CN108572661A - 一种无人机控制系统及无人机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机控制系统及无人机控制方法，包括一种无人机控制系统，其特征在于：包括多旋翼无人机、智能停机坪、移动通信站和地面工作站，所述的地面工作站通过移动通信站分别与智能停机坪、多旋翼无人机通信连接；多旋翼无人机与智能停机坪通信连接。本发明所述的智能停机坪解决了多旋翼无人机起飞和降落过程的收放问题，无人机不再需要展开、收藏等环节；可以通过点选来为多旋翼无人机提供降落位置点，解决了无人机作业半径问题。

Description

一种无人机控制系统及无人机控制方法

技术领域

本发明涉及无人机系统，尤其是一种无人机控制系统及无人机控制方法。

背景技术

如今，多旋翼无人机产品已大量涌入民用行业，通过搭载不同传感器以实现对固定区域内数据监测。但现有产品应用模式广泛为单一系统，需要操控人员在现场进行系统展开、上电、检查、飞行、撤收等操作，以致无法实现无人机系统批量化铺设。

目前，市售上多旋翼无人机的操控系统存在以下不足：(1)主要为单一动作操控系统，且作业需要1～2人，此外，一部分产品虽然支持集群功能，实现1～2人控制多台无人机，但仍需要相关人员对多台无人机进行维修保障；(2)多旋翼无人机系统的控制距离受电台及图传的限制，无法做到远距离控制作业；(3)需要繁杂的人工干预，包括更换电池、校磁、收藏、展开等作业效率较低的操作；(4)需要遥控器控制，设备操控复杂，需要通过专业人员控制，学习成本较高；(5)目前多旋翼无人机系统仍然需要飞回起飞点，对于其作业半径仍然受到限制，没有充分发挥其优势。

多旋翼无人机的控制距离、自动充电、集群模式仍然是限制多旋翼无人机大规模作业的难题，无法有效发挥其优势。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种无人值守、自主充电的无人机控制系统及无人机控制方法。

一种无人机控制系统，包括多旋翼无人机、智能停机坪、移动通信站和地面工作站，所述的地面工作站通过移动通信站分别与智能停机坪、多旋翼无人机通信连接；多旋翼无人机与智能停机坪通信连接；所述的多旋翼无人机上设有多旋翼平台、任务载荷、可见光传感器和控制器，多旋翼平台、任务载荷、可见光传感器均固定连接于机身，可见光传感器、任务载荷、多旋翼平台均与无人机内部的控制器连接。

进一步，所述的智能停机坪包括停机坪主体及环境监测模块、定位模块、远程控制模块、伺服机构和自动充电模块，所述的环境监测模块、定位模块、伺服机构、自动充电模块分别通过远程控制模块与移动通信站连接；所述的环境检测模块包括环境传感器和监测仪，环境传感器与监测仪耦接；所述的定位模块为GPS差分基站。

进一步，所述的停机坪主体包括用于承载无人机的收纳箱，收纳箱的顶部设有可以自动开合的密封盖，密封盖与收纳箱滑动连接；收纳箱的内部底侧设有推动无人机水平位移的推杆，密封盖及推杆均与所述的伺服机构驱动连接。

进一步，所述的自动充电模块包括电池平衡保护器和充电端子，充电端子、平衡保护单元均与远程控制模块耦接；充电端子与无人机上的充电端口相匹配。

进一步，所述的无人机控制系统还包括应急指挥车，应急指挥车通过移动通信站与地面工作站通信连接；所述的应急指挥车包括车体、起降平台、数据服务器、通信模块和充电装置；其中，起降平台安装于车体的尾部，用于无人机起降，数据服务器和充电装置均安装于车体的内部，通信模块安装于车体顶部。

进一步，所述的起降平台后端设有伸缩机构，与车体固定连接；起降平台上设有引导传感器和差分GPS基站，均用于多旋翼无人机的高精度起降。

进一步，所述的通信模块包括用于与无人机通信连接的动中通通信模块，以及用于与移动通信站通信连接的4G通信模块。

进一步，一种无人机控制系统的方法，包括如下步骤：

(1)无人机通过移动通信站与地面工作站连接，实现远程上电，多旋翼无人机完成自检后将起飞状态信息、外部环境信息上传至地面工作站；

(2)地面工作站通过固定巡视航迹或新建航迹上传，实现无人机作业航迹规划；

(3)地面工作站给出多旋翼无人机系统远程任务执行命令，起点处智能停机坪收到信号后自动打开，随后多旋翼无人机开始起飞并执行任务；

(4)多旋翼无人机机载图像信息通过移动通讯站回传至地面工作站，并通过其后端软件调用进行实时监控；

(5)操控人员根据现场情况选用自主或手动模式进行单架或多架无人机的操控；

(6)任务完成后，多旋翼无人机返回至起点处智能停机坪或终点处智能停机坪进行降落，降落后智能停机坪密封盖自动关闭，无人机自动断电，并通过充电端子进行自主充电，并将无人机状态反馈至地面工作站；

(7)无人机充电完成后，设备将状态信息反馈至地面工作站，显示具备作业状态，等待下一次任务指令。

进一步，步骤(6)所述的多旋翼无人机自主充电方法，包括如下步骤：

(61)多旋翼无人机降落在智能停机坪体内，无人机螺旋桨停转后多旋翼无人机自动断电；

(62)伺服机构驱动前后推杆使无人机向智能停机坪中间运动，将无人机推到智能停机坪前后居中位置；然后驱动左右推杆，将无人机推到智能停机坪左右居中位置；

(63)停机坪的充电端子与无人机上的充电端口对接匹配，进行自动充电；当电池平衡保护器检测到无人机电池电量已经充满时，充电系统自动停止充电。

进一步，一种无人机控制方法还包括以下步骤：

(8)当移动通信站的信号无法覆盖任务区域，应急指挥车到达任务区域附近，启动无人机飞行至区域内监测。

(9)任务完成后返回至车辆上空，精准降落至应急指挥车的起降平台并进行充电。

相对于现有技术，本发明所述的一种无人机控制系统及无人机控制方法具有以下优势：

(1)本发明通过采用公网数据传输技术，实现在公网覆盖范围内无人机的超远程控制，打破常规多旋翼无人机控制距离瓶颈；采用智能停机坪，提供无人机精准降落、自主充电、自主收藏、自主检测、远程上电等功能，减少现场人员的参与，大幅提高产品应用效率；

(2)整机采用多重保护措施，采用后端远程控制，简化整机操控界面，省略遥控器，提高产品容错能力，让无人机飞行操控简单化；

(3)实现多旋翼无人机集群控制，通过智能检测后无人机具备飞行状态，通过点选单台或多台进行无人机集群作业；

(4)通过无人机精准降落技术，实现无人机单线飞行(起降点为有限作业距离)，通过控制起降点位置进而将无人机航程作为作业半径，大幅提高无人机作业能力；

(5)智能停机坪解决了多旋翼无人机起飞和降落过程的收放问题，无人机不再需要展开、收藏等环节；可以通过点选来为多旋翼无人机提供降落位置点，解决了无人机作业半径问题；智能停机坪结合自主充电装置，为飞行过后的无人机提供能量补充，极大解放了无人机操作，为多旋翼无人机大量铺设提供技术保障。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的逻辑结构图；

图2为本发明实施例所述的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的智能停机坪俯视图；

图4为本发明实施例所述的智能停机坪侧视图；

图5为本发明实施例所述的应急指挥车结构图。

附图标记说明

1、智能停机坪；11、收纳箱；12、自动充电模块；13、推杆；14、密封盖；2、应急指挥车；21、动中通通信模块；22、4G通信模块；23、起降平台；24、差分GPS基站；25、引导传感器；3、无人机；31、任务载荷

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种无人机3控制系统，包括多旋翼无人机3、智能停机坪1、移动通信站和地面工作站，所述的地面工作站通过移动通信站分别与智能停机坪1、多旋翼无人机3通信连接；多旋翼无人机3与智能停机坪1通信连接；所述的多旋翼无人机3上设有多旋翼平台、任务载荷31、可见光传感器和控制器，多旋翼平台、任务载荷31、可见光传感器均固定连接于机身，可见光传感器、任务载荷31、多旋翼平台均与无人机3内部的控制器连接。

所述的智能停机坪1包括停机坪主体及环境监测模块、定位模块、远程控制模块、伺服机构和自动充电模块12，所述的环境监测模块、定位模块、伺服机构、自动充电模块12分别通过远程控制模块与移动通信站连接；所述的环境检测模块包括环境传感器和监测仪，环境传感器与监测仪耦接；所述的定位模块为GPS差分基站。

所述的停机坪主体包括用于承载无人机3的收纳箱11，收纳箱11的顶部设有可以自动开合的密封盖14，密封盖14与收纳箱11滑动连接；收纳箱11的内部底侧设有推动无人机3水平位移的推杆13，密封盖14及推杆13均与所述的伺服机构驱动连接。

所述的自动充电模块12包括电池平衡保护器和充电端子，充电端子、平衡保护单元均与远程控制模块耦接；充电端子与无人机3上的充电端口相匹配。

所述的无人机3控制系统还包括应急指挥车2，应急指挥车2通过移动通信站与地面工作站通信连接；所述的应急指挥车2包括车体、起降平台23、数据服务器、通信模块和充电装置；其中，起降平台23安装于车体的尾部，用于无人机3起降，数据服务器和充电装置均安装于车体的内部，通信模块安装于车体顶部。

所述的起降平台23后端设有伸缩机构，与车体固定连接；起降平台23上设有引导传感器25和差分GPS基站24，均用于多旋翼无人机3的高精度起降。

所述的通信模块包括用于与无人机3通信连接的动中通通信模块21，以及用于与移动通信站通信连接的4G通信模块22。

一种无人机3控制系统的方法，包括如下步骤：

(1)无人机3通过移动通信站与地面工作站连接，实现远程上电，多旋翼无人机3完成自检后将起飞状态信息、外部环境信息上传至地面工作站；

(2)地面工作站通过固定巡视航迹或新建航迹上传，实现无人机3作业航迹规划；

(3)地面工作站给出多旋翼无人机3系统远程任务执行命令，起点处智能停机坪1收到信号后自动打开，随后多旋翼无人机3开始起飞并执行任务；

(4)多旋翼无人机3机载图像信息通过移动通讯站回传至地面工作站，并通过其后端软件调用进行实时监控；

(5)操控人员根据现场情况选用自主或手动模式进行单架或多架无人机3的操控；

(6)任务完成后，多旋翼无人机3返回至起点处智能停机坪1或终点处智能停机坪1进行降落，降落后智能停机坪1密封盖14自动关闭，无人机3自动断电，并通过充电端子进行自主充电，并将无人机3状态反馈至地面工作站；

(7)无人机3充电完成后，设备将状态信息反馈至地面工作站，显示具备作业状态，等待下一次任务指令。

步骤(6)所述的多旋翼无人机3自主充电方法，包括如下步骤：

(61)多旋翼无人机3降落在智能停机坪1体内，无人机3螺旋桨停转后多旋翼无人机3自动断电；

(62)伺服机构驱动前后推杆13使无人机3向智能停机坪1中间运动，将无人机3推到智能停机坪1前后居中位置；然后驱动左右推杆13，将无人机3推到智能停机坪1左右居中位置；

(63)停机坪的充电端子与无人机3上的充电端口对接匹配，进行自动充电；当电池平衡保护器检测到无人机3电池电量已经充满时，充电系统自动停止充电。

一种无人机3控制方法还包括以下步骤：

(8)当移动通信站的信号无法覆盖任务区域，应急指挥车2到达任务区域附近，启动无人机3飞行至区域内监测。

(9)任务完成后返回至车辆上空，精准降落至应急指挥车2的起降平台23并进行充电。

本发明关键体现于无人机3的精准降落、自主充电、远程控制、集群控制、智能停机坪1及智能操控，具体方案如下：

所述的智能停机坪1主要由环境监测模块、定位模块、远程控制模块、伺服机构和自动充电模块12五部分组成：

(1)环境监测模块，通过设置的传感器监测智能停机坪1周围环境，并自动判断环境条件是否满足起飞条件，通过远程控制模块反馈至地面工作站；

(2)定位模块，通过差分GPS基站24提供高精度定位信息同时通过自组网电台与多个无人机3对应，为每架降落至智能停机坪1的无人机3提供高精度定位信息；

(3)远程控制模块，提供智能停机坪1与移动通信站的双向通信，确保智能停机坪1状态信息回传至地面工作站同时智能停机坪1可以接收地面工作站控制指令；

(4)伺服机构，确保智能停机坪1舱门自动打开和关闭同时通过定位推送机构确保无人机3由降落后位置可以平移至充电位置。

(5)自动充电模块12主要包括锂电池平衡保护模块和自动充电模块12，在无人机3到达充电位置后实现自动充电，整机充电完成后充电器自动断电，智能停机坪1等待下一次任务指令。

综上所述，本发明首先通过RTK差分系统高精度定位系统，实现多旋翼无人机3高精度的定向、定位精度，实现无人机3高精度起降；然后，在无人机3高精度降落后，通过智能停机坪1的伺服机构实现无人机3供电接口的对接，并通过智能充电设备给多旋翼无人机3提供快速智能充电服务，进而减少人员更换电池等操作。

远程控制技术，基于移动通信站的4G网络或后续5G网络，通过公网实现无人机3遥控遥测信息与地面工作站的传输，进而通过工作站的后端软件及服务器通信实现无人机3远程控制；

集群控制，同样地基于公网远程控制，通过工作站后端软件与服务器的数据交互，实现一对一或一对多的多旋翼无人机3集群控制。

智能停机坪1，通过在作业场地内提供精准的降落位置信息、自主充电功能、周围环境预测功能、自主展开撤收功能，实现无人机3收放、检测、能量补充、维保提示等功能；

此外，智能操控主要基于可靠的多旋翼无人机3保护机制，实现整机一键起飞、悬停、继续、返航(原路返航)功能，并通过姿态控制和传感器控制实现无人机3的操控界面，实现无人机3一键操控功能。

此外，应急指挥车2作为本发明控制方法的补充，其主要用于网络覆盖不完善、智能停机坪1布设不覆盖的区域，车辆到达任务区域附近，车内操控人员一键启动无人机3飞行至指定区域，进行侦查、取证、喊话等操作，任务完成后返回至车辆上空，精准降落至车顶，车辆顶部智能停机坪1自动回收并进行充电，充电完成后等待下一次任务指令。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机控制系统，其特征在于：包括多旋翼无人机、智能停机坪、移动通信站和地面工作站，所述的地面工作站通过移动通信站分别与智能停机坪、多旋翼无人机通信连接；多旋翼无人机与智能停机坪通信连接；所述的多旋翼无人机上设有多旋翼平台、任务载荷、可见光传感器和控制器，多旋翼平台、任务载荷、可见光传感器均固定连接于机身，可见光传感器、任务载荷、多旋翼平台均与无人机内部的控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种无人机控制系统，其特征在于：所述的智能停机坪包括停机坪主体及环境监测模块、定位模块、远程控制模块、伺服机构和自动充电模块，所述的环境监测模块、定位模块、伺服机构、自动充电模块分别通过远程控制模块与移动通信站连接；所述的环境检测模块包括环境传感器和监测仪，环境传感器与监测仪耦接；所述的定位模块为GPS差分基站。

3.根据权利要求2所述的一种无人机控制系统，其特征在于：所述的停机坪主体包括用于承载无人机的收纳箱，收纳箱的顶部设有可以自动开合的密封盖，密封盖与收纳箱滑动连接；收纳箱的内部底侧设有推动无人机水平位移的推杆，密封盖及推杆均与所述的伺服机构驱动连接。

4.根据权利要求2所述的一种无人机控制系统，其特征在于：所述的自动充电模块包括电池平衡保护器和充电端子，充电端子、平衡保护单元均与远程控制模块耦接；充电端子与无人机上的充电端口相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种无人机控制系统，其特征在于：所述的无人机控制系统还包括应急指挥车，应急指挥车通过移动通信站与地面工作站通信连接；所述的应急指挥车包括车体、起降平台、数据服务器、通信模块和充电装置；其中，起降平台安装于车体的尾部，用于无人机起降，数据服务器和充电装置均安装于车体的内部，通信模块安装于车体顶部。

6.根据权利要求5所述的一种无人机控制系统，其特征在于：所述的起降平台后端设有伸缩机构，与车体固定连接；起降平台上设有引导传感器和差分GPS基站，均用于多旋翼无人机的高精度起降。

7.根据权利要求5所述的一种无人机控制系统，其特征在于：所述的通信模块包括用于与无人机通信连接的动中通通信模块，以及用于与移动通信站通信连接的4G通信模块。

8.一种应用如权利要求1～7所述的一种无人机控制系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)无人机通过移动通信站与地面工作站连接，实现远程上电，多旋翼无人机完成自检后将起飞状态信息、外部环境信息上传至地面工作站；

(2)地面工作站通过固定巡视航迹或新建航迹上传，实现无人机作业航迹规划；

(3)地面工作站给出多旋翼无人机系统远程任务执行命令，起点处智能停机坪收到信号后自动打开，随后多旋翼无人机开始起飞并执行任务；

(4)多旋翼无人机机载图像信息通过移动通讯站回传至地面工作站，并通过其后端软件调用进行实时监控；

(5)操控人员根据现场情况选用自主或手动模式进行单架或多架无人机的操控；

(6)任务完成后，多旋翼无人机返回至起点处智能停机坪或终点处智能停机坪进行降落，降落后智能停机坪密封盖自动关闭，无人机自动断电，并通过充电端子进行自主充电，并将无人机状态反馈至地面工作站；

(7)无人机充电完成后，设备将状态信息反馈至地面工作站，显示具备作业状态，等待下一次任务指令。

9.根据权利要求8所述的一种无人机控制方法，其特征在于：

步骤(6)所述的多旋翼无人机自主充电方法，包括如下步骤：

(61)多旋翼无人机降落在智能停机坪体内，无人机螺旋桨停转后多旋翼无人机自动断电；

(62)伺服机构驱动前后推杆使无人机向智能停机坪中间运动，将无人机推到智能停机坪前后居中位置；然后驱动左右推杆，将无人机推到智能停机坪左右居中位置；

(63)停机坪的充电端子与无人机上的充电端口对接匹配，进行自动充电；当电池平衡保护器检测到无人机电池电量已经充满时，充电系统自动停止充电。

10.根据权利要求8所述的一种无人机控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(8)当移动通信站的信号无法覆盖任务区域，应急指挥车到达任务区域附近，启动无人机飞行至区域内监测。

(9)任务完成后返回至车辆上空，精准降落至应急指挥车的起降平台并进行充电。