CN105843249A - 基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统及其巡航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统，包括Pixhawk飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统，传感器系统，用于测量无人机飞行时的飞行信息和图像信息，并将飞行信息传输至Pixhawk飞行控制器，图像信息传输至数据传输系统；数据传输系统，用于接收遥控器的控制信息并传送至Pixhawk飞行控制器对无人机进行控制，用于从Pixhawk飞行控制器及传感器系统中读取无人机飞行信息、图像信息并实时传输至地面站；飞行控制系统，用于接收Pixhawk飞行控制器的控制信息，并对无人机进行控制。本发明可改善小型无人机难以操纵的现状，实现了无人机的自动飞行、自动导航、自动返航，降低了无人机操控手的培训成本和利用无人机进行侦查的难度。

Description

基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统及其巡航方法

技术领域

本发明主要涉及无人机自动巡航技术领域，具体是基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统及其巡航方法。

背景技术

随着科技的发展，无人机技术开始飞速发展并且得到了广泛的运用。无人机由于体型较小，飞行高度较低，同时相对大型侦察机较为灵活，因此在短程的侦察中有着先天的优势。美军已经提出21世纪的空中侦察系统应主要由无人机组成。

无人机飞行，往往需要有一名操控手对着飞机上摄像头实时传回的画面持续控制才能进行，对飞行的环境要求非常苛刻，若飞行距离过远或有信号干扰，极易造成飞机坠毁。而自动巡航无人机只需要在地面站设置航点，飞机就能够自动飞行前往侦察目标，其间不需要实时的画面传输，甚至控制信号丢失后飞行器也能继续完成侦察任务，并自动返航。这一特性能够大大降低操控手的培训成本，增加了侦察半径，同时一名操控手可以同时驾驶多架无人机进行侦察，提高了侦察效率和侦察成功率。因此，能够使无人机进行稳定自动巡航的系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统及其巡航方法，该系统运行稳定，能够使无人机在设定路线上进行自动巡航。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统，包括Pixhawk飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统，

传感器系统，用于测量无人机飞行时方向、速度、加速度、位置、高度的飞行信息和图像信息，并将飞行信息传输至Pixhawk飞行控制器，图像信息传输至数据传输系统；

数据传输系统，用于接收遥控器的控制信息并传送至Pixhawk飞行控制器对无人机进行控制，用于从Pixhawk飞行控制器及传感器系统中读取无人机飞行信息、图像信息并实时传输至地面站；

飞行控制系统，用于接收Pixhawk飞行控制器的控制信息，并对无人机的油门、副翼舵机、方向舵机、升降舵机进行控制。

传感器系统包括GPS传感器、陀螺仪、高度传感器、电子罗盘、摄像头、光流相机，GPS传感器用于测量无人机位置信息，陀螺仪、电子罗盘用于测量无人机飞行方向、速度、加速度信息，高度传感器采用气压计并与光流相机结合测量无人机飞行高度，摄像头用于采集无人机飞行时画面的图像信息。

数据传输系统包括接收机、数传模块、图传模块，接收机与遥控器配对，并将遥控器信息传送至Pixhawk飞行控制器，数传模块从Pixhawk飞行控制器中读取无人机飞行时的方向、速度、加速度、位置、高度信息并传输到地面站，图传模块用于接收摄像头采集的图像信息并传输到地面站。

传感器系统还包括空速仪，用于测量无人机的空速状态。

本无人机通过高度控制油门、空速控制升降舵的方式保持预定高度和空速飞行，控制方式如下：

无人机在飞行过程中，当高度低于目标高度时，Pixhawk飞行控制器会控制无人机油门加大从而使空速加大，然后再拉升升降舵机，使无人机爬升；

无人机在飞行过程中，当高度处于目标高度但空速高于目标空速时，Pixhawk飞行控制器直接控制拉升升降舵机，使无人机爬升降低空速，当空速低于目标空速后，Pixhawk飞行控制器推动升降舵机使无人机降低高度。

本无人机通过目标航向角和偏航距相结合的方式飞往目标，其具体方式如下：

通过GPS传感器提供的信息，利用程序解算无人机当前位置和目标位置的关系，得到航向角，利用程序解算无人机当前位置点到航线的距离得到偏航距，把航向角和偏航距组成导航航向角提供给Pixhawk飞行控制器，Pixhawk飞行控制器将控制信息传输至飞行控制系统控制无人机飞往目标。

本发明的有益效果：

本发明采用Pixhawk飞行控制器可以使无人机实现飞行增稳的功能，Pixhawk飞行控制器具有开源性可以自由的搭载不同的传感器模块对无人机进行监测，通过一定的算法，使无人机能够在地面站的监控下实现自动飞行，自主避障碍；自动导航前往确定目标，进行拍照、录像等侦查活动，并将视频实时传输到地面站；任务完成后自动返航等功能，在无人机执行任务时，通过地面站可以方便的对无人机位置、速度、高度、电量等信息进行监控，并能实现任务目标更改、任务中断等操作。

附图说明

附图1为本发明的系统总体框架图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

GPS传感器、陀螺仪、高度传感器、电子罗盘、摄像头、光流相机

本发明中使用的Pixhawk飞控是一款使用NuttX实时操作系统的兼容Arduino平台的开源的，多功能的车、船、航空模型控制器，可以实现飞行增稳等功能。由于飞控的开源性，因此可以相对自由的搭载不同的传感器模块，通过不同的程序和算法，实现不同的功能。Pixhawk内置3轴数字16位陀螺仪、电子罗盘、高度传感器、能够对飞行器的运动状态，飞行方向，速度，加速度等数据进行测量，这些数据对于飞行操控相当重要，集成在飞控之中能够增加集成度，降低数据传输延迟和发生错误的几率。GPS传感器用于对本无人机进行定位。本发明中的高度传感器采用的是高精度气压计，内置在Pixhawk飞行控制器中，由于不同海拔高度气压不同，因此通过对气压的测量，可以对无人机飞行的海拔高度进行估算。然而由于空气流动会造成气压的轻微变化，加上地面地形会有起伏变化，因此气压计无法得到无人机相对于地面的准确高度。本发明采用增加光流相机的方法(配备声纳仪)以辅助无人机定高，其主要在无人机起飞、降落阶段精确测量对地高度，确保无人机正常、起飞降落。

本发明中的数据传输系统包括接收机、数传模块、图传模块，其中接收机遥控器配对，可以对无人机进行控制，当自动飞行程序出错时可以直接对无人机进行控制，防止发生坠机；数传模块可以从飞控中读取飞机的航向、速度、位置，高度，等信息，并实时传输到地面站。可以在地面站上对无人机的飞行状态进行监控；图传模块可以将无人机机载摄像头拍摄到的画面实时传输回地面站，并显示出来。

要想让无人机在预定高度飞行，飞控必须控制好无人机的升降舵和油门，固定翼的升降舵和油门控制方式主要有两种：高度控制油门，空速控制升降舵，另一种是高度控制升降舵，空速控制油门。由于飞行器在高空时由气压计计算得到，并不是十分准确，而空速可以由GPS、空速仪分别测得，因此本发明采用的是高度控制油门，空速控制升降舵的方式。在无人机飞行过程中，如果高度低于目标高度，飞控就会控制油门加大，从而导致空速加大，然后才导致拉升降舵，无人机爬升；若是无人机在目标高度，但是空速高于目标空速，这种情况飞控会直接拉升降舵，使无人机爬升，降低空速，但是高度增加后，飞控会减小油门，导致空速降低，空速低于目标空速后，飞控推动升降舵机，导致无人机降低高度。这种控制方式的好处是，无人机始终以空速为第一因素来进行控制，因此保证了飞行的安全，特别是当发动机熄火等异常情况发生时，使无人机能继续保持安全，直到高度降低到地面。

要使飞机飞往目标，那就必须知道飞机当前位置、目标位置和当前航向等问题，GPS模块能够提供飞机当前经纬度信息，航迹方向和地速信息。根据这些信息，再用程序解算飞机当前位置和目标位置的关系，就能知道目标航向角，知道了目标航向角后就可以用于引导飞机飞向目标。但是仅用目标航向角进行导航，不能压航线飞行，为了解决这个问题，本发明中又增加了偏航距的计算，并且根据偏航距，计算出需要的偏航修正量crosstrack_error*g.crosstrack_gain，使飞机能尽快飞到航线上，最后把目标航向角和偏航修正量组成导航航向角，提供给控制级PID。

一般GPS信息的刷新率为10～15HZ。所以，计算目标航向角和偏航修正量的程序都在每秒大约执行10次的medium_loop()中。在medium_loop()的case 1中会执行navigate()，正是在这个函数中，执行了导航航向角nav_bearing的计算。

首先计算的是目标航向角，在navigate()中有：

接下来，要计算偏航修正量，navigate()调用update_navigation()调用

verify_commands()调用verify_nav_wp()调用update_crosstrack()，这个函数中有：

第一句是计算偏航距的，偏航距是飞机当前位置点到航线的距离，事实上就是求一个点到一条线之间的距离。wp_distance是这个直角三角形的斜边，target_bearing-crosstrack_bearing正是偏航距对应的边相对的那个锐角。第二句中crosstrack_error*g.crosstrack_gain使用偏航距乘以偏航修正增益就得出需要的偏航距修正量，然后使用constrain()函数将偏航距修正量限制在-g.crosstrack_entry_angle.get()与g.crosstrack_entry_angle.get()之间。g.crosstrack_entry_angle.get()其实就是最大的偏航距修正量。在上一段中target_bearing计算时已经有nav_bearing＝target_bearing，现在又nav_bearing+＝constrain(crosstrack_error*g.crosstrack_gain,-g.crosstrack_entry_angle.get()，g.crosstrack_entry_angle.get())，这样其实就把目标航向角和偏航距修正都加到了导航航向角nav_bearing中。根据导航航向角，飞控即可控制无人机往正确的方向飞行。

本发明中的无人机自动巡航系统和方法可改善小型无人机难以操纵的现状，实现了无人机的自动飞行、自动导航、自动返航，降低了无人机操控手的培训成本和利用无人机进行侦查的难度。

Claims (6)

1.基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统，包括Pixhawk飞行控制器、传感器系统、飞行控制系统、数据传输系统，其特征在于：

传感器系统，用于测量无人机飞行时方向、速度、加速度、位置、高度的飞行信息和图像信息，并将飞行信息传输至Pixhawk飞行控制器，图像信息传输至数据传输系统；

数据传输系统，用于接收遥控器的控制信息并传送至Pixhawk飞行控制器对无人机进行控制，用于从Pixhawk飞行控制器及传感器系统中读取无人机飞行信息、图像信息并实时传输至地面站；

飞行控制系统，用于接收Pixhawk飞行控制器的控制信息，并对无人机的油门、副翼舵机、方向舵机、升降舵机进行控制。

2.如权利要求1所述的基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统，其特征在于：传感器系统包括GPS传感器、陀螺仪、高度传感器、电子罗盘、摄像头、光流相机，GPS传感器用于测量无人机位置信息，陀螺仪、电子罗盘用于测量无人机飞行方向、速度、加速度信息，高度传感器采用气压计并与光流相机结合测量无人机飞行高度，摄像头用于采集无人机飞行时画面的图像信息。

3.如权利要求2所述的基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统，其特征在于：数据传输系统包括接收机、数传模块、图传模块，接收机与遥控器配对，并将遥控器信息传送至Pixhawk飞行控制器，数传模块从Pixhawk飞行控制器中读取无人机飞行时的方向、速度、加速度、位置、高度信息并传输到地面站，图传模块用于接收摄像头采集的图像信息并传输到地面站。

4.如权利要求3所述的基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航系统，其特征在于：传感器系统还包括空速仪，用于测量无人机的空速状态。

5.基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航方法，采用上述系统操作，其特征在于：本无人机通过高度控制油门、空速控制升降舵的方式保持预定高度和空速飞行，控制方式如下：

无人机在飞行过程中，当高度低于目标高度时，Pixhawk飞行控制器会控制无人机油门加大从而使空速加大，然后再拉升升降舵机，使无人机爬升；

无人机在飞行过程中，当高度处于目标高度但空速高于目标空速时，Pixhawk飞行控制器直接控制拉升升降舵机，使无人机爬升降低空速，当空速低于目标空速后，Pixhawk飞行控制器推动升降舵机使无人机降低高度。

6.如权利要求5所述的基于Pixhawk飞控的无人机自动巡航方法，其特征在于：本无人机通过目标航向角和偏航距相结合的方式飞往目标，其具体方式如下：通过GPS传感器提供的信息，利用程序解算无人机当前位置和目标位置的关系，得到航向角，利用程序解算无人机当前位置点到航线的距离得到偏航距，把航向角和偏航距组成导航航向角提供给Pixhawk飞行控制器，Pixhawk飞行控制器将控制信息传输至飞行控制系统控制无人机飞往目标。