小型无人直升机中继数据链系统设计与实现

发布时间：2017-07-30 17:13

  本文关键词：小型无人直升机中继数据链系统设计与实现

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【摘要】：具有自主飞行能力的小型无人直升机,在自主侦察、探测和航拍中的应用越来越广泛,具有很大的科学研究价值和实用价值,已经成为了世界各国科研机构的研究热点。作为小型无人直升机飞行控制系统的重要组成部分,数据链子系统担负了无人直升机控制指令和飞行状态信息的传送任务,是地面站与小型无人直升机的通信桥梁。由于成本和硬件设备的限制,传统的小型无人直升机数据链系统无法达到超视距通信,限制了小型无人机的应用和发展。针对以上现状,设计一套通用的安全可靠的中继数据链系统,突破通信硬件的限制,实现小型无人直升机中继功能和超视距巡航,已经成为了急需解决的重要课题。本文参考了目前几种典型的数据链系统,从理论通信距离、数据拥塞控制和多址接入等方面对小型无人直升机数据链进行了深入的研究和探讨,设计了适合于小型无人直升机自身特点的空地中继数据链系统。首先采用GCS协议作为空地数据通信协议,定义了各路上行与下行数据的消息标准;设计了基于Linux系统的基站子系统,按照协议规范实现了来自地面站与遥控器的多路数据的融合,根据协议规范完成了无人机数据解码子系统。其次利用无线数传模块Xtend的点对多点通信功能,扩展了数据链系统的通信节点,解决了多机通信的关键问题,采用中继无人直升机作为空中移动中继平台,完成了中继数据链系统的设计。针对无人机超视距巡航中可能与地面系统失联问题,本文设计了无人直升机失联自动返航功能,提升了系统的安全性能。最后对于所设计的点对点系统与中继系统,进行了大量的实际试飞实验,验证了系统设计的合理性和实用性。
【关键词】：小型无人直升机 中继数据链 自主返航 通信协议 多机通信
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V275.1;V279
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外数据链的研究现状和经验12-13
• 1.3 论文主要研究内容13-14
• 1.4 课题来源14
• 1.5 本章小结14-15
• 第二章 典型数据链系统研究15-24
• 2.1 GCS无人机数据链系统15-19
• 2.1.1 系统结构15
• 2.1.2 系统层次划分15-16
• 2.1.3 通信协议研究16-19
• 2.1.4 系统性能分析19
• 2.2 ARINC618 数据链19-21
• 2.2.1 报文格式19-21
• 2.2.2 报文参数辨识21
• 2.2.3 协议分析21
• 2.3 其他典型数据链协议21-22
• 2.4 本章小结22-24
• 第三章 小型无人直升机数据链关键技术研究24-39
• 3.1 数据链通信距离理论研究24-26
• 3.2 数据链的拥塞控制技术26-29
• 3.2.1 拥塞检测函数27
• 3.2.2 能耗参量27-28
• 3.2.3 基于能量参量的拥塞控制算法28-29
• 3.3 数据链的多址接入技术29-35
• 3.3.1 网络拓扑结构29-31
• 3.3.2 多址接入与MAC协议31-32
• 3.3.3 TDMA轮询机制32-33
• 3.3.4 性能分析33-35
• 3.4 数据链的性能指标35-37
• 3.4.1 传输速率36
• 3.4.2 丢帧率36-37
• 3.4.3 时延37
• 3.4.4 吞吐量37
• 3.5 本章小结37-39
• 第四章 小型无人直升机数据链系统设计39-54
• 4.1 数据链系统总体设计39-42
• 4.1.1 需求分析39-41
• 4.1.2 数据链系统总体框图41-42
• 4.2 数据链系统各模块设计42-49
• 4.2.1 机载飞行控制系统42-45
• 4.2.2 无线收发模块45-47
• 4.2.3 基站模块47-48
• 4.2.4 地面站模块48
• 4.2.5 遥控器模块48-49
• 4.3 数据链通信协议设计49-53
• 4.3.1 询问/控制报文49-51
• 4.3.2 ADS报文的内容51-52
• 4.3.3 校验方式52
• 4.3.4 TDMA时隙设计52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 点对点数据链系统实现与试飞结果分析54-72
• 5.1 基站系统软件设计54-59
• 5.1.1 软件设计思想54-57
• 5.1.2 软件实现方法57-59
• 5.2 空中直升机解码实现59-62
• 5.2.1 遥控器解码的实现方法59
• 5.2.2 PID-LQR控制参数的解码实现方法59-61
• 5.2.3 轨迹规划信息解码的实现方法61-62
• 5.3 自动返航设计及其实现62-63
• 5.4 链路流量控制策略63-64
• 5.4.1 减少下传频率63
• 5.4.2 手控模式下数据帧分段下传63-64
• 5.5 试飞实验与试飞结果分析64-70
• 5.5.1 数据链时延分析与实验65-66
• 5.5.2 自主导航飞行试验66-68
• 5.5.3 无人机自主返航实验68-69
• 5.5.4 测试丢帧率69-70
• 5.6 本章小结70-72
• 第六章 小型无人直升机中继系统设计与试飞结果分析72-89
• 6.1 中继网络设计72-74
• 6.1.1 XTend模块工作原理72-73
• 6.1.2 中继网络配置73-74
• 6.2 中继系统通信协议设计74-76
• 6.2.1 信号传递与定位74-75
• 6.2.2 数据碰撞解决方法设计75-76
• 6.3 无人直升机双地面站切换系统设计76-80
• 6.3.1 地面站控制权限转移策略设计77-78
• 6.3.2 地面站权限转移的软件实现方法78-80
• 6.4 无人直升机单地面站多机中继系统设计80-84
• 6.4.1 多目标无人机系统控制策略方案选择81-82
• 6.4.2 多目标无人机系统控制策略的设计与实现82-84
• 6.5 试飞实验及结果分析84-87
• 6.5.1 中继系统数据延时测试实验84-85
• 6.5.2 双地面站系统试飞实验85-87
• 6.5.3 双机中继系统试飞实验87
• 6.6 本章小结87-89
• 总结与展望89-91
• 参考文献91-95
• 攻读硕士期间取得的研究成果95-96
• 致谢96-97
• 附件97

【参考文献】

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本文编号：595288