CN105573339B - 一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统。所述导航飞行系统包括旋翼飞艇、空间定位导航系统和和惯性导航系统；所述空间定位导航系统用于动态获取旋翼飞艇的时空信息，并根据时空信息、控制点坐标、距离及规划线路进行三维导航飞行或辅助人工控制飞行；所述惯性导航系统用于获取旋翼飞艇飞行数据，并通过定位计算跟踪旋翼飞艇位置，根据旋翼飞艇位置信息进行辅助导航。本发明实现室内(外)飞行器的无障碍、定点、定向、基于规划线路的三维自动导航飞行；有利于提高动力水平，节约能耗，并可携带货物，实现室内(外)飞行器的满负荷、可持续飞行。

Description

一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，尤其涉及一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统。
背景技术
飞艇作为一种被广泛使用的悬浮式航空器，具有在空中悬浮的能力，而且操作驾驶简单方便，他能够在低空低速飞行，安全性能比较好，对起落的场地要求不高，运营成本也比较低，且易于维护保养。室内(外)飞行器的优势在于其商业价值，可广泛用于监控、测绘、定位、通信及信号增强和货物运输等领域，可以提供良好的周边视界，可以进行广告展示、航拍、电视转播和安全监控等活动。而飞艇作为机动性飞行器可以填补大型室内上空的空间，对于一些大型展览馆和博览会也是一种极好的宣传和表演手段。
现有的简易飞行系统通常是通过无人机自控或人控飞行，飞行过程中存在与障碍物及其他无人机碰撞的可能，受飞行器碰撞及动力问题制约，导航飞行难以开展，同时，无人机动力多消耗于克服重力做功(上升、悬浮)，导致持续飞行能力不足且难以负担货物。
发明内容
本发明提供了一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统，旨在解决现有飞艇系统在飞行过程中存在与障碍物及其他无人机碰撞的可能，且导航飞行难以开展，以及持续飞行能力不足且难以负担货物的技术问题。
本发明实现方式如下，一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统，包括旋翼飞艇、空间定位导航系统和和惯性导航系统；所述空间定位导航系统用于动态获取旋翼飞艇的时空信息，并根据时空信息、控制点坐标、距离及规划线路进行三维导航飞行或辅助人工控制飞行；所述惯性导航系统用于获取旋翼飞艇飞行数据，并通过定位计算跟踪旋翼飞艇位置，根据旋翼飞艇位置信息进行辅助导航。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述空间定位导航系统包括飞艇定位导航模块、定位控制点模块和定位服务器，所述飞艇定位导航模块设置于旋翼飞艇上，所述定位控制点模块设置于室内(外)的关键位置，具有精确空间坐标值，所述飞艇定位导航模块通过与定位控制点模块进行通信连接，利用三角测量原理获取自身位置信息并将该位置信息及时间发送至定位服务器；所述定位服务器根据旋翼飞艇时空信息、控制点坐标、距离及规划路径对所述飞艇进行三维导航或人工控制飞行。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述惯性导航系统包括惯性传感器定位模块，惯性传感器定位模块信号连接于定位服务器，惯性感应器定位模块用于根据旋翼飞艇的初始姿态获取旋翼飞艇飞行数据，通过惯性变换获取数据，加入模型算法，跟踪旋翼飞艇位置变化，进行辅助导航。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述旋翼飞艇上还设有碰撞感应模块、动力控制模块和超声波发射感应模块，所述碰撞感应模块用于检测碰撞信号，并将碰撞信号传输至动力控制模块；所述超声波发射感应模块用于侦测旋翼飞艇四周的障碍物，发现障碍物则将障碍物及其距离信号传输至动力控制模块；所述动力控制模块根据碰撞信号或障碍物及其距离信号自动调整旋翼飞艇的动力、飞行姿态及飞行方向。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述旋翼飞艇上还设有无线电通信控制模块，所述无线电通信控制模块与动力控制系统相集成，用于完成地面站(包括定位服务器)到旋翼飞艇的遥控指令的发送接收，以及旋翼飞艇到地面站的遥测数据或视频图像的发送接收，并将地面站的遥控指令传输至动力控制模块，所述动力控制模块根据地面站的遥控指令调整旋翼飞艇的动力、飞行姿态及飞行方向。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述空间定位导航系统的导航方式为：通过定位服务器向飞艇定位导航模块发送导航信息，所述飞艇定位导航模块将导航信息传输至动力控制模块，所述动力控制模块根据导航信息控制旋翼飞艇前后、上下、左右、快慢运动模式，实现基于时空信息、控制点坐标、距离及规划路径的三维导航飞行；或根据导航信息发送通过无线电通信控制模块人工遥控指令进行人工控制飞行。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述空间定位导航系统的室内定位方式包括手机基站、伪卫星、无线局域网、射频标签、超宽带无线电及超声波；所述空间定位导航系统的室外定位方式包括GPS、北斗或基站，以及所述室内定位方式的室外应用。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述惯性感应器包括陀螺仪、加速度传感器、方位传感器及磁力传感器。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述旋翼飞艇为多旋翼动力旋翼飞艇，所述碰撞感应模块设置于旋翼飞艇艇囊外侧的多个突出部位，所述超声波发射感应模块设置于旋翼飞艇的前后部位，且所述碰撞感应模块和超声波发射感应模块分别与动力控制模块相集成；所述旋翼飞艇的旋翼四周还设有碳纤维护栏，所述碰撞感应模块还设置于碳纤维护栏的突出部位上，通过所述碳纤维护栏保护旋翼，避免碰撞导致损坏。
本发明实施例采取的技术方案还包括：所述无线电通信控制模块的无线电数据链系统调制模式包括2FSK、BPSK、OFDM及直接扩频。
本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，通过空间定位导航系统动态获取旋翼飞艇的时空信息，并根据时空信息、控制点坐标、距离及规划线路进行室内(外)三维导航，实现人工控制+地图导航相结合的三维智能飞行；通过惯性导航系统跟踪旋翼飞艇位置，进行辅助导航；通过增加碰撞感应、超声波发射感应和无线电通信控制功能，在飞行过程中自动侦测及避让障碍物，或在发生碰撞后自动调整飞行路线，从而有效避免坠落、中断及损坏，实现了自主智能，使旋翼飞艇能够克服外部约束，实现室内(外)飞行器的无障碍、定点、定向、基于规划线路的三维自动导航飞行；有利于提高动力水平，节约能耗，并可携带货物，实现室内(外)飞行器的满负荷、可持续飞行。
附图说明
图1是本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统的模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，是本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统的结构示意图。本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统包括旋翼飞艇、空间定位导航系统和惯性导航系统；其中，空间定位导航系统和惯性导航系统分别设置于旋翼飞艇上，空间定位导航系统用于动态获取旋翼飞艇的时空信息(时间+坐标)，根据时空信息、控制点坐标、距离及规划线路实现定点、定向、基于规划线路的室内(外)三维导航飞行或辅助人工控制飞行；惯性导航系统用于获取旋翼飞艇飞行数据，并通过定位计算跟踪旋翼飞艇位置，根据旋翼飞艇位置信息进行辅助导航；在本发明实施例中，所述旋翼飞艇为多旋翼动力旋翼飞艇，本发明同样适用于其他类型的飞艇或飞行器。
具体地，请一并参阅图2，是本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统的模块结构示意图。旋翼飞艇上还设有碰撞感应模块、超声波发射感应模块、无人机通信控制模块及动力控制模块，碰撞感应模块、超声波发射感应模块和无人机通信控制模块分别与动力控制模块相集成，空间定位导航系统和惯性导航系统分别与无人机通信控制模块及动力控制模块连接；具体地，
碰撞感应模块设置于旋翼飞艇艇囊外侧的多个突出部位，用于在发生碰撞时检测碰撞信号，并将碰撞信号传输至动力控制模块，动力控制模块根据碰撞信号自动调整旋翼飞艇动力、飞行姿态及飞行方向；在本发明实施例中，旋翼飞艇的旋翼四周还设有碳纤维护栏，碰撞感应模块还设置于碳纤维护栏的突出部位上，通过碳纤维护栏保护旋翼，避免碰撞导致损坏。
超声波发射感应模块设置于旋翼飞艇的前后部位，用于侦测旋翼飞艇四周一定范围内的障碍物，发现障碍物则将障碍物及距离信号传输至动力控制模块，动力控制模块根据障碍物及距离信号自动改变飞行姿态及路线，使旋翼飞艇及时避让碰撞。
无线电通信控制模块用于完成地面站到旋翼飞艇的遥控指令的发送接收，以及旋翼飞艇到地面站的遥测数据或视频图像的发送接收，并将地面站的遥控指令传输至动力控制模块，动力控制模块根据地面站的遥控指令调整旋翼飞艇的动力、飞行姿态及飞行方向，实现旋翼飞艇的人工控制及与地面站的实时数据传输；其中，无线电数据链路是多模式通信系统，分为上行链路和下行链路，上行链路完成地面站到无人机遥控指令的发送接收，下行链路完成无人机到地面站的遥测数据或视频图像的发送接收，并根据定位信息的传输，利用上下行链路进行测距；无线电数据链系统调制模式包括2FSK、BPSK、OFDM及直接扩频等。
空间定位导航系统包括飞艇定位导航模块、定位控制点模块和定位服务器，飞艇定位导航模块设置于旋翼飞艇上，定位控制点模块设置于室内(外)的多个关键位置，具有精确空间坐标值，飞艇定位导航模块分别与定位控制点模块、定位服务器、动力控制模块及无线电通信控制模块连接，定位控制点模块与定位服务器连接；具体地：
飞艇定位导航模块用于对旋翼飞艇进行定位，动态获取旋翼飞艇时空信息，将时空信息发送至定位控制点模块，飞艇定位导航模块通过与定位控制点模块进行通信连接，利用三角测量原理获取自身位置信息并将该位置信息及时间发送至定位服务器；；
定位控制点模块用于接收飞艇定位导航模块发送的时空信息，将时空信息和定位控制点模块的控制点坐标发送至定位服务器，并与定位服务器进行实时通讯与数据传输；
所述定位服务器信号连接于飞艇定位导航模块和定位控制点模块，且以三点定位为基础，通过内置程序计算飞艇定位导航模块及定位控制点模块的相对位置，从而获取扫旋翼飞艇时空信息、控制点坐标、距离及规划路径。定位服务器根据旋翼飞艇时空信息、控制点坐标、距离及规划路径进行三维导航，实现旋翼飞艇的基于空间位置及线路的室内(外)导航飞行；具体导航方式为：定位服务器向无线电通信控制模块发送导航信息，无线电通信控制模块将导航信息传输至动力控制模块，动力控制模块根据导航信息控制旋翼飞艇前后、上下、左右、快慢等运动模式，实现基于时空信息、控制点坐标、距离及规划路径的三维导航飞行；或根据导航信息通过无线电通信控制模块发送人工遥控指令进行人工控制飞行。在本发明实施例中，室内定位方式包括手机基站、伪卫星、无线局域网、射频标签、超宽带无线电、超声波等；室外定位方式包括GPS、北斗或基站等，以及上述室内定位方式的室外应用。
惯性导航系统包括惯性传感器定位模块，惯性传感器定位模块信号连接于定位服务器，惯性感应器定位模块用于根据旋翼飞艇的初始姿态获取旋翼飞艇飞行数据，通过惯性变换获取数据，加入模型算法，跟踪旋翼飞艇位置变化，进行辅助导航，弥补或校正其他空间定位方式的不足。具体地，惯性传感器定位模块包括陀螺仪、加速度传感器、方位传感器及磁力传感器等，可以理解地，采用惯性传感器定位模块进行辅助定位，从而能够根据已知出发点位置，通过位置变化实时计算出来下一点位置，提高旋翼飞艇定位精度。在实际中，将加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器以及其他惯性传感器定位模块内置于智能手机中并固定于旋翼飞艇上，采用JAVA、C++等程序语言及专用功能函数，调用安卓、IOS等相关函数及驱动程序加以实现运行传感器位置测度。本发明实施例的基于旋翼飞艇的导航飞行系统通过空间定位导航系统动态获取旋翼飞艇的时空信息，并根据时空信息、控制点坐标、距离及规划线路进行室内(外)三维导航，实现人工控制+地图导航相结合的三维智能飞行；通过惯性导航系统跟踪旋翼飞艇位置，进行辅助导航；通过增加碰撞感应、超声波发射感应和无线电通信控制功能，在飞行过程中自动侦测及避让障碍物，或在发生碰撞后自动调整飞行路线，从而有效避免坠落、中断及损坏，实现了自主智能，使旋翼飞艇能够克服外部约束，实现室内(外)飞行器的无障碍、定点、定向、基于规划线路的三维自动导航飞行；有利于提高动力水平，节约能耗，并可携带货物，实现室内(外)飞行器的满负荷、可持续飞行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于旋翼飞艇的导航飞行系统，包括旋翼飞艇，其特征在于，还包括空间定位导航系统和和惯性导航系统；所述空间定位导航系统用于动态获取旋翼飞艇的时空信息，并根据时空信息、控制点坐标、距离及规划线路进行三维导航飞行或辅助人工控制飞行；所述惯性导航系统用于获取旋翼飞艇飞行数据，并通过定位计算跟踪旋翼飞艇位置，根据旋翼飞艇位置信息进行辅助导航；所述旋翼飞艇上还设有碰撞感应模块、动力控制模块和超声波发射感应模块，所述碰撞感应模块用于检测碰撞信号，并将碰撞信号传输至动力控制模块；所述超声波发射感应模块用于侦测旋翼飞艇四周的障碍物，发现障碍物则将障碍物及其距离信号传输至动力控制模块；所述动力控制模块根据碰撞信号或障碍物及其距离信号自动调整旋翼飞艇的动力、飞行姿态及飞行方向；所述惯性导航系统包括惯性传感器定位模块，惯性传感器定位模块信号连接于定位服务器，惯性感应器定位模块用于根据旋翼飞艇的初始姿态获取旋翼飞艇飞行数据，通过惯性变换获取数据，加入模型算法，跟踪旋翼飞艇位置变化，进行辅助导航；所述旋翼飞艇为多旋翼动力旋翼飞艇，所述碰撞感应模块设置于旋翼飞艇艇囊外侧的多个突出部位，所述超声波发射感应模块设置于旋翼飞艇的前后部位，且所述碰撞感应模块和超声波发射感应模块分别与动力控制模块相集成；所述旋翼飞艇的旋翼四周还设有碳纤维护栏，所述碰撞感应模块还设置于碳纤维护栏的突出部位上，通过所述碳纤维护栏保护旋翼，避免碰撞导致损坏。
2.根据权利要求1所述的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，其特征在于，所述空间定位导航系统包括飞艇定位导航模块、定位控制点模块和定位服务器，所述飞艇定位导航模块设置于旋翼飞艇上，所述定位控制点模块设置于室内(外)的关键位置，具有精确空间坐标值，所述飞艇定位导航模块通过与定位控制点模块进行通信连接，利用三角测量原理获取自身位置信息并将该位置信息及时间发送至定位服务器；所述定位服务器根据旋翼飞艇时空信息、控制点坐标、距离及规划路径对所述飞艇进行三维导航或人工控制飞行。
3.根据权利要求1所述的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，其特征在于，所述旋翼飞艇上还设有无线电通信控制模块，所述无线电通信控制模块与动力控制系统相集成，用于完成地面站到旋翼飞艇的遥控指令的发送接收，以及旋翼飞艇到地面站的遥测数据或视频图像的发送接收，并将地面站的遥控指令传输至动力控制模块，所述动力控制模块根据地面站的遥控指令调整旋翼飞艇的动力、飞行姿态及飞行方向。
4.根据权利要求1或2所述的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，其特征在于，所述空间定位导航系统的导航方式为：通过定位服务器向飞艇定位导航模块发送导航信息，所述飞艇定位导航模块将导航信息传输至动力控制模块，所述动力控制模块根据导航信息控制旋翼飞艇前后、上下、左右、快慢运动模式，实现基于时空信息、控制点坐标、距离及规划路径的三维导航飞行；或根据导航信息发送通过无线电通信控制模块人工遥控指令进行人工控制飞行。
5.根据权利要求4所述的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，其特征在于，所述空间定位导航系统的室内定位方式包括手机基站、伪卫星、无线局域网、射频标签、超宽带无线电及超声波；所述空间定位导航系统的室外定位方式包括GPS、北斗或基站，以及所述室内定位方式的室外应用。
6.根据权利要求1所述的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，其特征在于，所述惯性感应器包括陀螺仪、加速度传感器、方位传感器及磁力传感器。
7.根据权利要求3所述的基于旋翼飞艇的导航飞行系统，其特征在于，所述无线电通信控制模块的无线电数据链系统调制模式包括2FSK、BPSK、OFDM及直接扩频。
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