CN102854887A - 一种无人机航迹规划和远程同步操控方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机航迹规划和远程同步操控方法，涉及无人机控制领域。本发明可广泛应用于包含手机、平板电脑的智能移动设备上。系统可分为两大部分：无人机作为执行端，测量机体的姿态角、经纬度、高度信息，并将信息通过无线数据传输模块或者Wi-Fi模块发送给智能移动设备，同时接收智能移动设备发回的控制信息并执行相应的飞行操作。通过倾斜、滚转智能移动设备，采集设备上陀螺仪、加速度计输出的角度数据，使无人机做出与设备相同的动作，智能移动设备具有接收、显示数据，根据触摸屏设置指令、飞行信息，将信息通过外接无线数据传输模块或者Wi-Fi发送回无人机这些功能。本发明提高了无人机系统的灵活性，也使得操作无人机系统变的像玩游戏一样简单。

Description

一种无人机航迹规划和远程同步操控方法

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体应用在包括手机、平板电脑的智能移动设备与无人机组成的系统。

背景技术

无人机技术已进入全面发展时期，在导航方面已日趋成熟，但是在民用领域，特别是家庭用场所以及娱乐场合方面，仍旧没有一种成熟的无人机系统出现，总结起来有三点原因制约了民用领域无人机的发展；第一点是由于无人机操作难度较大，新手无法快速上手使用，否则就会因为操作的生疏而随时面临炸机的风险，这种结果既是金钱的浪费，又对用户的人身安全造成了一定威胁；第二点是操作系统与无人机交互这一环节，现今大多数地面站均在电脑上面执行，操作过程使用鼠标、键盘这些外部设施，从而导致复杂的操作性以及用户的低体验性，使得用户对使用这类系统兴趣缺乏；第三点，同样是由于大多数地面站均在电脑上面执行，这就制约了使用的场地环境，使得用户只能在电脑能够活动的一定范围内操作无人机。

本系统针对上述三大问题，提出了一种新型无人机航迹控制方法，可以广泛应用于包含手机、平板电脑的智能移动设备上，大大提高了无人机系统的灵活性，通过倾斜、滚转智能移动设备，采集设备上陀螺仪、加速度计输出的角度数据，使无人机做出与设备相同的动作，通过触摸屏来控制无人机的飞行状态，使操作无人机系统变的像玩游戏一样简单，对于推广民用无人机市场有很好的帮助。

发明内容

为了使无人机系统能够提供给用户更低的入门门槛，更好的操作体验性以及更便利的使用环境，本发明提供了一种成本低、适应性好、结构稳定的无人机航迹控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种无人机航迹规划和远程同步操控方法，其特征在于应用的装置为无人机系统，该系统包含如下两大部分：无人机和智能移动设备，智能移动设备上安装有触摸屏、陀螺仪和加速度计；

无人机包括以下部分：

1)航姿参考系统：航姿参考系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁罗盘；

2)GPS接收机；

3)定高模块，由气压高度传感器、超声波传感器组成；

4)通讯模块，包括无线数据传输模块和Wi-Fi；当在远距离时使用无线数据传输模块，在近距离时使用Wi-Fi发送与接收数据；

5)飞行控制板，核心处理器为单片机芯片，负责接收上述四种模块发送的信息，数据处理，控制无人机飞行，同时通过串口与通讯模块相连，与智能移动设备通讯；

6)由电机、舵机、电子调速器、电池组成的无人机硬件系统；

无人机飞行模式分为两种：

1)进入远程同步飞行模式后，通过倾斜、滚转智能移动设备，采集智能移动设备上陀螺仪、加速度计输出的角度数据，远程同步操作无人机飞行姿态，达到通过智能移动设备的姿态来同步操控无人机的飞行姿态。智能移动设备接收、显示无人机飞行姿态数据，应用触摸屏设置指令或飞行信息，将指令或飞行信息通过无线数据传输模块或者Wi-Fi发送回无人机。

2)进入航点飞行模式后，在智能移动设备上设定无人机飞行所要经过的经纬度坐标点，将这些坐标点数据发送回飞行控制板，并与无人机上GPS接收机测得的当前坐标点进行对比，计算出偏航角、偏航距，无人机作为执行端，通过三轴陀螺仪输出的角速度积分后得到角度数据，通过三轴加速度计输出的加速度、三轴磁罗盘输出的磁通量结果计算出另一组角度数据，再将两组角度数据融合成一组，从而得到相对准确的角度数据；将计算出的相对准确角度与预期角度对比，调整舵机转角，达到平稳飞行目的；将无人机的姿态信息，实时传回智能移动设备，并在智能移动设备上显示无人机的姿态信息。

定高飞行方面，在距地面4米以下高度时，气压高度传感器、超声波传感器共同作用测高，在距地面4米以上高度时，气压高度传感器、GPS接收机的高度数据共同作用测高；通讯方面，通过外接无线数据传输模块或者Wi-Fi发送给智能移动设备，同时接收智能移动设备发出的控制信息并执行相应的飞行操作。

智能移动设备为于智能手机或平板电脑这些能够安装android、windows phone、iOS系统的设备，并具有陀螺仪、加速度计这类可计算角度的传感器。

本发明的整体有益效果是：

1、采用智能移动设备作为载体，使本系统可以在更复杂环境下使用，并且移动性大大增强。

2、使用智能移动设备上实现的两种飞行模式，将带给用户更好的操作体验性。

3、降低了用户的入门操作门槛，使用户不必知道无人机的执行过程，只需指定其飞行结果即可。

4、无人机自主飞行功能与智能移动设备的有机结合，开创了一种新型的无人机操作方式，突破了之前在电脑上鼠标、键盘的方式，使无人机飞行变得更加有趣。

附图说明

图1是无人机与智能移动设备的关系结构示意图

图2是无人机的系统流程图

图3是无人机的系统结构框图

图4是无人机的细分结构框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明：

一种新型无人机航迹控制方法，如图1所示，通过智能移动设备接收无人机发回的数据，在屏幕上面以直观的仪表盘形式显示其中一些关键数据，如三轴姿态角、高度、速度信息，并根据触摸屏来设置指令、飞行路径控制信息，将控制信息通过外接无线数据传输模块或者Wi-Fi发送回无人机。无人机作为执行端，通过各类传感器测量机体的姿态角、经纬度、高度各项信息，经由内部算法计算后，得出当前无人机需要进行的具体操作（如电机转速、舵机转角），并通过外接无线数据传输模块或者Wi-Fi发送给智能移动设备，同时接收智能移动设备发出的控制信息并执行相应的飞行操作。

如图2所示，操作方式分为两种：

1、开机初始化并进入远程同步飞行模式后，使用者通过倾斜、滚转智能移动设备，智能移动设备采集自身传感器计算后输出的角度值，并将此角度值通过无线传输发送回无人机后进行限值处理，将处理后的角度值作为参考量，与当前飞行姿态进行对比，输出控制量，用来控制电机、舵机工作状态，最终达到通过智能移动设备的姿态来同步操控无人机的飞行姿态。使用者在智能移动设备上的角度变化，需先除以2再带入限值，限值处理的预设值为，航向角变化范围（-25°，25°），俯仰角变化范围（-15°，25°），横滚角变化范围（-25°，25°）。例如，使用者在智能移动设备上操纵滚转得到的横滚角为70°，则先除2后变为35°，再带入限值，变为25°，这样是为了避免无人机角度过度变化而导致的意外。

2、在智能移动设备上设定无人机飞行所要经过的经纬度坐标点，将这些坐标点数据发送回飞行控制板，并与无人机上GPS接收机测得的当前坐标点进行对比，带入导航算法模块，计算出偏离设定航向的角度（偏航角）、偏离设定航向的距离（偏航距），并将这两个数据作为初始量，计算出控制量控制舵机转角。将气压高度传感器、超声波传感器、GPS所测高度进行数据融合，计算出当前飞机高度，并与预设值进行对比，输出电机控制量，实现定高。同时将无人机的姿态信息，实时传回智能移动设备，并在其上显示发回的信息。

如图3所示，无人机系统整体分为4个部分，分别为上位机1、控制器2、执行端3、电源4。上位机1由智能移动设备、通讯模块组成，控制器2由飞行控制板、航姿参考系统、定高模块、GPS接收机、通讯模块组成，执行端3由四个舵机、无刷电机组成，电源4由电子调速器、锂电池组成

如图4所示，无人机系统可进一步细分为如下几个部分：

1)航姿参考系统1（AHRS）通过I²C总线发送数据给飞行控制板5。

2)GPS接收机2，通过串口发送数据给飞行控制板5。

3)定高模块3，由气压高度传感器、超声波传感器组成，气压高度传感器的气压以及温度数据、超声波传感器的高度数据分别通过I²C总线发送给飞行控制板5。

4)通讯模块4，当在远距离时使用无线数据传输模块发送与接收数据，通过串口与飞行控制板5连接，通过USB转串口模块与智能移动设备连接；在近距离时使用Wi-Fi发送与接收数据，两种通讯方式均需在无人机和智能移动设备两端加入通讯模块，以便能够接收并且发送数据。

5)飞行控制板5，负责接收上述四种模块发送的信息，并且通过内部算法计算出最终控制量，控制无人机飞行。

6)智能移动设备6，负责显示无人机飞行轨迹与状态，并可由用户操作，指定无人机的飞行轨迹与飞行状态。

7)由电机、舵机、电子调速器、电池、机身组成的无人机硬件系统，其中电池通过插头与电子调速器相连，电子调速器的5V输出电源与飞行控制板5相接，为飞行控制板5供电；电子调速器的三向插头与电机相接，为电机供电；飞行控制板5的输出端口与舵机相连，为舵机供电。

Claims (2)

1.一种无人机航迹规划和远程同步操控方法，其特征在于应用的装置为无人机系统，该系统包含如下两大部分：无人机和智能移动设备，智能移动设备上安装有触摸屏、陀螺仪和加速度计；

无人机包括以下部分：

1)航姿参考系统：航姿参考系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁罗盘；

2)GPS接收机；

3)定高模块，由气压高度传感器、超声波传感器组成；

4)通讯模块，包括无线数据传输模块和Wi-Fi；当在远距离时使用无线数据传输模块，在近距离时使用Wi-Fi发送与接收数据；

5)飞行控制板，核心处理器为单片机芯片，负责接收上述四种模块发送的信息，数据处理，控制无人机飞行，同时通过串口与通讯模块相连，与智能移动设备通讯；

6)由电机、舵机、电子调速器、电池组成的无人机硬件系统；

无人机飞行模式分为两种：

1)进入远程同步飞行模式后，通过倾斜、滚转智能移动设备，采集智能移动设备上陀螺仪、加速度计输出的角度数据，远程同步操作无人机飞行姿态，达到通过智能移动设备的姿态来同步操控无人机的飞行姿态。智能移动设备接收、显示无人机飞行姿态数据，将飞行姿态数据通过无线数据传输模块或者Wi-Fi发送回无人机。

2)进入航点飞行模式后，在智能移动设备上设定无人机飞行所要经过的经纬度坐标点，将这些坐标点数据发送回飞行控制板，并与无人机上GPS接收机测得的当前坐标点进行对比，计算出偏航角、偏航距，无人机作为执行端，通过三轴陀螺仪输出的角速度积分后得到角度数据，通过三轴加速度计输出的加速度、三轴磁罗盘输出的磁通量结果计算出另一组角度数据，再将两组角度数据融合成一组，从而得到相对准确的角度数据；将计算出的相对准确角度与预期角度对比，调整舵机转角，达到平稳飞行目的；将无人机的姿态信息，实时传回智能移动设备，并在智能移动设备上显示无人机的姿态信息。

定高飞行方面，在距地面4米以下高度时，气压高度传感器、超声波传感器共同作用测高，在距地面4米以上高度时，气压高度传感器、GPS接收机的高度数据共同作用测高；通讯方面，通过外接无线数据传输模块或者Wi-Fi发送给智能移动设备，同时接收智能移动设备发出的控制信息并执行相应的飞行操作。

2.根据权利要求1所述的一种无人机航迹规划和远程同步操控方法，特征在于：智能移动设备为于智能手机或平板电脑这些能够安装android、windows phone、iOS系统的设备，并具有陀螺仪、加速度计这类可计算角度的传感器。

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