CN109270949A - 一种无人机飞行控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机飞行控制系统，属于无人机技术领域，包括处理器模块、编队集群遥控飞行模块、编队集群控制模块、巡航控制模块、返航控制模块、安全监控模块、地面控制模块、智能充电模块和存储器，返航控制模块和安全监控模块均与通讯天线连接，数据传输模块和数据通讯模块与地面控制模块数据连接，处理器模块分别与超声波测距模块和图像采集模块连接。本发明通过获取当前位置和飞行姿态，确定飞行区域，按照飞行控制策略，控制无人机飞行，提高编队飞行效率和安全，实现无人机测距和图像采集，对飞行控制系统进行散热，保证安全，对无人机故障监控，保证故障无人机及时返航，该飞行控制系统运行安全，适于大范围推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机飞行控制系统，属于无人机技术领域。
背景技术
中国作为农业大国，18亿亩基本农田，每年需要大量的农业植保作业，我国每年农药中毒人数有10万之众，致死率约20％。农药残留和污染造成的病死人数至今尚无官方统计，想必更是一个惊人数字。植保无人机服务农业在日本、美国等发达国家得到了快速发展。1990年，日本山叶公司率先推出世界上第一架无人机，主要用于喷洒农药。我国南方首先应用于水稻种植区的农药喷洒。无人驾驶小型直升机具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点。另外，电动无人直升机喷洒技术采用喷雾喷洒方式至少可以节约50％的农药使用量，节约90％的用水量，这将很大程度的降低资源成本。电动无人机与油动的相比，整体尺寸小，重量轻，折旧率更低、单位作业人工成本不高、易保养。
目前在国内同行申请的专利中，申请号为(201510750602.3)的发明专利，该申请在申请书中详细描述了该技术的技术特征，具有防碰撞、定距好等特点。但是这种无人机在实际使用过程中，会面临着一个很现实的问题。中国的农田，北方基本都是平整后的土地，即常说的“方块田”但是在南方的土地，例如梯田等一系列的不规则农田很常见。按照现在的无人机控制系统来实施时，无人机系统识别不出农田的不规则形状，直接导致后期喷洒工作时，产生遗漏或者喷洒出边界，造成不必要的浪费，且目前的无人机飞行控制系统中，无法使无人机提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成无人机的效率降低，同时存在安全隐患，且在这个过程中，目前的无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行，因此，需要研究出一种无人机飞行控制系统，以解决目前无人机飞行存在的上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种无人机飞行控制系统，用于解决目前无人机在工作中，无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成无人机效率低的问题，同时用于解决目前无人机在工作中无法进行无人机编队集群控制，造成无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行的问题。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种无人机飞行控制系统，包括处理器模块、编队集群遥控飞行模块、编队集群控制模块、巡航控制模块、返航控制模块、安全监控模块、地面控制模块、智能充电模块和存储器，所述处理器模块分别与所述编队集群遥控飞行模块、所述编队集群控制模块、所述巡航控制模块、所述智能充电模块和所述存储器电连接，所述巡航控制模块分别与所述返航控制模块和所述安全监控模块电连接，所述返航控制模块和所述安全监控模块均与通讯天线电连接，所述通讯天线与所述地面控制模块通讯连接，所述编队集群控制模块分别通过数据传输模块和数据通讯模块与所述地面控制模块数据连接，所述处理器模块分别与超声波测距模块和图像采集模块电连接；所述编队集群控制模块向无人机发送指令，进行无人机编队集群控制，获取无人机编队集群的当前位置和各个无人机的姿态；所述返航控制模块用于在与单个无人机间的通信出现故障或单个无人机出现机械故障时，出现故障的无人机按照原路径返回至起点或指定地点，还用于在无人机编队集群完成任务后，按照原路径返回至起点或指定地点；所述安全监控模块用于判断所述地面控制模块与单个无人机间的通信是否出现故障或单个无人机是否出现机械故障；所述安全监控模块内设有气压计、指南针、温度计和高度计。
进一步的，所述编队集群控制模块与所述巡航控制模块电连接，所述无人机编队集群处于编队集群遥控飞行模式时，无人机编队集群的位置信息通过所述数据传输模块传输到地面控制系统，并显示在所述地面控制模块上，所述无人机编队集群处于巡航控制模式时，各个无人机的位置信息通过所述数据通讯模块传输到地面控制系统，并显示在所述地面控制模块上。
进一步的，所述编队集群控制模块进行无人机编队集群控制，接收无人机相互距离及相对速度，获取无人机的当前位置和姿态，并根据无人机相互距离及相对速度，判断无人机编队集群是否运行正常及安全，并根据所述无人机的当前位置和姿态，判断该无人机是否即将进入飞行区域或禁飞区域。
进一步的，所述巡航控制模块用于不断检测无人机的包括数据传输和数据通讯在内的通信系统是否正常，所述巡航控制模块还用于不断检测无人机的位置信息，判断无人机是否已行驶至目的地。
进一步的，所述巡航控制模块包括内环控制模块和外环控制模块，用于单个无人机巡航控制，所述内环控制模块用于控制单个无人机的姿态，所述外环控制模块用于控制单个无人机的位置和速度。
进一步的，所述内环控制模块采用自适应鲁棒控制算法和mahony算法，所述外环控制模块采用模糊PID控制算法，所述mahony算法是根据加速度计和地磁计的数据，转换到地理坐标系后，与对应参考的重力向量和地磁向量进行求误差，这个误差用来校正陀螺仪的输出，然后用陀螺仪数据进行四元数更新，再转换到欧拉角。
进一步的，所述处理器模块还与散热器电连接，所述处理器模块用于计算无人机编队集群中各个无人机相互距离及相对速度，并计算各个无人机的当前位置和姿态，所述散热器用于为飞行控制系统提供散热。
进一步的，所述处理器模块与所述智能充电模块之间设有电源管理模块，所述电源管理模块用于管理所述智能充电模块，在所述处理器模块停止工作时，所述电源管理模块控制所述智能充电模块停止供电，所述智能充电模块用于为飞行控制系统提供电源。
进一步的，所述存储器与云端数据库无线连接，所述存储器用于存储无人机指令和飞行控制系统数据，还用于存储无人机的位置、速度和姿态。
进一步的，所述编队集群遥控飞行模块与信号编码模块电连接，所述信号编码模块与遥控天线电连接，所述遥控天线与所述地面控制模块通讯连接，所述编队集群遥控飞行模块向各个无人机发送控制指令，使无人机按照接收到的控制指令飞行，所述遥控天线用于与无人机的包括数据传输和数据通讯在内的通信系统通信连接。
本发明的有益技术效果：按照本发明的无人机飞行控制系统，本发明提供的无人机飞行控制系统，解决了目前无人机在工作中无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成无人机的效率低的问题，同时解决了目前无人机在工作中无法进行无人机编队集群控制，造成无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行的问题，通过获取无人机的当前位置和飞行姿态，并根据该当前位置和飞行姿态确定该无人机的飞行区域，按照该区域对应的飞行控制策略，控制无人机飞行，提高飞行效率和飞行安全，提高无人机编队飞行安全，通过超声波测距模块和图像采集模块能够实现无人机测距和图像采集，设置散热器能够对飞行控制系统进行有效散热，保证无人机的运行安全，通过安全监控模块能够实现对无人机进行故障监控，保证故障无人机及时返航，通过与云端数据库连接，实现数据云端存储及提取，该飞行控制系统运行安全，适于大范围推广应用。
附图说明
图1为按照本发明的无人机飞行控制系统的一优选实施例的系统结构示意图。
图中：1-处理器模块，2-编队集群遥控飞行模块，3-编队集群控制模块，4-巡航控制模块，5-返航控制模块，6-安全监控模块，7-通讯天线，8-数据传输模块，9-数据通讯模块，10-地面控制模块，11-超声波测距模块，12-图像采集模块，13-电源管理模块，14-智能充电模块，15-存储器，16-云端数据库，17-散热器，18-信号编码模块，19-遥控天线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的一种无人机飞行控制系统，包括处理器模块1、编队集群遥控飞行模块2、编队集群控制模块3、巡航控制模块4、返航控制模块5、安全监控模块6、地面控制模块10、智能充电模块14和存储器15，所述处理器模块1分别与所述编队集群遥控飞行模块2、所述编队集群控制模块3、所述巡航控制模块4、所述智能充电模块14和所述存储器15电连接，所述巡航控制模块4分别与所述返航控制模块5和所述安全监控模块6电连接，所述返航控制模块5和所述安全监控模块6均与通讯天线7电连接，所述通讯天线7与所述地面控制模块10通讯连接，所述编队集群控制模块3分别通过数据传输模块8和数据通讯模块9与所述地面控制模块10数据连接，所述处理器模块1分别与超声波测距模块11和图像采集模块12电连接；所述编队集群控制模块3向无人机发送指令，进行无人机编队集群控制，获取无人机编队集群的当前位置和各个无人机的姿态；所述返航控制模块5用于在与单个无人机间的通信出现故障或单个无人机出现机械故障时，出现故障的无人机按照原路径返回至起点或指定地点，还用于在无人机编队集群完成任务后，按照原路径返回至起点或指定地点；所述安全监控模块6用于判断所述地面控制模块10与单个无人机间的通信是否出现故障或单个无人机是否出现机械故障；所述安全监控模块6内设有气压计、指南针、温度计和高度计。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，所述编队集群控制模块3与所述巡航控制模块4电连接，所述无人机编队集群处于编队集群遥控飞行模式时，无人机编队集群的位置信息通过所述数据传输模块8传输到地面控制系统，并显示在所述地面控制模块10上，所述无人机编队集群处于巡航控制模式时，各个无人机的位置信息通过所述数据通讯模块9传输到地面控制系统，并显示在所述地面控制模块10上，所述编队集群控制模块3进行无人机编队集群控制，接收无人机相互距离及相对速度，获取无人机的当前位置和姿态，并根据无人机相互距离及相对速度，判断无人机编队集群是否运行正常及安全，并根据所述无人机的当前位置和姿态，判断该无人机是否即将进入飞行区域或禁飞区域。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，所述巡航控制模块4用于不断检测无人机的包括数据传输和数据通讯在内的通信系统是否正常，所述巡航控制模块4还用于不断检测无人机的位置信息，判断无人机是否已行驶至目的地，所述巡航控制模块4包括内环控制模块和外环控制模块，用于单个无人机巡航控制，所述内环控制模块用于控制单个无人机的姿态，所述外环控制模块用于控制单个无人机的位置和速度，所述内环控制模块采用自适应鲁棒控制算法和mahony算法，所述外环控制模块采用模糊PID控制算法，所述mahony算法是根据加速度计和地磁计的数据，转换到地理坐标系后，与对应参考的重力向量和地磁向量进行求误差，这个误差用来校正陀螺仪的输出，然后用陀螺仪数据进行四元数更新，再转换到欧拉角。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，所述处理器模块1还与散热器17电连接，所述处理器模块1用于计算无人机编队集群中各个无人机相互距离及相对速度，并计算各个无人机的当前位置和姿态，所述散热器17用于为飞行控制系统提供散热，所述处理器模块1与所述智能充电模块14之间设有电源管理模块13，所述电源管理模块13用于管理所述智能充电模块14，在所述处理器模块1停止工作时，所述电源管理模块13控制所述智能充电模块14停止供电，所述智能充电模块14用于为飞行控制系统提供电源。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，所述存储器15与云端数据库16无线连接，所述存储器15用于存储无人机指令和飞行控制系统数据，还用于存储无人机的位置、速度和姿态，所述编队集群遥控飞行模块2与信号编码模块18电连接，所述信号编码模块18与遥控天线19电连接，所述遥控天线19与所述地面控制模块10通讯连接，所述编队集群遥控飞行模块2向各个无人机发送控制指令，使无人机按照接收到的控制指令飞行，所述遥控天线19用于与无人机的包括数据传输和数据通讯在内的通信系统通信连接。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的无人机飞行控制系统，本实施例提供的无人机飞行控制系统，解决了目前无人机在工作中无法提前识别禁飞区域而进行避让，从而造成无人机的效率低的问题，同时解决了目前无人机在工作中无法进行无人机编队集群控制，造成无人机无法实现编队集群管理及相互识别判断，影响无人机编队航行的问题，通过获取无人机的当前位置和飞行姿态，并根据该当前位置和飞行姿态确定该无人机的飞行区域，按照该区域对应的飞行控制策略，控制无人机飞行，提高飞行效率和飞行安全，提高无人机编队飞行安全，通过超声波测距模块和图像采集模块能够实现无人机测距和图像采集，设置散热器能够对飞行控制系统进行有效散热，保证无人机的运行安全，通过安全监控模块能够实现对无人机进行故障监控，保证故障无人机及时返航，通过与云端数据库连接，实现数据云端存储及提取，该飞行控制系统运行安全，适于大范围推广应用。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种无人机飞行控制系统，其特征在于：包括处理器模块(1)、编队集群遥控飞行模块(2)、编队集群控制模块(3)、巡航控制模块(4)、返航控制模块(5)、安全监控模块(6)、地面控制模块(10)、智能充电模块(14)和存储器(15)，所述处理器模块(1)分别与所述编队集群遥控飞行模块(2)、所述编队集群控制模块(3)、所述巡航控制模块(4)、所述智能充电模块(14)和所述存储器(15)电连接，所述巡航控制模块(4)分别与所述返航控制模块(5)和所述安全监控模块(6)电连接，所述返航控制模块(5)和所述安全监控模块(6)均与通讯天线(7)电连接，所述通讯天线(7)与所述地面控制模块(10)通讯连接，所述编队集群控制模块(3)分别通过数据传输模块(8)和数据通讯模块(9)与所述地面控制模块(10)数据连接，所述处理器模块(1)分别与超声波测距模块(11)和图像采集模块(12)电连接；所述编队集群控制模块(3)向无人机发送指令，进行无人机编队集群控制，获取无人机编队集群的当前位置和各个无人机的姿态；所述返航控制模块(5)用于在与单个无人机间的通信出现故障或单个无人机出现机械故障时，出现故障的无人机按照原路径返回至起点或指定地点，还用于在无人机编队集群完成任务后，按照原路径返回至起点或指定地点；所述安全监控模块(6)用于判断所述地面控制模块(10)与单个无人机间的通信是否出现故障或单个无人机是否出现机械故障；所述安全监控模块(6)内设有气压计、指南针、温度计和高度计。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述编队集群控制模块(3)与所述巡航控制模块(4)电连接，所述无人机编队集群处于编队集群遥控飞行模式时，无人机编队集群的位置信息通过所述数据传输模块(8)传输到地面控制系统，并显示在所述地面控制模块(10)上，所述无人机编队集群处于巡航控制模式时，各个无人机的位置信息通过所述数据通讯模块(9)传输到地面控制系统，并显示在所述地面控制模块(10)上。
3.根据权利要求2所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述编队集群控制模块(3)进行无人机编队集群控制，接收无人机相互距离及相对速度，获取无人机的当前位置和姿态，并根据无人机相互距离及相对速度，判断无人机编队集群是否运行正常及安全，并根据所述无人机的当前位置和姿态，判断该无人机是否即将进入飞行区域或禁飞区域。
4.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述巡航控制模块(4)用于不断检测无人机的包括数据传输和数据通讯在内的通信系统是否正常，所述巡航控制模块(4)还用于不断检测无人机的位置信息，判断无人机是否已行驶至目的地。
5.根据权利要求4所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述巡航控制模块(4)包括内环控制模块和外环控制模块，用于单个无人机巡航控制，所述内环控制模块用于控制单个无人机的姿态，所述外环控制模块用于控制单个无人机的位置和速度。
6.根据权利要求5所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述内环控制模块采用自适应鲁棒控制算法和mahony算法，所述外环控制模块采用模糊PID控制算法，所述mahony算法是根据加速度计和地磁计的数据，转换到地理坐标系后，与对应参考的重力向量和地磁向量进行求误差，这个误差用来校正陀螺仪的输出，然后用陀螺仪数据进行四元数更新，再转换到欧拉角。
7.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述处理器模块(1)还与散热器(17)电连接，所述处理器模块(1)用于计算无人机编队集群中各个无人机相互距离及相对速度，并计算各个无人机的当前位置和姿态，所述散热器(17)用于为飞行控制系统提供散热。
8.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述处理器模块(1)与所述智能充电模块(14)之间设有电源管理模块(13)，所述电源管理模块(13)用于管理所述智能充电模块(14)，在所述处理器模块(1)停止工作时，所述电源管理模块(13)控制所述智能充电模块(14)停止供电，所述智能充电模块(14)用于为飞行控制系统提供电源。
9.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述存储器(15)与云端数据库(16)无线连接，所述存储器(15)用于存储无人机指令和飞行控制系统数据，还用于存储无人机的位置、速度和姿态。
10.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于：所述编队集群遥控飞行模块(2)与信号编码模块(18)电连接，所述信号编码模块(18)与遥控天线(19)电连接，所述遥控天线(19)与所述地面控制模块(10)通讯连接，所述编队集群遥控飞行模块(2)向各个无人机发送控制指令，使无人机按照接收到的控制指令飞行，所述遥控天线(19)用于与无人机的包括数据传输和数据通讯在内的通信系统通信连接。
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