CN107065932B - 一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，旨在通过对四旋翼无人机的有效和准确控制，以较低的数据传输成本实现可靠的灾情探测。实现步骤为：控制四旋翼无人机规避障碍物，飞往目标区域；四旋翼无人机在目标区域采集有效数据；四旋翼无人机在数据采集的同时自适应调整飞行高度；四旋翼无人机在数据采集的同时判断监测任务完成进度和设备异常情况；当四旋翼无人机监测到任务完成，设备异常或返航指令，四旋翼无人机执行返航程序，并降落到指定的区域。本发明能够很好地利用传感器数据实现四旋翼无人机自适应的调整飞行高度，避开突发危险，并且能够利用通信交互技术保证控制的准确性和有效性。

Description

一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法

技术领域

本发明属于无人飞行器控制技术领域，涉及一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，可用于森林防火，电力巡检，环境监测，灾情巡查，防恐救生。

背景技术

面对各类灾害如果不能及时发现、处理，会造成很严重的后果。对于人力不能及时到达的灾情现场，如严重的地震区域，交通瘫痪，人力不能及时到达灾情现场了解具体的灾情情况，制定合理的救援方案；如有毒气体泄漏的灾难，人力不能长时间到现场排查故障。对于人力不能很方便全面地进行灾情探测的地方，如森林火灾的探测发现过程，人力巡航探测的周期长，并且探测范围有限，不能很好的预防，发现森林火灾；如人力对电力线故障的排查很困难，周期很长，影响用户需求。

近年来，无人机技术发展迅猛，尤其是四旋翼无人机因其结构简单，行动灵活，价格合理，起降灵活和易操作等特点发展、普及最快，四旋翼无人机的价格不断下降。四旋翼无人机很好地被用于各种监测场合，如森林火灾的实时监测，有害气体泄露监测，电力线故障排查等。四旋翼无人机携带通信模块，视频采集模块和各类传感器模块，能够完成对人力不可达或比较难到达的灾情现场数据的采集和传输，为救援策略的制定提供了合理的参考，为救援工作争取了大量宝贵的时间。

然而从现有公开的资料来看，四旋翼无人机探测系统控制技术存在一些不足之处。例如授权公告号为CN104391507B，名称为“无人机的控制方法及系统、无人机”的中国专利，公开了一种无人机控制方法，该方法包括以下步骤：通过激光测距模块得到无人机的飞行高度信息；分别获取至少三个激光测距模块的安装点相对坐标原点的位置信息；根据至少三个激光测距模块的安装点相对机身坐标原点的位置信息以及对应的激光测距模块获取的飞行高度信息计算机体相对降落平面的俯仰角和滚转角，得到机体相对降落平面的姿态角；根据无人机的高度信息和相对降落平面的姿态角度控制无人机的降落。但是该方法的不足之处是：1.无人机在调整姿态，降落的时候没有考虑规避障碍物，有可能造成四旋翼无人机的损坏；2.无人机缺少人机交互模块，飞行控制人员不能很好的按照飞行控制人员的意愿对无人机进行飞行控制。

例如授权公告号为CN102955478B，名称为“无人机飞行控制方法及系统”的中国专利，公开了一种无人机飞行控制方法，该方法包括以下步骤：设定飞行路线，并在所述飞行路线上设定若干目标点；控制无人机依次通过所述目标点。通过在飞行路线上设置若干目标点，相当于对飞行路线进行微分处理，从而将整个飞行路线拆分成若干个连续的小段航程，最终控制无人机依次通过所有的小段航程而完成整个导航任务。但是该方法的不足之处是控制四旋翼无人机飞往目标区域完成任务的时候，不能很好地控制四旋翼无人机采集有效的数据，造成数据传输成本的增加，甚至一次飞行任务不能完成目标区域数据的有效采集，导致无人机工作效率降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，旨在通过对四旋翼无人机的有效和准确控制，以较低的数据传输成本实现可靠的灾情探测。

本发明技术思路是：控制四旋翼无人机规避障碍物，飞往目标区域；四旋翼无人机在目标区域采集有效数据，并且在目标区域采集数据的时候自适应的调整飞行高度，避免目标区域的突发危险对四旋翼无人机的损害，并且进行数据的有效采集，四旋翼无人机在数据采集的同时判断监测任务完成进度和设备异常情况；当四旋翼无人机判断出探测任务完成，出现异常情况，或接收到返航指令，四旋翼无人机执行返航程序，降落到指定地点。

一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，包括如下步骤：

(1)控制四旋翼无人机飞往目标区域：

(1a)四旋翼无人机接收飞行控制设备通信模块向无人机通信模块发送的指令，起飞并悬停在指定高度；

(1b)四旋翼无人机利用位置信息获取模块获取其悬停的位置信息，并将该位置信息发送至飞行控制设备通信模块；

(1c)飞行控制设备数据处理模块通过四旋翼无人机的位置信息和目标区域的位置信息，确定无人机的飞行路线，并将飞行路线信息通过飞行控制设备通信模块发送至无人机通信模块；

(1d)超声波探测器获取四旋翼无人机距离障碍物的信息，并将这些距离信息发送至无人机数据处理模块；

(1e)无人机数据处理模块根据飞行路线信息，计算四旋翼无人机的飞行姿态数据，并根据飞行姿态数据和距离信息计算四旋翼无人机的飞行控制数据，同时将飞行控制数据发送给飞行控制数据解析器；

(1f)飞行控制数据解析器对飞行控制数据进行解析，并将解析结果发送至四旋翼控制器，实现四旋翼无人机对障碍物的规避，飞往目标区域；

(2)四旋翼无人机通过通信交互在目标区域采集有效数据：

(2a)四旋翼无人机传感器模块在目标区域采集数据，并通过无人机通信模块将采集到的数据发送给飞行控制设备通信模块和远程监控终端；

(2b)飞行控制设备利用显示模块显示采集到的数据，同时远程监控终端对数据进行监控；

(2c)飞行控制人员选择需要采集的数据类型，并在飞行控制设备中的移动终端指令创建模块创建相应指令，通过飞行控制设备通信模块发送给无人机通信模块；

(2d)四旋翼无人机按指令要求进行需求数据采集；

(2e)当四旋翼无人机数据处理模块检测到有需求数据未采集到时，通过无人机通信模块向飞行控制设备通信模块发送警告信息，飞行控制设备数据处理模块进行信息提取后触发警告模块，飞行控制人员在移动终端指令创建模块创建指令，调整四旋翼无人机的姿态及位置采集缺失数据，最终得到有效数据；

(3)四旋翼无人机在数据采集的同时自适应调整飞行高度：

(3a)四旋翼无人机数据处理模块通过传感器模块获取传感器信息，同时通过位置信息获取模块获取即时位置信息；

(3b)无人机数据处理模块利用传感器信息和即时位置信息，计算传感器数据与需求数据，即时位置数据与安全阈值差的绝对值，并根据该绝对值判断四旋翼无人机当前监测位置是否有效且安全；

(3c)四旋翼无人机根据无人机数据处理模块判断的结果，对其飞行高度进行自适应调整；

(4)四旋翼无人机在数据采集的同时判断监测任务完成进度和设备异常情况：

无人机数据处理模块对采集的数据进行分析，并根据分析结果判断四旋翼无人机是否完成监测任务，同时判断是否出现飞行器件受损、电量不足或传感器数据无效的异常情况；

(5)四旋翼无人机执行返航程序，并降落到指定的区域：

(5a)四旋翼无人机数据处理模块接收飞行控制设备发送的返航指令，或判断监测任务完成，或设备异常，通过无人机通信模块向飞行控制设备通信模块发送位置信息，飞行控制设备数据处理模块计算飞行路线和降落点，并通过飞行控制设备通信模块发送给无人机通信模块；

(5b)四旋翼无人机数据处理模块根据飞行路线信息，传感器模块和位置信息获取模块反馈的数据计算姿态，并产生控制数据发送给飞行控制数据解析器，四旋翼控制器工作，规避障碍物，飞往降落地点。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用通信交互，实时判断无人机数据处理模块通过无人机通信模块发送到飞行控制设备通信模块的数据是否有效，飞行控制人员能够很好的通过远程监控终端和显示终端选择需要进一步采集和补充的数据，通过飞行控制指令创建模块创建控制指令，控制四旋翼无人机在目标区域采集数据，避免无效数据的传输，降低数据传输的成本，提高四旋翼无人机的探测效率，为灾情抢救提供充足的时间和可靠的信息。

2、本发明由于在四旋翼无人机探测灾情的过程中通过获取超声波探测器和各传感器的数据，判断目标区域是否发生突发危险，和数据是否有效，自适应调整飞行高度，避免了四旋翼无人机遭遇突发危险的损害，或采集无用信息。

附图说明

图1为本发明适用的控制系统的结构示意图；

图2为本发明的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1、本发明适用的控制系统包括四旋翼无人机、远程监控终端和飞行控制设备。

四旋翼无人机用于搭载传感器和无人机数据处理模块，飞行控制模块，飞行控制模块和无人机通信模块。四旋翼无人机包括传感器模块、位置信息获取模块、无人机数据处理模块、飞行控制模块和无人机通信模块。传感器模块用于采集目标区域数据；位置信息获取模块用于获取四旋翼无人机的位置信息和距离障碍物的距离信息；无人机数据处理模块用于处理位置信息获取模块，传感器模块获取的数据和无人机通信模块接收的数据；飞行控制模块用于接收数据处理模块发送的飞行控制数据，控制四旋翼无人机。

传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器和图像传感器。温度传感器用于获取温度信息；烟雾传感器用于获取烟雾信息；火焰传感器用于获取火焰信息；加速度计传感器用于获取加速度信息；陀螺仪用于获取角速度信息；图像传感器用于获取图像信息。

位置信息获取模块包括GPS定位系统和超声波探测器。GPS用于获取经纬度信息；超声波探测器用于获取距离信息。

飞行控制模块包括飞行控制数据解析器和四旋翼控制器。飞行控制数据解析器用于解析飞行控制数据，产生不同的脉宽信息；四旋翼控制器用于控制四旋翼无人机的四个电机旋转。

远程监控模块用于对四旋翼无人机采集的数据进行监控。

飞行控制设备包括数据处理模块、显示模块、报警模块、飞行控制指令创建模块和飞行控制设备通信模块。数据处理模块用于处理接收到的数据；显示模块用于显示接收到的数据信息；报警模块用于产生报警信息，引起飞行控制人员的注意；飞行控制指令创建模块用于飞行控制人员创建飞行控制指令；飞行控制设备通信模块用于接收发送数据。

参照图2、一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，控制四旋翼无人机飞往目标区域：

步骤1a，四旋翼无人机接收飞行控制设备通信模块向无人机通信模块发送的指令，起飞并悬停在指定高度，其中指令内容包括发动机启动，四旋翼无人机起飞，起飞高度；

步骤1b，四旋翼无人机利用位置信息获取模块获取其悬停的位置信息，并将该位置信息发送至飞行控制设备通信模块；

步骤1c，飞行控制设备数据处理模块通过四旋翼无人机的位置信息和目标区域的位置信息，确定无人机的飞行路线，并将飞行路线信息通过飞行控制设备通信模块发送至无人机通信模块；

步骤1d，超声波探测器获取四旋翼无人机距离障碍物的信息，并将这些距离信息发送至无人机数据处理模块；

步骤1e，无人机数据处理模块根据飞行路线信息，计算四旋翼无人机的飞行姿态数据，并根据飞行姿态数据和距离信息计算四旋翼无人机的飞行控制数据，同时将飞行控制数据发送给飞行控制数据解析器；其中，计算四旋翼无人机的飞行姿态数据的实现步骤为：

步骤1e1，数据处理模块从传感器模块获取四旋翼无人机当前陀螺仪和加速度计数据，通过互补滤波算法对数据中的重力场和磁场的数据进行低通滤波，对陀螺仪输出中的低频噪声进行高通滤波，并使用四元数进行数据融合，计算四旋翼无人机当前的姿态信息；

步骤1e2，无人机数据处理模块将期望姿态角度与当前姿态角度的差值作为串行比例微分积分PID算法的输入量，运行算法得到四旋翼无人机的飞行姿态数据。

步骤1f，飞行控制数据解析器对飞行控制数据进行解析，并将解析结果发送至四旋翼控制器，实现四旋翼无人机对障碍物的规避，飞往目标区域；其中，四旋翼无人机对障碍物的规避的实现步骤为：

步骤1f1，无人机数据处理模块通过超声波探测器分别获取上下、前后、左右距障碍物的距离；

步骤1f2，判断上下、前后、左右距障碍物的距离是否处于危险距离之内，如果未处于危险距离范围，则继续飞行；如果处于危险距离范围，判断危险距离来自的方向，若危险距离来自水平方向，则改变四旋翼无人机的俯仰角或偏航角度，使四旋翼无人机完成水平方向飞行，避开障碍物；若危险距离来自垂直方向，则调节四旋翼转速，使四旋翼无人机垂直移动，避开障碍物。

步骤2，四旋翼无人机在目标区域采集有效数据：

步骤2a，四旋翼无人机传感器模块在目标区域采集数据，并通过无人机通信模块将采集到的数据发送给飞行控制设备通信模块和远程监控终端；

步骤2b，飞行控制设备利用显示模块显示采集到的数据，同时远程监控终端对数据进行监控；

步骤2c，飞行控制人员选择需要采集的数据类型，并在飞行控制设备中的移动终端指令创建模块创建相应指令，通过飞行控制设备通信模块发送给无人机通信模块；

步骤2d，四旋翼无人机按指令要求进行需求数据采集；

步骤2e，当四旋翼无人机数据处理模块检测到有需求数据未采集到时，通过无人机通信模块向飞行控制设备通信模块发送警告信息，飞行控制设备数据处理模块进行信息提取后触发警告模块，飞行控制人员在移动终端指令创建模块创建指令，调整四旋翼无人机的姿态及位置采集缺失数据，最终得到有效数据；其中，调整四旋翼无人机的姿态及位置采集缺失数据的实现步骤为：

步骤2e1，飞行控制设备通过飞行控制设备通信模块将飞行控制指令发送至无人机通信模块；

步骤2e2，无人机数据处理模块使用接收到的数据，并结合四旋翼无人机的动力模型，产生控制数据，传送到飞行控制模块，其中，四旋翼无人机的动力模型包括“X”型动力模型和“十”型动力模型；

步骤2e3，飞行控制模块中的飞行控制数据解析器解析接收到的飞行控制数据，并将结果反馈给四旋翼控制器；

步骤2e4，四旋翼控制器调整四旋翼电机的转速，调整姿态，飞往能够采集缺失数据的位置；

步骤2e5，在无人机数据处理模块未监测到探测任务完成或异常或返航指令时，返回步骤2e1。

步骤3，四旋翼无人机在数据采集的同时自适应调整飞行高度：

步骤3a，四旋翼无人机数据处理模块通过传感器模块获取传感器信息，同时通过位置信息获取模块获取即时位置信息；

步骤3b，无人机数据处理模块利用传感器信息和即时位置信息，计算传感器数据与需求数据，即时位置数据与安全阈值差的绝对值，并根据该绝对值判断四旋翼无人机当前监测位置是否有效且安全；

步骤3c，四旋翼无人机根据无人机数据处理模块判断的结果，对其飞行高度进行自适应调整；其中，对其飞行高度进行自适应调整的实现步骤为：

步骤3c1，四旋翼无人机接收超声波传感器，温度传感器和摄像头的数据，处理后得到四旋翼无人机当前探测区域温度，以及距离障碍物的距离信息；

步骤3c2，检测当前位置是否在安全有效区域，如检测当前四旋翼无人机所处位置温度是否在安全温度，距离障碍物的距离是否是安全距离，是否在可监测目标范围之内，即是否可以采集到清晰的图像数据，是否可以采集到有效的数据，若是，则继续按照预定义的路线飞行，探测，否则执行步骤3c3；

步骤3c3，四旋翼无人机自适应调整飞行速度，高度和姿态，规避障碍物和危险区域；

步骤3c4，当无人机数据处理模块未检测到任务完成，异常或返回指令时，返回步骤3c1。

步骤4，四旋翼无人机在数据采集的同时判断监测任务完成进度和设备异常情况：

无人机数据处理模块对采集的数据进行分析，并根据分析结果判断四旋翼无人机是否完成监测任务，同时判断是否出现飞行器件受损、电量不足或传感器数据无效的异常情况；

步骤5，四旋翼无人机执行返航程序，并降落到指定的区域：

步骤5a，四旋翼无人机数据处理模块接收飞行控制设备发送的返航指令，或判断监测任务完成，或设备异常，通过无人机通信模块向飞行控制设备通信模块发送位置信息，飞行控制设备数据处理模块计算飞行路线和降落点，并通过飞行控制设备通信模块发送给无人机通信模块；

步骤5b，四旋翼无人机数据处理模块根据飞行路线信息，传感器模块和位置信息获取模块反馈的数据计算姿态，并产生控制数据发送给飞行控制数据解析器，四旋翼控制器工作，规避障碍物，飞往降落地点。

Claims (5)

1.一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)控制四旋翼无人机飞往目标区域：

(1a)四旋翼无人机接收飞行控制设备通信模块向无人机通信模块发送的指令，起飞并悬停在指定高度；

(1b)四旋翼无人机利用位置信息获取模块获取其悬停的位置信息，并将该位置信息发送至飞行控制设备通信模块；

(1c)飞行控制设备数据处理模块通过四旋翼无人机的位置信息和目标区域的位置信息，确定无人机的飞行路线，并将飞行路线信息通过飞行控制设备通信模块发送至无人机通信模块；

(1d)超声波探测器获取四旋翼无人机距离障碍物的信息，并将这些距离信息发送至无人机数据处理模块；

(1e)无人机数据处理模块根据飞行路线信息，计算四旋翼无人机的飞行姿态数据，并根据飞行姿态数据和距离信息计算四旋翼无人机的飞行控制数据，同时将飞行控制数据发送给飞行控制数据解析器；

(1f)飞行控制数据解析器对飞行控制数据进行解析，并将解析结果发送至四旋翼控制器，实现四旋翼无人机对障碍物的规避，飞往目标区域；

(2)四旋翼无人机通过通信交互在目标区域采集有效数据：

(2a)四旋翼无人机传感器模块在目标区域采集数据，并通过无人机通信模块将采集到的数据发送给飞行控制设备通信模块和远程监控终端；

(2b)飞行控制设备利用显示模块显示采集到的数据，同时远程监控终端对数据进行监控；

(2c)飞行控制人员选择需要采集的数据类型，并在飞行控制设备中的移动终端指令创建模块创建相应指令，通过飞行控制设备通信模块发送给无人机通信模块；

(2d)四旋翼无人机按指令要求进行需求数据采集；

(2e)当四旋翼无人机数据处理模块检测到有需求数据未采集到时，通过无人机通信模块向飞行控制设备通信模块发送警告信息，飞行控制设备数据处理模块进行信息提取后触发警告模块，飞行控制人员在移动终端指令创建模块创建指令，调整四旋翼无人机的姿态及位置，采集缺失数据，结合之前采集的数据和已完成的需求数据，最终得到有效数据；

(3)四旋翼无人机在数据采集的同时自适应调整飞行高度：

(3a)四旋翼无人机数据处理模块通过传感器模块获取传感器信息，同时通过位置信息获取模块获取即时位置信息；

(3b)无人机数据处理模块利用传感器信息和即时位置信息，计算传感器数据与需求数据，即时位置数据与安全阈值差的绝对值，并根据该绝对值判断四旋翼无人机当前监测位置是否有效且安全；

(3c)四旋翼无人机根据无人机数据处理模块判断的结果，对其飞行高度进行自适应调整；

(4)四旋翼无人机在数据采集的同时判断监测任务完成进度和设备异常情况：

无人机数据处理模块对采集的数据进行分析，并根据分析结果判断四旋翼无人机是否完成监测任务，同时判断是否出现飞行器件受损、电量不足或传感器数据无效的异常情况；

(5)四旋翼无人机执行返航程序，并降落到指定的区域：

(5a)四旋翼无人机数据处理模块接收飞行控制设备发送的返航指令，或判断监测任务完成，或设备异常，通过无人机通信模块向飞行控制设备通信模块发送位置信息，飞行控制设备数据处理模块计算飞行路线和降落点，并通过飞行控制设备通信模块发送给无人机通信模块；

(5b)四旋翼无人机数据处理模块根据飞行路线信息，传感器模块和位置信息获取模块反馈的数据计算姿态，并产生控制数据发送给飞行控制数据解析器，四旋翼控制器工作，规避障碍物，飞往降落地点。

2.根据权利要求1所述的一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，步骤(1e)中所述的计算四旋翼无人机的飞行姿态数据，实现步骤为：

(1e1)无人机数据处理模块从传感器模块获取四旋翼无人机当前陀螺仪传感器和加速度计传感器数据，通过互补滤波算法对数据中的重力场和磁场的数据进行低通滤波，对从陀螺仪获取的低频噪声进行高通滤波，并使用四元数对互补滤波算法得到的数据进行数据融合并计算，得到四旋翼无人机当前的姿态信息；

(1e2)无人机数据处理模块将期望姿态角度与当前姿态角度的差值作为串行比例微分积分PID算法的输入量，运行算法得到四旋翼无人机的飞行姿态数据。

3.根据权利要求1所述的一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，步骤(1f)中所述的实现四旋翼无人机对障碍物的规避，实现步骤为：

(1f1)无人机数据处理模块通过超声波探测器分别获取上下、前后、左右距障碍物的距离；

(1f2)判断上下、前后、左右距障碍物的距离是否处于危险距离之内，如果未处于危险距离范围，则继续飞行；如果处于危险距离范围，判断危险距离来自的方向，若危险距离来自水平方向，则改变四旋翼无人机的俯仰角或偏航角度，使四旋翼无人机完成水平方向飞行，避开障碍物；若危险距离来自垂直方向，则调节四旋翼转速，使四旋翼无人机垂直移动，避开障碍物。

4.根据权利要求1所述的一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，步骤(2e)中所述的调整四旋翼无人机的姿态及位置，采集缺失数据，实现步骤为：

(2e1)飞行控制设备通过飞行控制设备通信模块将飞行控制指令发送至无人机通信模块；

(2e2)无人机数据处理模块使用接收到的数据，并结合四旋翼无人机的动力模型，产生控制数据，传送到飞行控制模块；

(2e3)飞行控制模块中的飞行控制数据解析器解析接收到的飞行控制数据，并将结果反馈给四旋翼控制器；

(2e4)四旋翼控制器调整四旋翼电机的转速，调整姿态，飞往能够采集缺失数据的位置；

(2e5)在无人机数据处理模块未监测到任务完成，设备异常或返航指令时，执行步骤(2e1)。

5.根据权利要求1所述的一种灾情探测四旋翼无人机的控制方法，其特征在于，步骤(3c)中所述的对其飞行高度进行自适应调整，实现步骤为：

(3c1)四旋翼无人机接收超声波传感器，温度传感器和摄像头的数据，处理后得到四旋翼无人机当前探测区域温度，以及距离障碍物的距离信息；

(3c2)检测当前位置是否在安全有效区域，即检测当前四旋翼无人机所处位置温度是否在安全温度，距离障碍物的距离是否是安全距离，是否在可监测目标范围之内，若是，则继续按照预定义的路线飞行，探测，否则执行(3c3)；

(3c3)四旋翼无人机自适应调整飞行速度，高度和姿态，规避障碍物和危险区域；

(3c4)当无人机数据处理模块未监测到任务完成，设备异常或返航指令时，执行步骤(3c1)。

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