CN108107905A - 一种景区航拍飞行系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种景区航拍飞行系统及其控制方法，系统包括地面站和与地面站相连接的空中飞行器，空中飞行器包括航拍相机、避障相机和微处理器，分别与微处理器相连接的传感模组、油门测量装置、电机调速装置和无线数据传输装置，以及分别与航拍相机和避障相机相连接的无线通信装置；地面站包括通过线缆与空中飞行器相连接的供电装置，分别与无线数据传输装置和无线通讯装置相连接的上位机，以及与上位机相连接的显示器。本发明解决了现有四旋翼飞行器针对景区航拍的技术缺陷，为特定应用场景(景区航拍)提供了一种结构简单、安全性好、可持续续航、容易操作的四旋翼航拍专用飞行系统及其控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器领域，具体涉及一种景区飞行系统及其控制方法。
背景技术
早在上世纪初就出现的多旋翼飞行器，因为其具有体积小、结构简单紧凑，可垂直起降、隐蔽灵活等特点，目前已经被广泛应用于军事、警备和工农业生产及民用航拍等领域。其中，以结构简单和成本低廉的四旋翼飞行器居多。相对于四旋翼飞行器，六旋翼及以上多旋翼飞行器成本高、控制策略复杂和续航时间更短，其发展和普及应用速度更为缓慢。
目前的四旋翼飞行器，相比早期各方面性能都有明显提高，但仍然存在阻碍其具体应用的一些问题。采用电池提供续航能力，导致其续航时间很难超过30分钟，频繁的更换电池耗时耗力。搭载多种器件，比如相机、电池导致飞行器自身偏重，既耗电又有安全隐患。设计较为复杂，使用起来对大多数普通用户很难实际操作。用于航拍的无人机，大多是通用机型，并没有针对某些特殊应用场景的航拍进行特殊设计。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种景区航拍飞行系统及其控制方法解决了目前没有针对于景区场景的航拍飞行器的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种景区航拍飞行系统，其包括地面站和与地面站相连接的空中飞行器，空中飞行器包括航拍相机、避障相机和微处理器，分别与微处理器相连接的传感模组、油门测量装置、电机调速装置和无线数据传输装置，以及分别与航拍相机和避障相机相连接的无线通信装置；地面站包括通过线缆与空中飞行器相连接的供电装置，分别与无线数据传输装置和无线通讯装置相连接的上位机，以及与上位机相连接的显示器；
航拍相机，用于拍摄景点图像；
避障相机，用于观察周围环境并采集障碍物的大小与距离；
传感模组，用于检测空中飞行器所在空间位置信息及空中飞行器的航姿；
油门测量装置，用于监测空中飞行器的油门状态；
电机调速装置，用于调节空中飞行器的电机转速；
供电装置，用于通过线缆向空中飞行器提供电力；
微处理器，用于采集传感模组和油门测量装置的数据并将其进行预处理后发送至无线数据传输装置，以及接收无线数据传输装置的信号并根据信号控制电机调速装置；
无线数据传输装置，用于建立上位机与微处理器之间的无线通信；
无线通信装置，用于建立航拍相机与上位机之间的通信、建立避障相机与上位机之间的通信；
上位机，用于接收来自于无线数据传输装置和无线通信装置的数据，并结合接收到的数据与人工操作指令向微处理器和航拍相机发送控制信号，实现对空中飞行器的控制，以及将接收的景点图像发送至显示器；
显示器，用于显示来自上位机的景点图像；
传感模组包括GPS模块、陀螺仪、加速度计、超声波传感器、气压传感器、电子磁场计和温度传感器。
进一步地，上位机为计算机；空中飞行器为四旋翼飞行器。
进一步地，航拍相机为运动相机和/或3D相机。
提供一种景区航拍飞行系统的控制方法，其包括以下步骤：
S1、通过微处理器获取油门测量装置、GPS模块、陀螺仪、加速度计、超声波传感器、气压传感器、电子磁场计和温度传感器的数据；通过上位机获取航拍相机和避障相机的数据；
S2、根据GPS模块、陀螺仪、加速度计的数据与操作人员选择的悬停位置锁定空中飞行器的空间位置；根据温度传感器和电子磁场计的数据校正陀螺仪的数据，得到空中飞行器的欧拉角；
S3、根据空中飞行器的空间位置，使用超声波传感器的数据或加速度计与GPS模块的数据获取空中飞行器的实际离地高度数据；
S4、通过微处理器将空中飞行器的欧拉角数据、空间位置、油门数据和实际离地高度数据发送至上位机；
S5、根据飞行限制条件、障碍物数据以及来自微处理器的数据协调操作人员发出的指令并生成控制信号发送至微处理器；
S6、根据来自上位机的控制信号控制电机调速装置对空中飞行器电机转速的调整，实现空中飞行器的控制。
进一步地，步骤S6之后还包括步骤S7：
通过上位机获取操作人员的返航指令，根据空中飞行器的空间位置、欧拉角数据和障碍物数据生成返航路线指令并发送至微处理器，通过微处理器控制电机调速装置实现空中飞行器自动返航至起飞位置。
进一步地，步骤S2中锁定空中飞行器的空间位置的具体方法为：
通过微处理器根据GPS模块、陀螺仪、加速度计的数据和扩展卡尔曼滤波算法得到空中飞行器的初步空间坐标，结合操作人员选择的悬停位置并根据PID算法锁定空中飞行器的空间位置。
进一步地，步骤S2中得到空中飞行器欧拉角的具体方法为：
通过微处理器根据温度传感器得到的温度数据对陀螺仪得到的数据进行温度漂移补偿，并根据电子磁场计的数据对进行温度漂移补偿后的陀螺仪数据进行实时校准，通过四元素融合算法得到空中飞行器的欧拉角。
进一步地，步骤S3的具体方法为：
若空中飞行器的空间位置小于3米时，根据超声波传感器的数据获取空中飞行器的实际离地高度；
若空中飞行器的空间位置大于等于3米时，根据气压传感器和GPS模块获取空中飞行器的实际离地高度。
进一步地，步骤S5中飞行限制条件包括：
飞行速度、飞行距离、飞行高度、油门和空中飞行器欧拉角。
本发明的有益效果为：本发明解决了现有四旋翼飞行器针对景区航拍的技术缺陷，为特定应用场景(景区航拍)提供了一种结构简单、安全性好、可持续续航、容易操作的四旋翼航拍专用飞行系统及其控制方法。本发明在一定程度上减轻了微处理器的负担，提高了整个飞行系统的运行效率，为其它更多功能的拓展提供了基础，相比其它的飞行系统，本系统的控制结构更简单易实现，降低了普通操作人员对飞行器的控制难度。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该景区航拍飞行系统包括地面站和与地面站相连接的空中飞行器，空中飞行器包括航拍相机、避障相机和微处理器，分别与微处理器相连接的传感模组、油门测量装置、电机调速装置和无线数据传输装置，以及分别与航拍相机和避障相机相连接的无线通信装置；地面站包括通过线缆与空中飞行器相连接的供电装置，分别与无线数据传输装置和无线通讯装置相连接的上位机，以及与上位机相连接的显示器；
航拍相机，用于拍摄景点图像；
避障相机，用于观察周围环境并采集障碍物的大小与距离；
传感模组，用于检测空中飞行器所在空间位置信息及空中飞行器的航姿；
油门测量装置，用于监测空中飞行器的油门状态；
电机调速装置，用于调节空中飞行器的电机转速；
供电装置，用于通过线缆向空中飞行器提供电力，供电装置使用柔性直流供电线(低于12伏)可以为整个飞行系统提供持续的续航能力；为保证供电线在飞行系统飞行中不发生绕线现象，在地面站的供电端采用滑环连接；
微处理器，用于采集传感模组和油门测量装置的数据并将其进行预处理后发送至无线数据传输装置，以及接收无线数据传输装置的信号并根据信号控制电机调速装置；
无线数据传输装置，用于建立上位机与微处理器之间的无线通信；
无线通信装置，用于建立航拍相机与上位机之间的通信、建立避障相机与上位机之间的通信；
上位机，用于接收来自于无线数据传输装置和无线通信装置的数据，并结合接收到的数据与人工操作指令向微处理器和航拍相机发送控制信号，实现对空中飞行器的控制，以及将接收的景点图像发送至显示器；
显示器，用于显示来自上位机的景点图像；
传感模组包括GPS模块、陀螺仪、加速度计、超声波传感器、气压传感器、电子磁场计和温度传感器。
上位机为计算机，计算机内设置有SLAM系统，该系统可以通过避障相机采集的数据结合空中飞行器的航迹对障碍物出现的情况进行处理并形成操作指令；空中飞行器为四旋翼飞行器，微处理器接收上位机发生的控制信号，通过互补滤波融合和姿态解耦运算等算法解算出四路PWM值，分别输出四个通道的脉宽调制信号发送至电机调速装置，由电机调速装置驱动电机完成飞行器的平衡控制以及横滚、俯仰、偏航等空间六自由度的动作，实现X、Y和Z方向上的平稳移动或者继续顶点悬停。
航拍相机为运动相机和/或3D相机，上位机接收到航拍相机传回的数据后便通过显示器将其显示出来。
如图2所示，该景区航拍飞行系统的控制方法包括以下步骤：
S1、微处理器获取油门测量装置、GPS模块、陀螺仪、加速度计、超声波传感器、气压传感器、电子磁场计和温度传感器的数据；上位机获取航拍相机和避障相机的数据；
S2、微处理器根据GPS模块、陀螺仪、加速度计的数据与操作人员选择的悬停位置锁定空中飞行器的空间位置；微处理器根据温度传感器和电子磁场计的数据矫直陀螺仪的数据，得到空中飞行器的欧拉角；
S3、微处理器根据空中飞行器的空间位置，使用超声波传感器的数据或加速度计与GPS模块的数据获取空中飞行器的实际离地高度数据；
S4、微处理器将空中飞行器的欧拉角数据、空间位置、油门数据和实际离地高度数据发送至上位机；
S5、上位机根据飞行限制条件、障碍物数据以及来自微处理器的数据协调操作人员发出的指令并生成控制信号发送至微处理器；
S6、微处理器根据来自上位机的控制信号控制电机调速装置对空中飞行器电机转速的调整，实现空中飞行器的控制。
步骤S6之后还包括步骤S7：
上位机获取操作人员的返航指令，根据空中飞行器的空间位置、欧拉角数据和障碍物数据生成返航路线指令并发送至微处理器，微处理器控制电机调速装置实现空中飞行器自动返航至起飞位置。
步骤S2中锁定空中飞行器的空间位置的具体方法为：
通过微处理器根据GPS模块、陀螺仪、加速度计的数据和扩展卡尔曼滤波算法得到空中飞行器的初步空间坐标，结合操作人员选择的悬停位置并根据PID算法锁定空中飞行器的空间位置。
步骤S2中得到空中飞行器欧拉角的具体方法为：
通过微处理器根据温度传感器得到的温度数据对陀螺仪得到的数据进行温度漂移补偿，并根据电子磁场计的数据对进行温度漂移补偿后的陀螺仪数据进行实时校准，通过四元素融合算法得到空中飞行器的欧拉角。
步骤S3的具体方法为：
若空中飞行器的空间位置小于3米时，根据超声波传感器的数据获取空中飞行器的实际离地高度；
若空中飞行器的空间位置大于等于3米时，根据气压传感器和GPS模块获取空中飞行器的实际离地高度。
步骤S5中飞行限制条件包括：
飞行速度、飞行距离、飞行高度、油门和空中飞行器欧拉角。
综上所述，本发明解决了现有四旋翼飞行器针对景区航拍续航能力不足、安全性不够、成本较高、不易操作的缺点。本发明利用地面站供电线来为飞行系统供电，同时引入滑环避免绕线现象。本发明通过地面站快速构建SLAM系统和避障功能，保障空中飞行器的安全；空中飞行器上可以不搭载占用体积和较为沉重的数据分析处理芯片。同时，在相机的选择上，我们采用的是轻便、高清的相机，进一步减轻飞行器重量，使得空中飞行器轻便、具有很强的安全性，同时具有智能性，可以降低操作人员的操作难度。
Claims (9)
1.一种景区航拍飞行系统，其特征在于：包括地面站和与所述地面站相连接的空中飞行器，所述空中飞行器包括航拍相机、避障相机和微处理器，分别与所述微处理器相连接的传感模组、油门测量装置、电机调速装置和无线数据传输装置，以及分别与所述航拍相机和避障相机相连接的无线通信装置；所述地面站包括通过线缆与空中飞行器相连接的供电装置，分别与所述无线数据传输装置和无线通讯装置相连接的上位机，以及与所述上位机相连接的显示器；
所述航拍相机，用于拍摄景点图像；
所述避障相机，用于观察周围环境并采集障碍物的大小与距离；
所述传感模组，用于检测空中飞行器所在空间位置信息及空中飞行器的航姿；
所述油门测量装置，用于监测空中飞行器的油门状态；
所述电机调速装置，用于调节空中飞行器的电机转速；
所述供电装置，用于通过线缆向空中飞行器提供电力；
所述微处理器，用于采集传感模组和油门测量装置的数据并将其进行预处理后发送至无线数据传输装置，以及接收无线数据传输装置的信号并根据所述信号控制电机调速装置；
所述无线数据传输装置，用于建立上位机与微处理器之间的无线通信；
所述无线通信装置，用于建立航拍相机与上位机之间的通信、建立避障相机与上位机之间的通信；
所述上位机，用于接收来自于无线数据传输装置和无线通信装置的数据，并结合接收到的数据与人工操作指令向微处理器和航拍相机发送控制信号，实现对空中飞行器的控制，以及将接收的景点图像发送至显示器；
所述显示器，用于显示来自上位机的景点图像；
所述传感模组包括GPS模块、陀螺仪、加速度计、超声波传感器、气压传感器、电子磁场计和温度传感器。
2.根据权利要求1所述的景区航拍飞行系统，其特征在于：所述上位机为计算机；所述空中飞行器为四旋翼飞行器。
3.根据权利要求1所述的景区航拍飞行系统，其特征在于：所述航拍相机为运动相机和/或3D相机。
4.一种景区航拍飞行系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过微处理器获取油门测量装置、GPS模块、陀螺仪、加速度计、超声波传感器、气压传感器、电子磁场计和温度传感器的数据；通过上位机获取航拍相机和避障相机的数据；
S2、根据GPS模块、陀螺仪、加速度计的数据与操作人员选择的悬停位置锁定空中飞行器的空间位置；根据温度传感器和电子磁场计的数据校正陀螺仪的数据，得到空中飞行器的欧拉角；
S3、根据空中飞行器的空间位置，使用超声波传感器的数据或加速度计与GPS模块的数据获取空中飞行器的实际离地高度数据；
S4、通过微处理器将空中飞行器的欧拉角数据、空间位置、油门数据和实际离地高度数据发送至上位机；
S5、根据飞行限制条件、障碍物数据以及来自微处理器的数据协调操作人员发出的指令并生成控制信号发送至微处理器；
S6、根据来自上位机的控制信号控制电机调速装置对空中飞行器电机转速的调整，实现空中飞行器的控制。
5.根据权利要求4所述的景区航拍飞行系统的控制方法，其特征在于，步骤S6之后还包括步骤S7：
通过上位机获取操作人员的返航指令，根据空中飞行器的空间位置、欧拉角数据和障碍物数据生成返航路线指令并发送至微处理器，通过微处理器控制电机调速装置实现空中飞行器自动返航至起飞位置。
6.根据权利要求4或5所述的景区航拍飞行系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中锁定空中飞行器的空间位置的具体方法为：
通过微处理器根据GPS模块、陀螺仪、加速度计的数据和扩展卡尔曼滤波算法得到空中飞行器的初步空间坐标，结合操作人员选择的悬停位置并根据PID算法锁定空中飞行器的空间位置。
7.根据权利要求4或5所述的景区航拍飞行系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中得到空中飞行器欧拉角的具体方法为：
通过微处理器根据温度传感器得到的温度数据对陀螺仪得到的数据进行温度漂移补偿，并根据电子磁场计的数据对进行温度漂移补偿后的陀螺仪数据进行实时校准，通过四元素融合算法得到空中飞行器的欧拉角。
8.根据权利要求4或5所述的景区航拍飞行系统的控制方法，其特征在于：步骤S3的具体方法为：
若空中飞行器的空间位置小于3米时，根据超声波传感器的数据获取空中飞行器的实际离地高度；
若空中飞行器的空间位置大于等于3米时，根据气压传感器和GPS模块获取空中飞行器的实际离地高度。
9.根据权利要求4或5所述的景区航拍飞行系统的控制方法，其特征在于：步骤S5中飞行限制条件包括：
飞行速度、飞行距离、飞行高度、油门和空中飞行器欧拉角。
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