CN107688354A - 一种自主飞行的无人机系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种自主飞行的无人机系统，包括主控制器、地面站设备，主控制器包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块,通过修改主控制器的内部程序和外围电路实现不同型号无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，其特征在于：地面站设备对单个无人机进行配置参数、航线规划电子围栏设置以及航行模式的配置，主控制器按照地面站设备生成的航点文件、飞行参数以及安全参数实现无人机包括自主避障、断点续航在内的自主飞行。
Description
技术领域
本发明涉及无人机系统，尤其是一种自主飞行的无人机系统及其控制方法。
背景技术
现有技术中无人机都是基于离线航线规划和全自动飞行控制的无人机飞控产品方案，具体实现过程如图1所示，上述过程中，“测量地块”过程需要测绘人员手持测绘设备到地块的各个特征点进行取点操作，耗费时间较长，是作业时间之外最耗时间的步骤，特别是对于小地块，测量地块的时间占用总作业时间的比例会更长，自主作业功能是实现无人机植保作业的基础，因为传统的遥控飞行精度差、强度高，无法体现无人机植保作业的真正价值，而自主飞行功能可以充分发挥人和机器各自的优势，充分提高作业效率。
发明内容
本发明为了克服现有技术方案的不足，提供了一种自主飞行的无人机系统的技术方案,充分提高作业效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种自主飞行的无人机系统，包括主控制器、地面站设备，主控制器包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块,通过修改主控制器的内部程序和外围电路实现不同型号无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，地面站设备包括遥控器、PC地面站、手机地面站，通过无线数据信道进行飞行监控；其特征在于：
地面站设备对单个无人机进行配置参数、航线规划电子围栏设置以及航行模式的配置，主控制器按照地面站设备生成的航点文件、飞行参数以及安全参数实现无人机包括自主避障、断点续航在内的自主飞行。
一种自主飞行的无人机控制方法，具体为：
步骤1，通过测绘设备结合地面站设备获取作业区域信息；
步骤2，在地面站设备上进行飞行航线的规划；
步骤3，配置飞行参数；
步骤4，配置安全参数；
步骤5，地面站设备连接主控制器，地面站设备生成规划好的航点文件、飞行参数以及安全参数上传到主控制器；
步骤6，确认卫星状态良好，无人机起飞，飞行模式切换到自主作业模式；
步骤7，无人机保持当前高度进入任务航线，主控制器按照航点文件飞行，并按照设定好的航线执行自主作业；
步骤8，无人机返航。
本发明与现有技术的有益效果体现在：
1.本发明提出了对测量好的作业区域信息及航点文件进行保存，通过地面站软件进行分时复用，这样可以有效提高再次作业的作业效率(再次作业不再需要测量地块)，过程节省了最耗时间的“测量地块”的过程，有效提高作业效率；
2.电药检测、断点续航：高效电源管理实时监控电池电量，高精度液位传感器实时监控药箱药量，出现低电或断药(或人工添加断点)时无人机记录当前航点位置并自主返航，加药换电后无人机自动飞到断点继续开展喷洒作业，有效节省了飞行时间；
3.本发明为保证用户在不使用地面站对小面积形状规整地块作业时仍然可以使用自主喷洒功能，同时有效降低用户的操作强度，本产品提供了非常实用的“AB点模式”，这种作业模式既能满足快速作业要求，又能保证喷洒的均匀性，该模式还支持用户随时修改A点和B点的位置；
4.本发明通过设置电子围栏的充分保证飞行安全；
5.本发明通过自主避障避免无人机与障碍物发生碰撞；
6.本发明采用AB点模式，既能满足快速作业要求，又能保证喷洒的均匀性。
附图说明
图1为现有技术无人机航线规划方法示意图；
图2为本发明的无人机航线规划方法示意图；
图3为本发明的电子围栏原理图；
图4为本发明的AB点操作示意图；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示，
一种精准喷洒的无人机系统，包括主控制器、执行机构、通讯设备、地面站设备以及云网，
主控制器包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块,通过修改主控制器的内部程序和外围电路实现不同型号无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，
数据采集模块采集各传感器的测量信号，测量信号其包括光学信号、陀螺信号、航向信号、舵偏角信号、液位信号以及定高雷达信号，并上传至数据处理模块；
通信模块接收通讯设备传输的由地面站设备上行信道送来的控制命令，同时将无人机的姿态数据及执行机构的工作状态参数通过通讯设备实时传送给地面站设备；
数据处理模块，根据测量信号生成无人机的飞行状态、姿态参数以及飞行参数，结合控制命令，经计算处理，输出开关量信号、模拟信号和PWM脉冲信号给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对执行机构的管理与控制；
执行机构包括电机电调装置和喷洒装置，喷洒装置包括喷头、喷杆、水泵、流量计、药箱、调速电路、液位传感器、水泵调速器，构成为笼罩式施药的伞形喷洒系统；
通讯设备包括接收机模块、数传机载端、数传地面端、卫星导航模块、数传蓝牙中继盒；
地面站设备包括遥控器、PC地面站、手机地面站，通过无线数据信道进行飞行监控；
其特征在于：
地面站设备对单个无人机进行配置参数、航线规划电子围栏设置以及航行模式的配置，并对多个无人机编队并异构多无人机协同规划并利用光学信号生成健康状况图以及三维微地形结合地面监测数据生成作业处方图，主控制器实现无人机仿地飞行控制、高可靠容错控制、自主避障的控制以及控制电机电调装置和喷洒装置协同工作对喷洒进行控制。
其中，光学信号包括可见光信号、近红外信号、热红外信号、摄影机图像以及激光雷达图像。
一种自主飞行的无人机控制方法，通过地面站设备进行离线航线规划的方法实现自主作业，具体为：
步骤1，通过测绘设备结合地面站设备获取作业区域信息(地块角点坐标)
步骤2，在地面站设备上进行飞行航线的规划；
步骤3，配置飞行参数；
步骤4，配置安全参数；
步骤4.1，飞行限制；
步骤4.2，遥控器中断保护；
步骤4.3，电池保护；
步骤4.4，药量检测保护；
步骤5，地面站设备连接主控制器，地面站设备生成规划好的航点文件、飞行参数以及安全参数上传到主控制器；
步骤6，确认卫星状态良好，无人机起飞，飞行模式切换到自主作业模式；
步骤7，无人机保持当前高度进入任务航线，主控制器按照航点文件飞行，并按照设定好的航线执行自主作业(通过地面站设备进行飞行数据的监测)。
步骤8，无人机执行返航时，首先从返航位置爬升一定高度，然后返回到出发点或备降点，航线飞行高度、返航飞行高度均可通过油门通道进行调整。
其中，实现自主飞行，地面站设备进行航线规划和与主控制的通信(航线的上传和下载、飞行数据观察)是重要的基础功能，步骤2中的地面站设备上进行飞行航线的规划为复杂几何图形内路径规划优化的过程，具体为：
步骤2.1，将作业区域信息(即经纬度信息)转换为设定坐标系下的位置信息；
步骤2.2，将无人机航线间距、航线角度作为计算输入；
步骤2.3，计算符合要求的飞行路径；
步骤2.4，计算飞行路径与作业区域信息(多边形)的交点位置；
步骤2.5，将交点位置转换为经纬度信息，即航点位置；
步骤2.6，将航点位置显示在卫星地图上。
步骤2还可以采用AB点模式，AB点模式是针对近似矩形规则形状地块开发的一种航迹规划作业模式，控制无人机执行L形航线，即每次换行及换行后的一条喷洒航线为一个”航线单元“，可通过地面站设置自主换行或手动换行。这种作业模式既能满足快速作业要求，又能保证喷洒的均匀性。
具体为：
步骤2.1，控制无人机飞到A点位置后切换到位置保持模式或GNSS辅助模式,然后记录A点；
步骤2.2，控制无人机飞到B点位置后切换到位置保持模式或GNSS辅助模式,然后记录B点；
步骤2.3，将A、B点位置转换为经纬度信息，即航点位置；
步骤2.4，将航点位置显示在卫星地图上。
步骤2还包括自主避障设置，具体为：
手持测绘杆到达障碍物位置，围绕障碍物四周，添加4个避障点，保存避障点到地面站设备，当无人机飞到障碍物位置时将沿避障点飞行，而避免与障碍物发生碰撞；
步骤3中飞行参数包括：航线间距、飞行速度、起飞高度、加速度、航线角度、航点延时、航向保持以及起始位置。
步骤4.1具体为：飞行限制为电子围栏保护方式，电子围栏为圆柱形围栏或区域形围栏，
圆柱形围栏通过地面站设备设置状态为开启、部分开启或关闭，圆柱形围栏的围栏区域为以无人机解锁起飞位置为中心点的圆柱形，半径和高度可通过地面站设备进行设置；
区域形围栏的围栏边界为当前作业地块向外扩展10米；
自主作业模式中，无人机需要返回到起飞区域(进入返航模式)时，主控制器会自动在起飞点附近的围栏区域设置一个区域形围栏的栅栏口，用于无人机飞回安全点，如下图所示。
如果无人机切入航线时没有在待作业区域内且与作业区域距离超过50 米，无人机将拒绝执行航线并进入安全点，等待操作指令。
电子围栏的设置可以充分保证飞行安全。
步骤4.2具体为：启用遥控器中断保护，设置最小保护油门和保护方式，当遥控器与无人机的通信出现中断或者油门小于最小保护油门时，如果保护方式设置为继续执行任务，在自主模式下，不触发保护，无人机继续飞行；如果保护方式设置为返航或降落，则触发保护，无人机将自动飞到航点位置或原地降落；
其中，最小保护油门为975。
步骤4.3具体为：设置电池电压低保护区，地面站设备上输入单片电池报警电压阈值以及相应的执行动作，在低于单片电池电压低于电压阈值时，执行返航或降落；
如果保护方式设置为返航，无人机将记录当前航点位置并返回出发点，更换电池后，自动飞到航点位置；
如果保护方式设置为降落，无人机将原地降落；
此外，测量单片电池的实际电压值，并写入地面站设备，从而修正电压检测系数，从而使主控制器读取的单片电池电压与实际测量电压相匹配。
步骤4.4具体为：设置液位门限，当液位信号低于液位门限时，将当前航点位置反馈给地面站设备并返航，加药后无人机自动飞到航点位置继续开展喷洒作业；
步骤6中,飞行模式还可以切换到AB点模式，并执行下列步骤：
当当前位置距离A或者B点的距离小于30米时，无人机执行A B点模式，飞向距离当前位置最近的A或B点，然后悬停，等待前后微调或者换行指令，无人机进入作业准备；
根据作业需要，无人机按照相应的方向换行并沿平行于AB线方向飞行，到达终点自主换行；
用户根据需要改变换行方向，给出与当前换行方向相反的换行指令，无人机完成本条航线后会往相反方向换行喷洒，该功能方便对飞过的航线或需要补喷的航线进行补喷；
为满足边界不平行地块的喷洒需求，提高AB点模式的适应性，提供了位置调整功能。无人机在飞行过程中，地面站设备手动控制无人机换行，无人机下一行起始点位置按照手动控制方向进行调整；
每次进行AB点模式作业前或作业完成后，在无人机着陆并加锁情况下清除AB点模式下的航点信息。
此外，该控制方法还能够控制无人机进行仿地飞行，具体为：主控制器通过定高雷达信号确定无人机与地面的距离，并通过与飞行航线的设计顶高度进行比较得出初始高度，通过加速度的计测量垂向加速度修正初始高度，并使用气压测量当前海拔高度作为备用高度。
本方案采用了多种传感器进行拟合应用，既保证了贴地飞行的准确性，又确保在某些复杂情况(例如地中有大坑、深陇等)下飞机可以实现快升缓降(加速度计修正)，还可以确保在雷达高度失效时用气压数据进行安全飞行保护。
此外，该控制方法还实现了无人机的高可靠容错控制，具体为：
主控制器采用基于神经网络的模型参考自适应逆控制算法实现无人机高可靠容错控制，神经网络模型参考自适应逆系统其控制器部分由神经网络构成，利用误差来调整神经网络控制器参数，同时加入逆模型实现线性化和解耦，逆模型由神经网络进行补偿，使得系统达到满意的动态特性。
通过采用基于神经网络的模型参考自适应逆控制算法实现无人机高可靠容错控制，模型参考自适应控制的目标是使跟踪误差收敛于零，将系统实际输出与参考模型输出之间的偏差信号输入到自适应机构，以此对控制律中的参数进行调整。
此外，地面站设备与云网通过互联网连接,地面站设备根据云网提供的数据对多无人机进行控制，云网系统的构成如下：
云网包括资源管理模块、作业模块以及订单任务模块，资源管理模块包括用户管理、飞机管理以及地块管理；作业模块，管理员、植保队和飞手用户都可通过该模块查看作业分布和作业详情，包括：查看作业地理分布、查看作业列表、查看作业详情(已完成作业/进行中作业)，包括：作业地图、作业列表、作业筛选以及作业详情；订单任务模块用于生成并管理订单，其包括植保队订单和飞手任务。
其中，
通过用户管理实现对所有用户的操作，包括：登录、退出、修改用户信息、修改密码，按照权限用户包括分为飞手用户、管理员用户以及植保队用户，管理员用户可以对管理员用户和植保队用户进行操作，包括：新建、查看、修改、启用以及禁用，植保队用户可以对飞手用户进行操作，包括：新建、查看、修改、启用以及禁用；用户信息包括用户名、账户类型、联系人姓名、手机号、更新人。
通过飞机管理植保队用户可以管理队内的飞机，包括：注册飞机、查看飞机列表，查看飞机详情，编辑飞机，禁用/启用飞机，注册飞机是在地面站设备操作完成的，植保队用户可查看已注册的飞机。
飞机列表中每行代表一个飞机，页面列出了飞机的简略信息，包括：名称，飞控编号，作业状态，累计作业面积，启用/禁用状态。
植保队用户可以编辑飞机信息并禁用/启用飞机，禁用后，飞机不能上传作业数据。
通过地块管理实现对作业区域的操作，包括地块类信息和地块管理，地块类信息用于显示地块的基本信息，包括地块名称、地块编号、地址、边界和障碍区域构成的工作区域、测绘面积、测绘方式、启用/禁用状态、上传时间上传人以及参考信息，其中，测绘方式采用RTK、普通测绘或者屏幕取点测绘；飞手用户通过地块管理实现地块信息的上传和下载，植保队用户通过地块管理查看地块列表、地块分布、地块详情并对地块进行删除或启用/禁用操作。
其中，
作业地图，将作业按照地理位置展示在地图中，根据地图缩放精度，自动聚合临近的作业，提供条件筛选，以快速查找作业，还可以卫星模式或地图模式之间切换。以地图的形式展示全部植保队当天的作业信息、全部飞手当天的作业信息、当前飞手当天的作业信息，通过点击地图中的飞机标识展示该作业的包括作业名称、植保队、施药量、已作业面积、作业距离、飞行时长的信息。
作业列表，其以地图的形式展示全部植保队当天的作业信息、全部飞手当天的作业信息、当前飞手当天的作业信息，列表中的作业信息能够导出。
作业筛选，在作业地图和作业列表两个模块均支持对作业信息进行筛选，不同角色(管理员/植保队/飞手)的筛选条件有所不同。筛选条件如下：
1)管理员可筛选：植保队、作业类型、作业状态、时间；
2)植保队可筛选：飞手、飞机、作业类型、作业状态、时间；
3)飞手可筛选：作业类型、作业状态、时间。
作业详情，用户可查看作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹。作业分为：实时作业和已完成作业。实时作业只能查看当前作业和飞行轨迹；已完成作业可查看整个作业及飞行轨迹，支持播放、暂停、停止操作。
通过实时作业，用户可查看作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹。
用户通过回放已完成作业，可查看已完成的作业信息，包括：作业基本信息、作业实时数据以及飞机飞行轨迹视频，支持对播放、暂停、停止操作。
作业信息包括作业名称、地址、作业编号、飞机名称、飞手名称、作业状态(实时或者已完成)、所属任务、GPS开始时间、GPS结束时间、所属植保队、飞行记录以及作业累计信息，
飞行记录包括飞行、飞行模式(由姿态保持、GNSS、位置保持、自主作业、高度保持、悬停等待构成)、姿态信息航迹(包括俯仰、翻滚、偏航)、空间信息(包括带有作业信息坐标点的航迹、飞行速度、雷达高度、气压高度)、飞行时刻、传感器信息(包括喷幅、水泵阀门、流量计、油门量、电池电压、药液液位、陀螺仪、遥控器、加速度计、磁罗盘、振动、GNSS的数据)；
作业累计信息包括总施药量、单位施药量、飞行时长、飞行距离、作业距离、作业面积，总施药量＝流量计测量的流速*作业时长、单位施药量＝总施药量/作业面积。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种自主飞行的无人机系统，包括主控制器、地面站设备，主控制器包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块,通过修改主控制器的内部程序和外围电路实现不同型号无人机的飞行控制和飞行管理功能要求，其特征在于：地面站设备对单个无人机进行配置参数、航线规划电子围栏设置以及航行模式的配置，主控制器按照地面站设备生成的航点文件、飞行参数以及安全参数实现无人机包括自主避障、断点续航在内的自主飞行。
2.一种权利要求1的无人机系统的控制方法，具体为：
步骤1，通过测绘设备结合地面站设备获取作业区域信息；
步骤2，在地面站设备上进行飞行航线的规划；
步骤3，配置飞行参数；
步骤4，配置安全参数；
步骤5，地面站设备连接主控制器，地面站设备生成规划好的航点文件、飞行参数以及安全参数上传到主控制器；
步骤6，确认卫星状态良好，无人机起飞，飞行模式切换到自主作业模式；
步骤7，无人机保持当前高度进入任务航线，主控制器按照航点文件飞行，并按照设定好的航线执行自主作业；
步骤8，无人机返航。
3.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于步骤2具体为：
步骤2.1，将作业区域信息(即经纬度信息)转换为设定坐标系下的位置信息；
步骤2.2，将无人机航线间距、航线角度作为计算输入；
步骤2.3，计算符合要求的飞行路径；
步骤2.4，计算飞行路径与作业区域信息(多边形)的交点位置；
步骤2.5，将交点位置转换为经纬度信息，即航点位置；
步骤2.6，将航点位置显示在卫星地图上。
4.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于：步骤2还可以采用AB点模式，具体为：
步骤2.1，控制无人机飞到A点位置后切换到位置保持模式或GNSS辅助模式,然后记录A点；
步骤2.2，控制无人机飞到B点位置后切换到位置保持模式或GNSS辅助模式,然后记录B点；
步骤2.3，将A、B点位置转换为经纬度信息，即航点位置；
步骤2.4，将航点位置显示在卫星地图上。
5.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于:步骤2还包括自主避障的设置，具体为：手持测绘杆到达障碍物位置，围绕障碍物四周，添加4个避障点，保存避障点到地面站设备，当无人机飞到障碍物位置时将沿避障点飞行。
6.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于步骤4具体为：步骤4.1，飞行限制；
步骤4.2，遥控器中断保护；
步骤4.3，电池保护；
步骤4.4，药量检测保护。
7.根据权利要求6所述的一种控制方法，其特征在于步骤4.1具体为：步骤4.1具体为：飞行限制为电子围栏保护方式，电子围栏为圆柱形围栏或区域形围栏，
圆柱形围栏通过地面站设备设置状态为开启、部分开启或关闭，圆柱形围栏的围栏区域为以无人机解锁起飞位置为中心点的圆柱形，半径和高度可通过地面站设备进行设置；
区域形围栏的围栏边界为当前作业地块向外扩展10米；
无人机需要返回到起飞区域时，主控制器会自动在起飞点附近的围栏区域设置一个区域形围栏的栅栏口，用于无人机飞回安全点；
如果无人机切入航线时没有在待作业区域内且与作业区域距离超过50米，无人机将拒绝执行航线并进入安全点，等待操作指令。
8.根据权利要求6所述的一种控制方法，其特征在于步骤4,2具体为：启用遥控器中断保护，设置最小保护油门和保护方式，当遥控器与无人机的通信出现中断或者油门小于最小保护油门时，如果保护方式设置为继续执行任务，在自主模式下，不触发保护，无人机继续飞行；如果保护方式设置为返航或降落，则触发保护，无人机将自动飞到航点位置或原地降落。
9.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于步骤4.3具体为：设置电池电压低保护区，地面站设备上输入单片电池报警电压阈值以及相应的执行动作，在低于单片电池电压低于电压阈值时，执行返航或降落；
如果保护方式设置为返航，无人机将记录当前航点位置并返回出发点，更换电池后，自动飞到航点位置；
如果保护方式设置为降落，无人机将原地降落。
10.根据权利要求4所述的一种控制方法，其特征在于飞行模式还可以切换到AB点模式，并执行下列步骤：
当当前位置距离A或者B点的距离小于30米时，无人机执行AB点模式，飞向距离当前位置最近的A或B点，然后悬停，等待前后微调或者换行指令，无人机进入作业准备；
根据作业需要，无人机按照相应的方向换行并沿平行于AB线方向飞行，到达终点自主换行；
用户根据需要改变换行方向，给出与当前换行方向相反的换行指令，无人机完成本条航线后会往相反方向换行喷洒，该功能方便对飞过的航线或需要补喷的航线进行补喷；
为满足边界不平行地块的喷洒需求，提高AB点模式的适应性，提供了位置调整功能。无人机在飞行过程中，地面站设备手动控制无人机换行，无人机下一行起始点位置按照手动控制方向进行调整；
每次进行AB点模式作业前或作业完成后，在无人机着陆并加锁情况下清除AB点模式下的航点信息。
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