CN106950990A - 一种远程机载无人机飞行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程机载无人机飞行控制系统及方法，其包括机载控制台、远程中央控制台和无人机；所述机载控制台与所述远程中央控制台之间通过第三方通信网络进行信息交互；所述机载控制台与所述无人机之间通过局域私有通信网络进行实时信息交互，所述机载控制台能同时控制多台所述无人机作业；所述机载控制台位于所述第三方通信网络的覆盖范围内，根据接收到的所述远程中央控制台传输至的预先配置跟踪指令和控制指令完成对所述无人机的飞行及作业控制。本发明能有效降低成本，极大提高飞控人员的灵活调配效率，增加大面积作业效率，不受第三方通信系统时延抖动的影响，可以广泛在农用无人机施药领域中应用。

Description

一种远程机载无人机飞行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种飞行控制系统及方法，特别是关于一种在农用无人机施药领域中应用的远程机载无人机飞行控制系统及方法。

背景技术

农用无人机施药，是使用无人机进行远程施药。由地面控制台，无人机和机载施药系统组成。地面飞控员对无人机进行远程操控，包括对农用无人机的飞行行为控制和施药行为控制。在农用无人机加注药剂后，地面飞控员控制农用无人机飞行到施药区域，并根据施药区域的地理特性和农用无人机施药性能，操控农用无人机的飞行轨迹，对目标施药区域进行有效施药。使用农用无人机施药，有诸多优点，比如施药效率高，不受地形地貌限制，工作人员可以远程操作等。基于这些优点，农用无人机成为一个重要的发展领域。

农用无人机施药系统由地面控制系统、无人飞机和机载施药系统构成。地面控制系统可以向无人机的机载信号接收设备发射控制信号，无人机通过机载无线信号收发信机接收控制信号，按接收到的控制信号，控制无人飞机的飞行和施药系统的工作。目前无人机广泛用于中继通信，通过机载的无线信号转发系统，双方可以互相发送信号。如图1所示的是一个空中中继通信系统，在甲方收发信机与乙方收发信机通信时，由于乙方收发信机超出了甲方收发信机的覆盖范围，甲方收发信机所发射的信号不能直接被乙方收发信机正确接收，所以甲方收发信机先向机载无线信号转发机发送信号，机载无线信号转发机再把收到的信息发送到乙方收发信机。由于甲方收发信机和乙方收发信机均在机载无线信号转发机的无线信号覆盖范围内，所以甲方收发信机和乙方收发信机可以通过机载无线信号转发机进行通信。

使用中继系统进行农用无人机作业有诸多好处，比如地面控制信号难以到达的区域。然而简单的中继通信无人机只具有控制信号的转发功能，即把从地面控制台收到的信号转发给农用无人机和把从农用无人机收到的信号转发给地面控制台。而且由于地面飞行控制人员仍需要到作业区附近，控制地面飞行控制台，成本较高。在这种情况下，中继无人机只能有限地扩展通信距离，中继无人机本身不具备控制农用无人机作业的功能，地面控制台仍需要频繁控制农用无人机作业。在使用第三方通信网络进行实时通信时，通信成本高。而且中继无人机只能在地面控制台的通信距离内飞行，大面积作业是仍需要不停移动地面控制台，降低作业效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种远程机载无人机飞行控制系统及方法，其能有效降低成本，极大提高飞控人员的灵活调配效率，增加大面积作业效率，不受第三方通信系统时延抖动的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于包括：机载控制台、远程中央控制台和无人机；所述机载控制台与所述远程中央控制台之间通过第三方通信网络进行信息交互；所述机载控制台与所述无人机之间通过局域私有通信网络进行实时信息交互，所述机载控制台能同时控制至少一台所述无人机作业；所述机载控制台位于所述第三方通信网络的覆盖范围内，根据接收到的所述远程中央控制台传输至的预先作业配置信息控制无人机，完成作业。

优选地，所述机载控制台包括机载飞行和作业控制系统、第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机；所述机载飞行和作业控制系统通过所述第三方通信网络收发信机与所述远程中央控制台进行信息交互；所述机载飞行和作业控制系统根据接收到的所述远程中央控制台传输至的作业配置指令，产生飞行控制信息和作业控制指令，并通过所述私有通信网络收发信机实时传输至所述无人机，所述无人机的飞行和作业状态经所述私有通信网络收发信机反馈至所述机载飞行和作业控制系统。

优选地，所述机载飞行和作业控制系统包括飞行控制单元、施药控制单元、施药指令处理单元以及身份识别单元；所述身份识别单元用于所述机载控制台与所述远程中央控制台之间、以及所述机载控制台与所述无人机之间的身份识别和安全认证，从而建立所述远程中央控制台和机载控制台之间的连接以及所述机载控制台与所述无人机之间的连接；所述施药指令处理单元用于解析和处理从所述远程中央控制台所接收的作业配置指令，并向所述远程中央控制台反馈作业状况；所述施药控制单元按照所述施药指令处理单元解析的施药指令所生成的施药控制指令，控制所述无人机进行施药作业；所述飞行控制单元根据施药控制指令生成飞行状态指令，用于控制所述无人机的飞行。

优选地，所述机载控制台的身份识别由所述远程控制台和机载控制台联合完成：所述机载控制台将身份信息发送至所述远程中央控制台，所述远程中央控制台根据该身份信息确定是否接收机载控制台的接入。

优选地，所述无人机的身份识别采用以下第一种方式或第二种方式：第一种方式：将所述无人机的身份认证信息预存在所述机载控制台中，所述无人机向所述机载控制台发送身份识别信息，所述机载控制台直接进行身份识别；第二种方式：所述无人机向所述机载控制台发送身份识别信息，所述机载控制台向所述远程中央控制台请求验证，通过验证后建立所述无人机和机载控制台之间的控制连接。

优选地，所述第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机均包括射频接收单元、信号处理单元和射频发射单元；所述射频接收单元将接收到的信息经所述信号处理单元处理后，传输至所述射频发射单元，由所述射频发射单元将处理后的信号经通信网络进行传输。

优选地，所述机载控制台根据所述无人机的位置和第三方通信网络的通信信号质量，实时调整自身位置，确保所述机载控制台自身高度高于预设的绝对高度或者相对高度。

优选地，所述机载控制台控制多台无人机时，所述机载控制台应监测所有所述无人机的通信链路质量，并调整自身位置以确保与所有的无人机的通信链路质量满足要求。

一种基于上述系统的远程机载无人机飞行控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)机载控制台从远程中央控制台接收施药作业配置信息，并向远程中央控制台发送确认配置信息成功接收的应答信息；2)机载控制台按预置算法解析所接收到的施药作业配置信息，生成飞行和施药作业的指令流；3)根据指令流控制无人机完成作业，并根据配置信息向远程中央控制台报告无人机施药和飞行状态信息；4)机载控制台确定施药完毕，向远程中央控制台报告施药作业完成信息。

优选地，所述配置信息包括以下信息中的一种或多种：作业区域位置和面积坐标信息、飞行速度信息和施药系统配置信息。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于远程中央控制台向机载控制台发送的跟踪指令和控制指令都是预先配置信息，不要求极端短时延传输，成本较低，机载控制台和无人机之间的实时通信通过局域私有通信网络，不产生通信网络通信成本，而且通信覆盖可以自主控制。2、本发明的飞控人员不用到作业区，进一步降低差旅成本和时间成本。3、本发明的飞控人员在集中工作，能极大提高飞控人员的灵活调配效率。4、本发明能有效增加大面积作业效率，不用频繁移动地面控制台。5、由于第三方通信系统收发控制信号不能保证完全覆盖，特别是农用无人机的作业区域是在乡间田野草原，无人机直接通过第三方系统收发控制信号极有可能导致无人机失联。而本发明采用的机载控制台却可以自主灵活地调整位置，使其位于第三方通信系统覆盖范围内，同时有效地控制无人机。同时，由机载控制台控制无人机作业，不受第三方通信系统时延抖动的影响。综上所述，本发明可以广泛在农用无人机施药领域中应用。

附图说明

图1是现有技术中采用的无人机空中中继通信系统示意图；

图2是本发明控制系统的整体结构示意图；

图3是本发明的机载控制台结构示意图；

图4是本发明的机载飞行和作业控制系统结构示意图；

图5是本发明的第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机结构示意图；

图6是本发明的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明提供一种远程机载无人机飞行控制系统，其包括机载控制台、远程中央控制台和无人机。机载控制台与远程中央控制台之间通过第三方通信网络进行信息交互；机载控制台与无人机之间通过局域私有通信网络进行实时信息交互，机载控制台可同时控制多台无人机作业。机载控制台可以自行灵活调整自身位置，且机载控制台位于第三方通信网络的覆盖范围内，根据接收到的远程中央控制台传输至的预先配置跟踪指令和控制指令完成对无人机的飞行及作业控制，使无人机在其通信范围内并按要求完成作业。

作业时，飞控人员通过远程中央控制台将一台或多台无人机的作业配置指令通过第三方通信网络传输至机载控制台，机载控制台根据接收到的配置指令通过局域私有通信网络控制与一台或多台农用无人机进行大面积作业。在正常作业的情况下，飞控人员不用到作业区，远程中央控制台不用频繁控制无人机，因此，飞行人员操作一架农用无人机作业的工作负荷大大降低，从而使单个飞控人员可以操控多架农用无人机作业。

在一个优选地实施例中，如图3所示，机载控制台从所控制的无人机接收飞行状态和作业状态信息，并向无人机发送飞行控制和作业控制信息。机载控制台包括机载飞行和作业控制系统、第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机。机载飞行和作业控制系统通过第三方通信网络收发信机与远程中央控制台进行信息交互；机载飞行和作业控制系统根据接收到的远程中央控制台传输至的作业配置指令，产生飞行控制信息和作业控制指令，并通过私有通信网络收发信机实时传输至无人机，无人机的飞行和作业状态经私有通信网络收发信机反馈至机载飞行和作业控制系统。

上述实施例中，如图4所示，机载飞行和作业控制系统包括飞行控制单元、施药控制单元、施药指令处理单元以及身份识别单元。身份识别单元用于识别远程中央控制台身份后，将远程中央控台传输至的作业配置指令依次经施药指令处理单元和施药控制单元传输至飞行控制单元，由飞行控制单元经身份识别单元将控制信息传输至无人机。其中：

身份识别单元用于机载控制台与远程中央控制台之间的身份识别和安全认证，以及机载控制台与无人机之间的身份识别和安全认证，从而建立远程中央控制台和机载控制台之间的连接以及机载控制台与无人机之间的连接；其中，身份识别信息可以是一个密码信息。

施药指令处理单元用于解析和处理从远程中央控制台所接收的作业配置指令，并向远程中央控制台反馈作业状况。

施药控制单元按照施药指令处理单元解析的施药指令所生成的施药控制指令，控制无人机进行施药作业。

飞行控制单元根据施药控制指令生成飞行状态指令，用于控制无人机的飞行。

上述实施例中，机载控制台的身份识别可以由远程控制台和机载控制台联合完成：机载控制台将身份信息发送至远程中央控制台，远程中央控制台根据该身份信息确定是否接收机载控制台的接入。

上述实施例中，无人机的身份识别有两种方式：

第一种方式：无人机向机载控制台发送身份识别信息，机载控制台直接进行身份识别；该方法是将无人机的身份认证信息预存在机载控制台中。

第二种方式：无人机向机载控制台发送身份识别信息，机载控制台向远程中央控制台请求验证，通过验证后建立无人机和机载控制台之间的控制连接。

上述各实施例中，如图5所示，第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机内部结构相同，均包括射频接收单元、信号处理单元和射频发射单元。射频接收单元将接收到的信息经信号处理单元处理后，传输至射频发射单元，由射频发射单元将处理后的信号经通信网络进行传输。

在一个优选地实施例中，机载控制台根据无人机的位置和第三方通信网络的通信信号质量，可以实时调整自身位置，使机载控制台处于第三方通信网络的良好覆盖范围内，并与无人机之间具有良好的通信质量。具体过程如下：

1)无人机可以向机载控制台报告通信链路质量，机载控制台也可以测量通信链路的质量，从而决定是否有必要调整自身位置。

2)机载控制台向无人机方向移动，同时监测第三方通信网络的链路质量，在找到的局域私有通信网络链路质量和第三方通信网络链路质量均满足要求后，进行悬停飞行或附近盘旋。

在一个优选地实施例中，当一台机载控制台控制多台无人机时，机载控制台应监测所有无人机的通信链路质量，并调整自身位置以确保与所有的无人机的通信链路质量满足要求。机载控制台调整自身位置的方法为：当机载控制台确定与所有无人机的链路质量均高于预设门限时，在附近悬停或盘旋。

在一个优选地实施例中，无人机应向机载控制台反馈必要信息，以便机载控制台产生相应的飞行作业指令。该必要信息包括飞机型号，飞行性能相关参数(例如飞行速度和高度参数等)，无人机携带的作业系统性能信息(例如机载施药系统性能参数)，实时飞行信息(例如位置信息)以及环境气象信息(例如温湿度，风向，风速，光照强度等)。

在一个优选地实施例中，机载控制台可以根据无人机的飞行高度，实时调整自身的飞行高度，确保自身高度高于预设的绝对高度或者相对高度(如农用作业无人机的飞行高度)，以避开通信障碍物。

如图6所示，基于上述控制系统，本发明还提供一种远程机载无人机飞行控制方法，其包括以下步骤：

1)机载控制台从远程中央控制台接收施药作业配置信息，并向远程中央控制台发送确认配置信息成功接收的应答信息；

2)机载控制台按预置算法解析所接收到的施药作业配置信息，生成飞行和施药作业的指令流；

3)机载控制台根据指令流控制无人机完成作业，并根据配置信息向远程中央控制台报告无人机施药和飞行状态信息；

4)机载控制台确定施药完毕，向远程中央控制台报告施药作业完成信息。

上述步骤中，配置信息包括以下信息中的一种或多种：

a)作业区域位置和面积坐标信息；

b)飞行速度信息；

c)施药系统配置信息。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于包括：机载控制台、远程中央控制台和无人机；所述机载控制台与所述远程中央控制台之间通过第三方通信网络进行信息交互；所述机载控制台与所述无人机之间通过局域私有通信网络进行实时信息交互，所述机载控制台能同时控制至少一台所述无人机作业；所述机载控制台位于所述第三方通信网络的覆盖范围内，根据接收到的所述远程中央控制台传输至的预先作业配置信息控制无人机，完成作业。

2.如权利要求1所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述机载控制台包括机载飞行和作业控制系统、第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机；所述机载飞行和作业控制系统通过所述第三方通信网络收发信机与所述远程中央控制台进行信息交互；所述机载飞行和作业控制系统根据接收到的所述远程中央控制台传输至的作业配置指令，产生飞行控制信息和作业控制指令，并通过所述私有通信网络收发信机实时传输至所述无人机，所述无人机的飞行和作业状态经所述私有通信网络收发信机反馈至所述机载飞行和作业控制系统。

3.如权利要求2所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述机载飞行和作业控制系统包括飞行控制单元、施药控制单元、施药指令处理单元以及身份识别单元；所述身份识别单元用于所述机载控制台与所述远程中央控制台之间、以及所述机载控制台与所述无人机之间的身份识别和安全认证，从而建立所述远程中央控制台和机载控制台之间的连接以及所述机载控制台与所述无人机之间的连接；所述施药指令处理单元用于解析和处理从所述远程中央控制台所接收的作业配置指令，并向所述远程中央控制台反馈作业状况；所述施药控制单元按照所述施药指令处理单元解析的施药指令所生成的施药控制指令，控制所述无人机进行施药作业；所述飞行控制单元根据施药控制指令生成飞行状态指令，用于控制所述无人机的飞行。

4.如权利要求3所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述机载控制台的身份识别由所述远程控制台和机载控制台联合完成：所述机载控制台将身份信息发送至所述远程中央控制台，所述远程中央控制台根据该身份信息确定是否接收机载控制台的接入。

5.如权利要求3所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述无人机的身份识别采用以下第一种方式或第二种方式：

第一种方式：将所述无人机的身份认证信息预存在所述机载控制台中，所述无人机向所述机载控制台发送身份识别信息，所述机载控制台直接进行身份识别；

第二种方式：所述无人机向所述机载控制台发送身份识别信息，所述机载控制台向所述远程中央控制台请求验证，通过验证后建立所述无人机和机载控制台之间的控制连接。

6.如权利要求2所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述第三方通信网络收发信机和私有通信网络收发信机均包括射频接收单元、信号处理单元和射频发射单元；所述射频接收单元将接收到的信息经所述信号处理单元处理后，传输至所述射频发射单元，由所述射频发射单元将处理后的信号经通信网络进行传输。

7.如权利要求1所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述机载控制台根据所述无人机的位置和第三方通信网络的通信信号质量，实时调整自身位置，确保所述机载控制台自身高度高于预设的绝对高度或者相对高度。

8.如权利要求1所述的一种远程机载无人机飞行控制系统，其特征在于：所述机载控制台控制多台无人机时，所述机载控制台应监测所有所述无人机的通信链路质量，并调整自身位置以确保与所有的无人机的通信链路质量满足要求。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述系统的远程机载无人机飞行控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)机载控制台从远程中央控制台接收施药作业配置信息，并向远程中央控制台发送确认配置信息成功接收的应答信息；

2)机载控制台按预置算法解析所接收到的施药作业配置信息，生成飞行和施药作业的指令流；

3)根据指令流控制无人机完成作业，并根据配置信息向远程中央控制台报告无人机施药和飞行状态信息；

4)机载控制台确定施药完毕，向远程中央控制台报告施药作业完成信息。

10.如权利要求9所述的一种远程机载无人机飞行控制方法，其特征在于：所述配置信息包括以下信息中的一种或多种：作业区域位置和面积坐标信息、飞行速度信息和施药系统配置信息。