTL接口，因此解决了上述的电平兼容问题。电路原理图如图2.5所示。图2.5 PWM信号驱动模块电路原理图2.2.4 USB-RS232转换模块RRC的USB接口用于连接PC机，PC机调参软件通过USB接口对RRC输出方式进行配置。为方便起见，调参软件与RRC间的通信采用串口通信方式，因此需要对USB硬件接口与串口信号进行匹配。USB-RS232转换模块使用的器件为PL2303接口转换器。使用时用户只需简单地设计芯片外围电路就可以实现USB接口数据与RS232异步串口数据之间的转换，而不用重新设计固件。PL2003是USB信号和RS232串口信号间的双向转换器，一方面来自主机的USB数据可以通过它转换为RS232串口数据发送给外设，另一方面来自外设的RS232数据也可以通过它转换为USB数据并传送回主机。此外由于PL2003的驱动兼容性较强，因此对大多数计算机来说都能被识别为一般的COM口，极大方便了使用。USB-RS232转换模块的电路原理图如图2.6所示。图2.6 USB-RS232转换模块电路原理图以上介绍了RRC关键模块的电路原理图设计，其他电路还包括电源模块、CAN驱动模块、LED、接口插座等电路，这里不再一一介绍。2.3 接力遥控器PCB设计在Altium-Designer中按照2.2节介绍的RRC电路原理图进行PCB印刷线路板设计，通过表面组长技术使元器件布局尽可能密集。由于RRC硬件元器件数量不多，因此采用双面表面组装就可以满足要求。PCB线路板设计对系统运行的可靠性起着至关重要的作用，设计时必须考虑PCB的走线与布局、信号传输、供电方式与地线设计、电磁干扰等影响因素，以下将讨论设计时的几个注意事项。2.3.1 PCB信号线布线设计由于遥控信号为频率2.4GHz的高频信号，RRC必须能够高速运行以满足安全可靠的通信要求，因此在PCB布线设计时须考虑高速信号的传输问题。根据传输线理论16可知保证信号线阻抗均匀是减少高频反射的一个重要途径，因此应该使同一信号线尽量在同一层内走线，同一个信号层内只要保证走线的线宽和线厚一致就能使阻抗均匀。布线不仅是要实现电路的电气连接，同时还要考虑整个系统的工作性能，包括信号的传输延时和电磁干扰等。信号线的传输延时一般不应大于器件的标称延时时间，影响传输延时的主要因素是信号线长度。而常见的电磁干扰主要有高频信号耦合干扰、导线间的寄生电容与分布电容带来的耦合干扰等形式。PCB信号线的布线设计注意事项如下：l 对PCB器件进行布局时要使引线的长度尽可能短；l 引线转折的地方尽量使用折线，避免使用折线以减少高频信号的发射与耦合；l PCB板上下两层的导线要相互垂直或者斜交，避免相互平行，以减少导线间寄生耦合；l 同一信号的输入、输出导线也要避免相邻平行，若无法避免最好在两线之间加地线；l 闲置的芯片输入端不要悬空，一般可采取接地或接高电平等方式减少外部信号干扰。2.3.2 晶振电路布线设计晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个RC串并联电路构成的二端口网络。该二端口网络有两个谐振点，其中频率较低的谐振点对应的是串联谐振，较高谐振点则对应并联谐振。串联谐振点和并联谐振点频率在数值上十分接近，晶振在这个频率范围内可以近似等效为一个电感，因此只要在晶振两端并联合适的电容就可以组成LC并联谐振电路。晶振电路为嵌入式系统提供准确的时间计数，是系统可靠工作的必要基础，因此设计PCB时必须保证晶振电路的稳定性，尽量消除一切可能的干扰因素。通常的设计原则是：l 避免在晶体振荡器下方走线，以减少噪声干扰；l 尽量用地线区域将时钟区域包围，以屏蔽其他信号的干扰；l 连接到晶振输入、输出端的走线尽量短且对称分布，以减少噪声及分布电容的影响；按照以上规则设计的USB-RS232转化模块中PL2003芯片的晶振电路布线如图2.7所示，X2为贴片式晶体振荡器，OSC1和OSC2为晶振的输入输出端，分别与PL2003的相应引脚连接。图2.7 晶振电路PCB布线2.3.3 电源及接地线设计电源线的PCB布线设计首先需要确定电源与各个模块的连接关系，以大致确定电源线的走向。对数字芯片供电时要注意防止电源的尖峰脉冲带来的噪声干扰，因此需要在电源与地之间接入滤波电容，且在通常要在电源入口端和最远端各放置一处。一般滤波电容采用10uF电解电容或钽电容与0.1uF瓷片电容并联获得，采用电容并联的方式是为了减小电容的阻抗，而不同容量的电容能够滤除不同频率等级的尖峰脉冲。对于地线，双面板中器件周围及下方未使用的区域用地填充，各层面的地要通过多个过孔相连。如果电路中的地区别为数字地和模拟地，则数字地区域和模拟地区域不能有电气接触，而要用空隙分隔开，同时各个子功能模块的电源也要相互分开，不同模块的电源和地只能在源点有电气接触。通常子功能模块主要包括：显示电路、并行总线接口和数字电路等。最后，所有地线的走线要可能宽，一般应在25mil50mil。接力遥控控制器的PCB板采用双层板结构，其平面尺寸为，如图2.8所示。图2.7 接力遥控控制器PCB严格来说，在完成PCB设计进行制板以前，还有必要对PCB实际进行仿真，已完成对信号完整性、电磁干扰、热仿真等的功能检验，由于时间原因没有进行相关工作。最终制作的RRC硬件实体如图2.8所示。图2.8 RRC硬件实体第三章 RRC系统软件设计本章将主要介绍RRC系统的程序设计。首先介绍RRC控制器的功能定义，说明RRC各部分的具体功能。接着介绍RRC嵌入式程序设计，这一部分程序将实现接力遥控系统的主体功能。然后将介绍RRC的PC机调参软件设计。最后将研究RRC系统的失控保护策略，以保证在遥控信号丢失的情况下无人机姿态仍然能够稳定。3.1 RRC功能定义RRC基本功能的定义如下，可参见图2.2所示的RRC电气原理框图理解。1）RRC采集接收机14的输入信号（S.BUS1S.BUS4），解码后根据切换逻辑，确定将哪个接收机的信号映射到输出端（S.BUS及8路PWM），从而实现接收机信号由输入到输出的映射。2）输入端S.BUS1S.BUS4的内部逻辑通道（116）与输出端（S.BUS+PWM）的内部逻辑通道（116）的映射关系，可通过USB或CAN进行配置；缺省映射为自然顺序，如表3.1所示。表3.1 缺省时内部逻辑通道映射关系通道功能功能说明1A副翼/滚转缺省为飞控使用2E升降舵/俯仰3T油门4R方向舵/偏航5Res1用户定义6Switch切换接收机两位开关7Res2用户定义8Mode模式3）RRC内置5个LED指示灯，各个灯的功能定义如下：LED0电源指示；LED14S.BUS1S.BUS4的工作状态指示。初始化时四个LED同时点亮，进入工作状态后，当某路S.BUS信号输出有效时对应的LED点亮，其余LED灭。4）USB接口与S.BUS共用UART5，上位机通过USB可对输入（S.BUS1S.BUS4）与输出（S.BUS+PWM）之间的通道映射进行配置，并可以选择信号的输出方式。其方法是：RRC上电后，UART5缺省配置于上位机连接方式，10s后若无上位机连接信号，RRC将自动转换为S.BUS工作方式。5）CAN接口：功能1：配置RRC参数，与USB接口功能相同；功能2：与FCU连接，返回S.BUS1S.BUS4的工作状态；功能3：代替S.BUS，将S.BUS1S.BUS4中的一个映射发送给FCU。3.2 RRC嵌入式程序设计3.1节介绍了RRC具体的功能定义及工作流程，本节将根据以上介绍设计RRC的嵌入式程序，实现接力遥控系统的主体功能。RRC嵌入式程序的关键内容包括遥控信号解码、切换逻辑判断以及输出信号配置，程序流程图如图3.1所示。图3.1 RRC嵌入式程序流程图3.2.1 Futaba遥控信号解码Futaba系列遥控收发机是日本双叶电子公司生产的无线遥控设备，已广泛应用于工业机器人、遥控航模等领域，是目前航模飞行器上应用最广泛的无线遥控设备之一。本文使用Futaba R6208 SB接收机，如图3.2所示。它支持S.BUS和PWM两种信号输出模式，可配套使用Futaba系列T8、T10等多个型号的遥控器。图3.2 Futaba R6208 SB接收机1）PWM信号输出模式：使用传统的PWM信号输出模式时，每个通道的输出信号需要分别通过一根信号线引出，每个通道的信号都是符合Futaba协议的标准PWM信号。PWM是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的英文缩写，是将模拟信号转换为脉冲信号的一种技术，转换后脉冲信号的周期固定，但占空比会按模拟信号的大小而改变，因此高电平持续时间反映了转换之前的模拟信号数值，这也是脉冲宽度调制的含义17。利用嵌入式微处理器产生PWM信号，从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行模数转换过程，对噪声的抗干扰能力也大大增强，因此这PWM在通讯等信号传输行业得到了大量应用，并广泛应用于电机调速等工业控制领域18。Futaba协议中使用的遥控PWM信号，其周期为20ms，占空比范围为，对应高电平持续时间为1.0ms2ms，高电平时间的数值（以ms为单位）对应了遥控信号内部逻辑通道的杆量，一般杆量范围在10002000左右，中立点约为1500，如图3.3所示。(a)最小杆量PWM信号波形(b)中立点PWM信号波形(c)最大杆量PWM信号波形图3.3 PWM信号示意图遥控器缺省配置状态下的前4个内部逻辑通道（副翼、升降舵、油门、方向舵）是无人机的姿态操控通道，分别操控无人机的滚转、俯仰、纵向运动以及偏航，这4个通道的杆量可连续变化，另有23个可连续变化的通道是预留给调参使用的。此外，其余通道的操作杆为二位或三位拨码开关，对应的杆量只能是2个或3个有限状态。杆量对应了某一通道的控制量大小，以油门通道为例，最小杆量时油门控制量最小，此时旋翼组件的转速最慢，产生的升力也最小；中立点时油门控制量适中，可在相应飞行模式下设置中立点时使无人机处于悬停状态；最大杆量时油门控制量也最大，旋翼组件产生的升力最大。2）S.BUS信号输出模式：S.BUS是Futaba公司自己使用的专用串行通信总线协议，有16个比例通道和2个数字通道可用。该协议有两个特点：一是数字化，一是总线化。数字化是指该协议使用现有数字通信接口作为通信的硬件协议，并使用专用的软件协议，这使得该设备非常适合在嵌入式系统中使用，适合与飞控计算机连接；总线化是指一个数字接口可以连接多个设备，这些设备通过Hub与一个S.BUS总线连接，并能从总线得到各自的控制信息。硬件方面，S.BUS使用RS232C串口的硬件协议作为自己的硬件基础；使用TTL电平，即高电平电压3.3V；使用负逻辑，即高低电平逻辑为0而低电平逻辑为1；数据传输每隔14ms（模拟模式）或7ms（高速模式）进行一次，通信波特率为，不兼容波特率115200。S.BUS的硬件接口与普通的同步（异步）串行总线接口兼容，可以通过UART接口传输信号。通过UART接口接收S.BUS信号时，对UART接口的硬件属性配置如表3.2所示。表3.2 UART接口属性配置波特率：起始位长度：数据位长度：校验位长度：停止位长度：，偶校验软件方面，S.BUS协议规定每帧数据长度为25字节，每字节含有12个，包括一个起始位“0”、8个数据位、一个奇校验位以及2个终止位“1”。奇校验是指8个数据位中1的数量若为奇数则此位为“1”，否则为“0”；采用LSB first方式发送，即最低有效位先发；数据格式为：起始字节+有效数据+标识字节+停止字节，其中起始字节为（），停止字节为（）。有效数据共22个字节（），分别对应遥控器内部16个逻辑通道的操作量，每个通道占11位数据。例如：使用的全部8位及的前3位数据，使用的后5位及的前6位数据，等等。表3.3 传输标识字节含义flags数值flags有效位含义数字通道数字通道数据帧丢失，接收机将闪红灯失控保护有效预留标识字节flags的含义如表3.3所示，其中为第一个数字通道的杆量数值，为第二个数字通道的杆量数值，为丢帧信息，为失效保护开关，第47暂时保留没有使用。以上便是S.BUS的硬件及软件协议。根据S.BUS软件协议得到完整的一帧S.BUS信号内容包括一个起始字节、22个数据字节、一个标识字节和一个停止字节，如表3.4所示。表3.4 S.BUS数据帧格式起始字节数据：标识字节停止字节flags收到完整的一帧数据（25字节）后按照以上描述的信号规范对S.BUS数据包进行解析，解析后得到每个通道的杆量信息。值得注意的是，S.BUS直接解析得到的杆量数值与PWM形式的杆量数值不一致，其中立点为1023，杆量单边范围为676，而经过实测PWM信号的中立点为1520，单边范围为420。因此需要将直接解析得到的S.BUS杆量信息按照式3.1所示的等式转换成相应的PWM杆量信息，其中为PWM信号的杆量，为S.BUS信号的杆量。（3.1）以上便是对Futaba遥控信号进行解码的过程，解码后便可以获得各个通道的操作量，从而可以对信号进行处理，并根据切换通道的操作量判断是否要进行切换。3.2.2 遥控切换逻辑在RRC配套使用的遥控器上指定一个带有拨码开关的Switch通道为切换指令通道，拨动开关便可以向RRC发出遥控切换指令。RRC采用“协商接管”的工作模式，即对无人机进行接管前由操控人员协商，指定好接管人员后由该指定人员发送切换指令。相应的RRC切换逻辑与切换步骤描述如下：A）将遥控器14的工作模式设置相同，如全部设置为“姿态”或“GPS”模式；B）初始时打开遥控器1，遥控器2遥控器4可以根据需要选择打开或关闭；C）初始为遥控器1控制无人机，即遥控器1连接接收机1，接收机1的信号被映射到RRC的输出端；D）设当前为遥控器1控制无人机，遥控器2将进行接管（下同）；E）在接管的切换过程中，遥控器1的所有控制杆应保持中立（油门约在50%），使飞行器处于稳定悬停或平飞状态；F）打开遥控器2，将遥控器2的Switch两位开关拨动一次（OnOff或OffOn），RRC即将接收机2的信号映射到输出端（S.BUS），遥控器2接管无人机的操控；G）同理，按上述步骤其它遥控器也可以接管无人机。3.2.3 平滑切换方案以上切换步骤是对RRC的基本功能要求，要完成实际任务还必须考虑切换过程中的稳定性及安全性，因此要找到切换过程中存在的安全隐患。例如，在上面描述的切换操作过程中，如果遥控器1的控制杆不在中立点，即切换前无人机不处于稳定悬停或平飞状态，或者遥控器2的控制杆（尤其是油门杆）与遥控器1不一致，那么切换完成后无人机姿态将会发生突变，这很有可能导致无人机坠毁。为解决这一问题现提出以下平滑切换的解决方案：1）平滑切换方案1：指数软化方案假设接管过程中遥控器1各通道杆量为A1（当前量），遥控器2各通道的杆量为A2（目标量），则输出Aout：A）若|A1-A2|，即A1、A2十分接近，Aout = A2；B）若|A1-A2|，即A1、A2相差较大，；当|A1-A2|时，自动套用A）的规则。这里，为杆量极限差值，可取满量程的5%，为软化的时间常数，可取110s。设无人机当前在遥控器1控制下飞行（或悬停或机动），若遥控器2的Switch两位开关拨动一次（OnOff或OffOn），试图接管无人机，此时RRC的响应将是：首先按指数软化法，将S.BUS四个通道的输出转换到各自的中立点，使无人机无扰切入悬停状态；接着继续按指数软化法，将SBUS四个通道的输出转换到遥控器2的控制状态，使无人机进入遥控器2操控状态。该平滑切换方案存在两次指数软化过程，当遥控器1、遥控器2的操控量与中立点偏差较大时，存在一定的延时。因此，实际中应尽可能在切换前保证遥控器1、遥控器2的操控量位于中立点，一方面加速切换，另一方面提高切换的平滑性。2）平滑切换方案2：设飞机当前在遥控器1控制下作悬停或机动飞行，若遥控器2的Switch两位开关拨动一次（OnOff或OffOn），试图接管无人机，此时RRC的响应将是：A）SBUS四个通道的输出保持为切换前最后时刻遥控器1的操控量；B）操控遥控器2，当其四个操控量与A）中SBUS的对应量相同（误差在满量程的5%内）时，SBUS四个通道的输出改取遥控器2的操控量，实现遥控器2接管。该平滑切换方案要求遥控器2的操控柔和缓慢，避免剧烈扰动。实际中，应尽可能在切换前保证遥控器1、遥控器2的操控量位于中立点，以加速切换，并提高切换的平滑性。3.3 RRC上位机调参软件设计通过以上章节的描述我们知道，RRC的输出信号可以有PWM和S.BUS两种模式，且对于PWM信号来说共有8个输出通道，因而选择何种信号输出模式以及PWM信号模式下各个通道的具体含义就需要配置。RRC的信号源有4个，使用时需要选择哪几个信号源也需要配置。对以上信息的配置是通过RRC专用的上位机调参软件来进行的。图3.4 上位机调参软件程序流程图本文的RRC上位机调参软件是利用Qt4.8在Qt Creator上设计的，其程序流程图如图3.4所示。Qt是一种综合的跨平台C+应用程序框架，它可移植性高，支持Windows、Linux、MacOS X、Solaris等多种操作系统。开发人员可以用“一次编写，随处编译”的方式构建多平台GUI（Graphical User Interface，图形用户接口）程序。由于它的功能建立在所支持平台的底层API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）上，因此灵活高效19。窗口部件是Qt的QWidget类或其子类的实例，可用于创建用户界面的可视元素，例如按钮、滚动条、菜单、消息框和应用程序窗口等20。Qt还有丰富的API，拥有多达250个以上的C+类。最终的RRC上位机调参软件运行界面如图3.5所示。图3.5 RRC上位机调参软件运行界面上位机调参软件通过USB接口与RRC进行串口通信，RRC上电后10s内若无上位机连接信号，RRC将以默认的S.BUS信号输出模式工作。上电10S内选择好端口号并连接后就可以在调参软件上配置RRC信息，需要配置的信息有：A）信号输出方式（S.BUS信号输出或PWM信号输出），默认的配置为S.BUS信号输出。B）遥控器选择（1号4号），默认1号4号遥控器全部被选中，此时RRC初始化完成后首先由1号遥控器操控无人机。若1号遥控器未被选中，RRC初始化完成后由标号最小的遥控器操控无人机。C）PWM输出模式下各个输出通道的定义。默认CH1CH8各个通道分别定义为滚转、俯仰、油门、偏航、自定义1、切换接收机、自定义2，以及飞行模式。选择好配置信息后点击“配置”，调参软件将从USB口向RRC写入配置信息，配置成功后RRC将向调参软件返回提示信息，在最下方的消息提示窗口显示。RRC与USB口的通信协议如表3.5所示：表3.5 USB口通信协议序号内容字节说明12345EB90CDS合计21418帧头控制字节数据字节校验和通信帧定长该协议采用主从通信方式，其中上位机为主，RRC为从，所有会话由上位机发起，RRC进行应答。3.4 RRC系统失控保护策略研究在非自主飞行模式下，无人机的姿态和飞行轨迹都受遥控指令的控制，如果由于人为关机或电池电量不足等导致遥控信号突然丢失那么无人机将处于失控状态，从而导致姿态异常甚至坠机。因此必须设计无人机飞控的失控保护策略，以保证无人机在失控状态下能够依靠自主飞行方式保持姿态稳定，或者安全着陆。失控保护是基于遥控信号丢失这一前提，因此首先要能够检测出遥控器信号是否丢失。对遥控器进行失控保护设置，使得遥控器无信号输出时接收机向无人机飞控发出失控提示信号，无人机飞控根据提示信号判断出无人机进入失控状态，之后就需要执行相应的失控保护策略。失控保护程序是在无人机飞控中设计的，根据GPS信号的强弱可以设置如下失控保护策略：返回Home点着陆、原地悬停或原地降落，以下将分别介绍这几种失控保护策略。1）返回Home点。Home点是无人机记录的返航标志点的GPS坐标，可以将Home点设置为起飞点或通过无人机地面站任意设定Home点坐标。若失控保护策略设置为返回Home点，当遥控信号丢失时无人机将沿当前位置与Home点的连线直线飞往Home点上空，并且飞行过程中保持高度不变，然后垂直降落至Home点。这种策略是为遥控信号长时间丢失的可能情况设置的，如果因为某些原因很长时间内都没有遥控信号输出，通过这种策略可以使无人机安全返回。返回Home点过程中的主要问题在于：首先要计算飞行路径，然后飞行过程中要进行轨迹跟踪（包括飞行路径与高度），最后无人机要能够平稳着陆。飞行路径有两个阶段，第一阶段是无人机当前位置与Home点上空的水平连线，第二阶段是Home点上空到Home点的垂直连线，分别对应无人机平飞和垂直降落两个过程。轨迹跟踪过程可以分为水平方向上的经纬度跟踪和竖直方向上的高度控制。平稳着陆只需要无人机接近地面时以较小的垂直速度下降即可，确定无人机着陆后应让电机停转。由于无人机从失控发生现场返回Home点的过程是依靠GPS导航进行自主飞行的，因此使用这种失控保护策略的前提是GPS信号良好。2）原地悬停。原地悬停的失控保护策略是为遥控信号短时间丢失的可能情况设计的，当遥控信号短暂丢失时无人机依靠GPS和气压高度计定位进行原地悬停，待信号恢复后继续执行任务。3）原地降落。以上两种失控保护策略都依赖于GPS信号，如果GPS信号不佳无法对无人机定位，则需要考虑不需要定位与导航的失控保护策略。原地降落是在遥控信号丢失后无人机直接在当前位置降落的策略，降落过程不依赖GPS信号进行水平方向的定位，只控制无人机在接近地面时以较低的速率着陆。第四章 RRC系统电力放线研究本章首先简要介绍了输电线路施工中张力放线的基本概念，以及应用无人机进行电力放线的操作流程。接着重点研究了基于多旋翼无人机RRC系统的电力放线方法，制定了具体的放线规范。本章最后介绍了RRC系统应用于电力放线的实验验证。4.1 电力放线基本方法4.1.1 电力放线基本概念输电线路是电力系统的传输结构，输电线路的形式主要有两种：电缆线路与架空输电线路。电缆线路敷设在地下，主要采用绝缘介质将金属导体与外界隔离；而架空输电线路主要采用无绝缘的金属导体，在空中架设并以绝缘子串固定在电力铁塔上。目前国内外绝大多数国家普遍采用架空线路作为输送电能的主要方式21。架空输电线路放线施工的基本方法有人力放线、机械牵引放线、张力放线以及大跨越特殊放线，而目前高压输电线路放线一般采用张力放线技术22。张力放线是指用专门的牵、张机械，使架空线在展放过程中始终保持一定张力而处于悬空状态的放线方法。张力放线的一般施工流程如下23：1）布置牵引场及张力场。牵引场布置的主体设备是主牵引机和小张力机，一般