CN101866180A - 一种飞行控制系统 - Google Patents

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CN101866180A CN 201010217205 CN201010217205A CN101866180A CN 101866180 A CN101866180 A CN 101866180A CN 201010217205 CN201010217205 CN 201010217205 CN 201010217205 A CN201010217205 A CN 201010217205A CN 101866180 A CN101866180 A CN 101866180A
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胡春华
杨贵慈
续立军
严斌
陈海昕
葛东云
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Tsinghua University
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Abstract

本发明提供了一种飞行控制系统,包括:机载系统,包括置于无人机外部的微型摄像机和GPS接收机,置于无人机内部的GPS信号采集单元、电源监控单元、叠加单元,以及,微波发射单元;地面系统,包括微波接收单元、视频显示器和遥控器;其中,所述微型摄像机,用于实时监控无人机正前方的视频图像;所述GPS信号采集单元,用于采集所述GPS接收机传出的数据,并处理得到飞行参数;所述电源监控单元,用于检测得到无人机的电源信息;所述叠加单元,用于将所述飞行参数和/或电源信息叠加到视频图像上;所述微波发射单元,用于向地面系统发射所述叠加结果。本发明用以更好地对无人机进行控制。

Description

一种飞行控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及无人(immarmed)驾驶飞机技术领域,特别是涉及一种飞行控制系统。 背景技术
[0002] 无人驾驶飞机(无人机)是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控 的不载人飞行器;其使用成本低,不但能完成有人驾驶飞机(有人飞机)执行的任务,更适 用于有人飞机不宜执行的任务,如危险区域的侦察、空中救援指挥和遥感监测。
[0003] 目前,一般由地面的操纵人员通过视觉直接观察无人机的飞行姿态,利用无线电 遥控器进行遥控飞行;这种飞行方式具有很大的灵活性,但是由于地面操纵人员视觉观察 能力的限制,故无人机的飞行距离只能局限在目视距离内;且由于人员对地理位置的感知 能力的限制,不能对无人机的飞行轨迹进行精确控制。
[0004] 总之,需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是:如何能够更好地对无 人机进行控制。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种飞行控制系统,用以更好地对无人机进行 控制。
[0006] 为了解决上述问题,本发明公开了一种飞行控制系统,具体可以包括:
[0007] 机载系统,包括置于无人机外部的微型摄像机和GPS接收机,置于无人机内部的 GPS信号采集单元、电源监控单元、叠加单元,以及,微波发射单元;
[0008] 地面系统,包括微波接收单元、视频显示器和遥控器;
[0009] 其中,所述微型摄像机,用于实时监控无人机正前方的视频图像;
[0010] 所述GPS信号采集单元,用于采集所述GPS接收机传出的数据,并处理得到飞行参 数;
[0011] 所述电源监控单元,用于检测得到无人机的电源信息;
[0012] 所述叠加单元,用于将所述飞行参数和/或电源信息叠加到视频图像上;
[0013] 所述微波发射单元,用于向地面系统发射所述叠加结果;
[0014] 所述微波接收单元,用于接收所述叠加结果,并传送到所述视频显示器;
[0015] 所述视频显示器,用于显示所述叠加结果;
[0016] 所述遥控器,用于接收操纵,进行无人机的遥控飞行。
[0017] 优选的,所述飞行控制系统还包括:
[0018] 舵机控制单元,置于无人机内部,用于接收所述遥控器发送的舵面控制信号,对无 人机的舵面进行控制。
[0019] 优选的,所述遥控器,还用于实现无人机的工作模式切换,其中,所述工作模式包 括自主飞行模式和遥控飞行模式。
[0020] 优选的,在所述自主飞行模式下,所述飞行控制系统还包括:[0021] 参数设定卡,其置于无人机外部,用于接收地面操作人员对自动驾驶参数的设定, 其中,所述自动驾驶参数包括自动驾驶控制参数和飞行航点;
[0022] 自动驾驶单元,其置于无人机内部,用于根据所述GPS信号采集单元传入的飞行 参数,通过所述自动驾驶控制参数,控制所述飞行航点的遍历完成。
[0023] 优选的,所述舵机控制单元,还用于接收所述自动驾驶单元发送的舵面控制信号, 对无人机的舵面进行控制,包括:
[0024] 基于所述自动驾驶控制参数的高度控制环路和航向控制环路;
[0025] 高度控制模块,用于根据所述GPS信号采集单元传入的飞行高度数据,利用所述 高度控制环路控制无人机的升降舵;
[0026] 方向控制模块,用于根据所述GPS信号采集单元传入的飞行航向数据,利用所述 航向控制环路控制无人机的方向舵。
[0027] 优选的,所述飞行参数和/或电源信息的叠加方式包括:图形、数字和字母。
[0028] 优选的,所述电源信息包括:输出电流、输出电压和耗电量;
[0029] 所述电源监控单元,具体用于通过传感器将无人机的动力电源电流转换为电压信 号,通过模数转换,采样获得无人机动力电源的输出电流和输出电压,通过积分计算得到飞 行的耗电量。
[0030] 优选的,所述遥控器,还用于开启或关闭所述叠加单元的叠加功能。
[0031] 优选的,所述飞行参数包括:飞行速度数据、飞行高度数据和飞行航向数据。
[0032] 优选的,所述微波发射单元包括:
[0033] 传输子单元,用于接收所述叠加结果;
[0034] 天线,用于向地面系统发射所述叠加结果。
[0035] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0036] 本发明的机载系统将飞行参数、电源信息等信息叠加到视频信号中,并传输至地 面系统的视频显示器,这样,相对于现有技术,遥控飞行模式下无人机的飞行距离只能局限 在目视距离内,由于视频显示器上显示有各种飞行参数和/或电源信息,地面操作人员不 直接看无人机即可操纵遥控器,即可实现无人机的遥控起飞和降落,因而可以有效提高无 人机起降的成功率;
[0037] 其次,相对于现有技术,分别使用各自的微波传输单元将视频信号、飞行参数等信 息传输到地面系统,本发明仅使用一个微波发射单元,可以有效减少无人机的载荷;
[0038] 再者,本发明可以提供无人机两种工作模式:自主飞行模式和遥控飞行模式,所述 两种工作模式可以自由切换;而且,在自主飞行模式下,地面操作人员可以根据视频显示器 上的飞行参数、电源信息等信息,对自动驾驶参数进行设定,使得可以根据所述自动驾驶参 数,利用所述GPS信号采集单元输出的飞行参数实现自动驾驶功能,能够实现无人机的精 确控制;
[0039] 最后,相对于现有技术,使用高精度传感器获得飞行参数,本发明利用所述GPS信 号采集单元可以降低自动驾驶仪的成本。
附图说明
[0040] 图1是本发明一种飞行控制系统实施例1的结构图;[0041] 图2是本发明一种飞行参数和电源信息在视频显示器上的显示示例;
[0042] 图3是本发明一种飞行控制系统实施例2的结构图;
[0043] 图4是本发明一种舵机控制单元的工作过程示意。
具体实施方式
[0044] 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。
[0045] 本发明的核心构思之一在于,将飞行参数叠加到视频信号中,这样,相对于现有技 术,遥控飞行模式下无人机的飞行距离只能局限在目视距离内,地面操作人员通过观看所 述叠加有飞行参数的视频,不直接看无人机即可操纵遥控器,实现无人机的遥控起飞和降 落,可以有效提高无人机起降的成功率。
[0046] 参照图1,示出了本发明一种飞行控制系统实施例1的结构图,具体可以包括:
[0047] 机载系统101,具体可以包括置于无人机外部的微型摄像机111和GPS接收机 112,置于无人机内部的GPS信号采集单元113、电源监控单元114、叠加单元115,以及,微波 发射单元116;
[0048] 地面系统102,具体可以包括微波接收单元121、视频显示器122和遥控器123 ;
[0049] 其中,所述微型摄像机111,可用于实时监控无人机正前方的视频图像;
[0050] 所述GPS信号采集单元113,可用于采集所述GPS接收机112传出的数据,并处理 得到飞行参数;
[0051] 所述电源监控单元114,用于检测得到无人机的电源信息;
[0052] 所述叠加单元115,用于将所述飞行参数和/或电源信息叠加到视频图像上;
[0053] 所述微波发射单元116,用于向地面系统发射所述叠加结果;
[0054] 所述微波接收单元121,用于接收所述叠加结果,并传送到所述视频显示器;
[0055] 所述视频显示器122,用于显示所述叠加结果;
[0056] 所述遥控器123,用于接收操纵,进行无人机的遥控飞行。
[0057] GPS信号采集单元113、
[0058] 在实际中,所述GPS信号采集单元113处理得到的飞行参数可以包括:飞行速度数 据、飞行高度数据和飞行航向数据等。
[0059] 电源监控单元114、
[0060] 所述检测得到的电源信息可以包括:输出电流、输出电压和耗电量等信息。
[0061] 例如,所述电源监控单元114可与无人机电源和无刷电机调速器相连,其可具体 用于通过传感器将无人机的动力电源电流转换为电压信号,通过模数转换,采样获得无人 机动力电源的输出电流和电压,通过积分计算得到飞行的耗电量。
[0062] 叠加单元115、
[0063] 所述叠加单元115可将飞行参数和/或电源信息,以图形、数字、字母等方式叠加 到视频信号中,例如,可以将其以字幕形式叠加到视频画面上,本发明对具体的叠加形式不 加以限制。
[0064] 在实际中,地面操作人员可以通过所述遥控器123,来控制叠加单元115 :例如,开 启或关闭所述叠加单元的叠加功能;又如,在该叠加功能开启时,可以控制只叠加飞行参数,或者,只叠加电源信息,或者,叠加飞行参数和电源信息等。
[0065] 另外,在叠加前,本发明还可以对飞行参数和/或电源信息进行相应处理,得到叠 加单元115所需的信息;所述处理功能可以集成在叠加单元115中,或者,集成在一个独立 的单元结构中,如数据综合处理单元等,本发明对此不加以限制。
[0066] 在具体实现中,叠加单元115可采用单通道、单色随屏显示发生器Max7456,通过 微波发射单元116将所述叠加结果发送出去。
[0067] 微波发射单元116、
[0068] 在实际中,所述微波发射单元116,可以进一步包括:
[0069] 传输子单元,用于接收所述叠加结果;
[0070] 天线,用于向地面系统发射所述叠加结果。
[0071] 其中,所述传输子单元可以位于无人机外部或者内部,所述天线也可位于无人机 外部或者内部,本发明对具体的传输子单元和天线位置不加以限制。
[0072]遥控器 123、
[0073] 在实际中,地面操作人员可以通过所述视频显示器122上显示的飞行参数等信 息,向机载系统发送舵面控制信号。
[0074] 此时,所述飞行控制系统还可以包括:
[0075] 舵机控制单元,置于无人机内部,用于接收所述遥控器123发送的舵面控制信号, 对无人机的舵面进行控制。
[0076] 参考图2,示出了本发明一种飞行参数和电源信息在视频显示器122上的显示示 例,其中,
[0077] 总航程201显示无人机飞行总航程,偏航角202显示无人机实际机头指向与航向 之间的偏差角度,航向203显示无人机飞行方向,遥控状态204显示无人机是否处于遥控状 态,无人机方位205显示无人机相对于出发点的方位角,GPS卫星数206显示当前GPS接收 机能接收到GPS信号的卫星数目,飞行速度条207和飞行速度208显示无人机飞行速度的 数值,单位是km/h,爬升率209显示无人机爬升或下降的速率,为正时表示爬升,为负时表 示下降,单位是m/s,摄像头电压210显示摄像头所用电池的当前电压值,飞行时间211显 示无人机从出发到当前所花的时间,回起飞点方向212显示的是无人机自主飞回起飞点所 需遵循的飞行方向,距起飞点距离213显示的是无人机当前位置与起飞点的距离,耗电量 214显示的是动力电池所消耗的总电量,与电池实际电量相比较,地面操纵人员能够判断无 人机所携带的动力电池电量是否能继续维持无人机飞行,动力电流215和动力电压216显 示的是动力电池的电流和电压,亦可用于判断电池能否继续维持无人机飞行,电量图标217 和动力电池图标218则用来指示电池信息,飞行高度219和飞行高度条220显示无人机飞 行高度,单位为米,温度221显示当前无人机环境温度,地面操纵人员根据温度可以判断无 人机是否适合在当前高度继续飞行,飞机正前方标识222显示飞机正前方对应的视频中 心。
[0078] 本发明具体如下优点:
[0079] 首先,由于视频显示器上显示有各种飞行参数和/或电源信息,地面操作人员不 直接看无人机即可操纵遥控器,实现无人机的遥控起飞和降落,可以有效提高无人机起降 的成功率;[0080] 其次,相对于现有技术,分别使用各自的微波传输单元将飞行参数、视频信号等传 输到地面系统,本发明仅使用一个微波发射单元,可以有效减少无人机的载荷。
[0081] 需要说明的是,本领域技术人员可以根据实际需要,设计位于无人机外部的单元 结构的位置,例如,可以将所述微型摄像机111置于无人机机翼下方,将所述天线置于机身 外侧,等等,本发明对具体的结构位置不加以限制。
[0082] 参照图3,示出了本发明一种飞行控制系统实施例2的结构图,具体可以包括:
[0083] 机载系统301,具体可以包括置于无人机外部的微型摄像机311、GPS接收机312、 参数设定卡313,置于无人机内部的GPS信号采集单元314、电源监控单元315、叠加单元 316和自动驾驶单元318,以及,微波发射单元317 ;
[0084] 地面系统302,具体可以包括微波接收单元321、视频显示器322和遥控器323 ;
[0085] 其中,所述微型摄像机311,可用于实时监控无人机正前方的视频图像;
[0086] 所述参数设定卡313,可用于接收地面操作人员对自动驾驶参数的设定,其中,所 述自动驾驶参数可以包括自动驾驶控制参数和飞行航点;
[0087] 所述GPS信号采集单元314,可用于采集所述GPS接收机312传出的数据,并处理 得到飞行参数;
[0088] 所述电源监控单元315,用于检测得到无人机的电源信息;
[0089] 所述叠加单元316,用于将所述飞行参数和/或电源信息叠加到视频图像上;
[0090] 所述微波发射单元317,用于向地面系统发射所述叠加结果;
[0091] 所述自动驾驶单元318,可用于根据所述GPS信号采集单元314传入的飞行参数, 通过所述自动驾驶控制参数,控制所述飞行航点的遍历完成。
[0092] 所述微波接收单元321,用于接收所述叠加结果,并传送到所述视频显示器;
[0093] 所述视频显示器322,用于显示所述叠加结果;
[0094] 所述遥控器323,用于实现无人机的工作模式切换,其中,所述工作模式可以包括 自主飞行模式和遥控飞行模式;并且,在遥控飞行模式下,接收操纵,进行无人机的遥控飞 行。
[0095] 本实施例与实施例1的区别在于,实施例1工作于遥控飞行模式,而本实施例可以 工作于自主飞行模式和遥控飞行模式,其中,所述遥控器323可用于无人机的工作模式切 换,例如,从遥控飞行模式一自主飞行模式,或者,从自主飞行模式一遥控飞行模式,其中, “一”表示工作模式的切换。
[0096] 在本发明的一种优选实施例中,所述飞行控制系统还可以包括:
[0097] 舵机控制单元,用于接收所述自动驾驶单元318发送的舵面控制信号,对无人机 的舵面进行控制,具体可以包括:
[0098] 基于所述自动驾驶控制参数的高度控制环路和航向控制环路;
[0099] 高度控制模块,用于根据所述GPS信号采集单元314传入的飞行高度数据,利用所 述高度控制环路控制无人机的升降舵;
[0100] 方向控制模块,用于根据所述GPS信号采集单元315传入的飞行航向数据,利用所 述航向控制环路控制无人机的方向舵。
[0101] 参照图4,示出了本发明一种舵机控制单元的工作过程示意,其中,高度控制模块 获取飞行高度数据401,根据期望飞行高度在高度控制环路402部分对升降舵403所需的控制信号进行解算,产生控制信号控制升降舵403,从而使得无人机达到期望飞行高度,并保持在这一高度进行自主飞行;方向控制模块获取飞行航向数据404,根据期望飞行航向在 航向控制环路405部分对方向舵406所需的控制信号进行解算,产生控制信号控制方向舵 406,从而使得无人机达到期望航向,并保持这一航向进行自主飞行。
[0102] 首先,在自主飞行模式下,地面操作人员可以根据视频显示器上的飞行参数、电源 信息等信息,通过遥控器对自动驾驶参数进行设定,使得所述自动驾驶单元可以根据所述 自动驾驶参数,利用所述GPS信号采集单元输出的飞行参数实现自动驾驶功能,能够实现 无人机的精确控制;
[0103] 其次,相对于现有技术,使用高精度传感器获得飞行参数,本发明可以降低自动驾 驶仪的成本。
[0104] 需要说明的是,本发明对具体的单元结构的位置不加以限制,例如,微波发射单元 317可以置于无人机的外部或者内部,所述参数设定卡可以置于无人机机身外侧,等等。
[0105] 对于实施例2而言,由于其与实施例1基本相似,所以描述的比较简单,相关之处 参见实施例1的部分说明即可。
[0106] 本发明的飞行控制系统可以应用于单兵无人机、小型无人机等各种无人机,用于 对其进行更好地控制。
[0107] 以上对本发明所提供的一种飞行控制系统,进行了详细介绍,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 (10)

  1. 一种飞行控制系统,其特征在于,包括:机载系统,包括置于无人机外部的微型摄像机和GPS接收机,置于无人机内部的GPS信号采集单元、电源监控单元、叠加单元,以及,微波发射单元;地面系统,包括微波接收单元、视频显示器和遥控器;其中,所述微型摄像机,用于实时监控无人机正前方的视频图像;所述GPS信号采集单元,用于采集所述GPS接收机传出的数据,并处理得到飞行参数;所述电源监控单元,用于检测得到无人机的电源信息;所述叠加单元,用于将所述飞行参数和/或电源信息叠加到视频图像上;所述微波发射单元,用于向地面系统发射所述叠加结果;所述微波接收单元,用于接收所述叠加结果,并传送到所述视频显示器;所述视频显示器,用于显示所述叠加结果;所述遥控器,用于接收操纵,进行无人机的遥控飞行。
  2. 2.如权利要求1所述的飞行控制系统,其特征在于,还包括:舵机控制单元,置于无人机内部,用于接收所述遥控器发送的舵面控制信号,对无人机 的舵面进行控制。
  3. 3.如权利要求1或2所述的飞行控制系统,其特征在于,所述遥控器,还用于实现无人 机的工作模式切换,其中,所述工作模式包括自主飞行模式和遥控飞行模式。
  4. 4.如权利要求3所述的飞行控制系统,其特征在于,在所述自主飞行模式下,所述飞行 控制系统还包括:参数设定卡,其置于无人机外部,用于接收地面操作人员对自动驾驶参数的设定,其 中,所述自动驾驶参数包括自动驾驶控制参数和飞行航点;自动驾驶单元,其置于无人机内部,用于根据所述GPS信号采集单元传入的飞行参数, 通过所述自动驾驶控制参数,控制所述飞行航点的遍历完成。
  5. 5.如权利要求4所述的飞行控制系统,其特征在于,所述舵机控制单元,还用于接收所 述自动驾驶单元发送的舵面控制信号,对无人机的舵面进行控制,包括:基于所述自动驾驶控制参数的高度控制环路和航向控制环路; 高度控制模块,用于根据所述GPS信号采集单元传入的飞行高度数据,利用所述高度 控制环路控制无人机的升降舵;方向控制模块,用于根据所述GPS信号采集单元传入的飞行航向数据,利用所述航向 控制环路控制无人机的方向舵。
  6. 6.如权利要求1所述的飞行控制系统,其特征在于,所述飞行参数和/或电源信息的叠 加方式包括:图形、数字和字母。
  7. 7.如权利要求1所述的飞行控制系统,其特征在于,所述电源信息包括:输出电流、输 出电压和耗电量;所述电源监控单元,具体用于通过传感器将无人机的动力电源电流转换为电压信号, 通过模数转换,采样获得无人机动力电源的输出电流和输出电压,通过积分计算得到飞行 的耗电量。
  8. 8.如权利要求1所述的飞行控制系统,其特征在于,所述遥控器,还用于开启或关闭所 述叠加单元的叠加功能。
  9. 9.如权利要求1所述的飞行控制系统,其特征在于,所述飞行参数包括:飞行速度数 据、飞行高度数据和飞行航向数据。
  10. 10.如权利要求1所述的飞行控制系统,其特征在于,所述微波发射单元包括: 传输子单元,用于接收所述叠加结果;天线,用于向地面系统发射所述叠加结果。
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