CN109739264A - 一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航系统及方法，属于小型无人机技术领域。该方法由IMU、数据帧采集模块、路径生成模块和轨迹归航控制模块构成的轨迹归航系统完成，具体包括以下步骤：S1：移动检测，记录无人机每次移动所对应的控制指令和必要的无人机飞行信息并进行存储，生成、优化飞行轨迹；S2：在网络信号不佳导致无人机与控制远端发生通信中断的情况下，无人机根据记录的控制指令进行信号搜寻，直到能与远端正常通信为止。本发明能够在GPS信号缺失的情况下，快速搜寻远端控制信号并恢复正常通信，既保证了轨迹归航过程中不被障碍物阻挡，又提高了轨迹归航的效率，避免了无人机不必要的返航。

Description

一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航系统及方法

技术领域

本发明属于小型无人机技术领域，涉及一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法。

背景技术

近几年，小型民用无人机呈现出爆发性增长，小型民用无人机行业具有发展迅速，市场前景好、应用领域广泛等特点。目前，小型无人机的通信方式主要采用的是WIFI或者射频，根据通信距离的增加，控制信息发送的功率将变大，通信链路的带宽也将受到限制。因此如在网络传输不稳定的情况下，保证无人机通信的可靠性，甚至在更加极端的无人机通信中断的情景，如何恢复与远端通信的问题一直是无人机领域研究的重点和难点。

目前常用的自动返航方法，主要是针对大型飞机的返航路径规划，此种返航方法必然需要复杂的硬件来支撑，因此不适用于小型无人机。分析现有无人机自动返航技术的缺陷，具体如下：

(1)公开号为CN 106705963A的专利公开了一种自动返航控制方法和装置，该方法包括根据预设的时间间隔依次采集起始位置点的位置信息、起始位置点对应的时刻信息、飞行该过程中个位置点的位置信息和个位置点对应的时刻信息；若接收到自动返航指令,则获取当前位置点的位置信息及当前位置点对应的时刻信息；根据当前位置点的位置信息及当前位置点对应的时刻信息，读取下一位置点的位置信息；根据GPS获取的位置信息遍历当前位置点和下一位置点；和/或根据捷联惯性导航计算的位置信息遍历当前位置点和下一位置点。但该方法只是单一记录飞行路径，并未对路径生成过程进行优化处理；另一方面，在GPS之外，额外采用了捷联惯性导航系统，复杂的硬件以及处理方式不适用于小型无人机。

(2)公开号为CN 105157715A的专利公开了一种基于北斗导航系统的自适应返航方法及系统，该方法包括在用户行进的过程中每隔一段时间从北斗导航系统的串口获取一次信息，并对信息进行解析，以获取用户在不同时刻的经纬度位置信息生成用户的行进轨迹当接收到用户输入的返航指令时，根据用户的当前位置和行进轨迹输出提示信息给用户，使用户根据提示信息顺利返航。但该方法缺少对突发事件的处理，没有考虑到通信质量不佳等情况的发生，在GPS信号不佳或者缺失的地方甚至会发生迷航现象。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种人性化、成本低、效率高的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，应用于小型无人机在飞行过程中GPS信号不佳或缺失，之后发生与控制端通信故障的场景，解决无人机如何快速搜索控制信号恢复远端控制的问题。克服以往无人机在处理通信故障中单一的自动直线返航或者原地等待的模式，能够在GPS信号微弱甚至缺失的情况下快速搜寻远端控制信号恢复正常通信，同时也可以有效规避回退过程中障碍物阻挡的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，由轨迹归航系统完成，该方法具体包括以下步骤：

S1：移动检测，记录无人机每次移动所对应的控制指令和必要的无人机飞行信息并进行存储，生成、优化飞行轨迹：

S2：在网络信号不佳导致无人机与控制远端发生通信中断的情况下，无人机根据记录的控制指令进行信号搜寻，直到能与远端正常通信为止。

进一步，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：记录飞行控制指令开始、结束时间戳，同时采集对应移动开始、结束位置的GPS值进行存储，生成包含GPS信息的控制指令序列，并同设置的阈值进行比较以判断其是否为有效的GPS值；

S12：每次采集到新的数据之后，同序列中的数据依次进行比较；

S13：当发现存在两组数据的GPS值均有效，并且GPS差值在规定范围之内，进行控制指令序列融合，保留两组数据之间的旋转指令，其他的指令全部删除。

进一步，所述步骤S13具体为：若当前采集数据为合法数据，且与第k个数据的GPS差值在规定范围之内，第k个数据也是有效数据，则认定两点为相似点；将控制指令序列第k个数据之后的数据全部舍弃，再将当前的数据插入到控制指令序列中，标记为k+1，并删除舍弃节点存储的控制操作指令；否则直接将该数据插入控制指令序列末尾。

进一步，所述步骤S2具体为：当无人机与控制远端发生通信中断的情况下，无人机进行轨迹归航，依次取出记录的两组数据，若两点的GPS值均是有效值，则根据GPS差值，由余弦球形定理求得实际飞行距离，再结合无人机方位角进行回退；若不满足上述条件，则根据飞行控制指令描绘的轨迹归航。

进一步，所述根据飞行控制指令描绘的轨迹归航，具体执行包括以下步骤：

(1)根据记录的控制指令序列生成逆向控制指令序列；

(2)依次取出指令，计算指令执行总时间：获取指令开始时间t₁和结束时间t₂，则指令执行总时间为：t＝t₂-t₁；

(3)执行取出的控制指令，持续时间为t。

用于完成基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法的系统，包括：IMU、数据帧采集模块、路径生成模块和轨迹归航控制模块；

所述IMU：用于飞行移动检测，生成移动标识；

所述数据帧采集模块：根据移动标识，记录移动对应的飞行控制指令，提取无人机移动飞行信息，并进行采样存储，再把采样到的帧传送到路径生成模块；

所述路径生成模块：接收飞行数据帧，依靠采样的无人机移动飞行信息生成包含若干节点并且经过优化的飞行轨迹；

所述轨迹归航控制模块：根据存储控制指令信息结合计算出实际的相对距离，从而进行控制端LTE轨迹归航。

本发明的有益效果在于：

(1)在GPS信号不佳或缺失的情况下，无人机与远端通信中断，仍可以通过控制指令记录的数据来回退搜索远端控制信号，克服了以往无人机在处理通信故障中单一的自动直线返航或者原地等待的模式。

(2)通过简单地路径优化，既保证了轨迹归航过程中不被障碍物阻挡，又提高了轨迹归航的效率，避免了无人机不必要的返航。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法的流程图；

图2为本发明所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航系统的结构框图；

图3为本发明的控制指令序列生成、优化流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法的流程图，如图1所示，该方法记录每次移动所对应的飞行控制指令和必要的无人机飞行信息并进行存储，并对生成的飞行轨迹进行优化；在LTE网络信号不佳导致无人机与远端发生通信中断的情况下，无人机根据记录的控制指令回退，进行信号搜寻，直到能与远端正常通信为止。

图2为本发明所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航系统的结构框图，如图2所示，该系统包含IMU、数据帧采集模块、路径生成模块、轨迹归航控制模块四个部分。通过IMU飞行移动检测，生成移动标识；根据移动标识，记录移动对应的飞行控制指令，提取无人机移动飞行信息，并进行采样存储，再把采样到的帧传送到路径生成模块。路径生成模块接收到飞行数据帧之后，依靠采样的无人机移动飞行信息生成包含若干节点并且经过优化的飞行轨迹。轨迹归航控制模块根据存储控制指令信息结合计算出实际的相对距离，从而进行控制端LTE轨迹归航。

实施例：

如表1所示，表示了无人机端飞行数据帧结构，包括移动标识、GPS、高度、飞行姿态信息、信号强度、无人机四元数、控制指令类型。通过飞行移动检测，生成移动标识，移动标识表明无人机处于移动状态，供数据帧采样器识别；四元数、时间戳用于误差校准和计算控制指令执行时间。经过对数据的提取，控制指令序列中存储飞行点的信号强度、GPS以及海拔信息、无人机四元数、控制指令类型。

表1 无人机端飞行数据帧结构

起始位	含义	长度Byte	备注
				0	Mobile identification	1	移动标识
1	MESSAGE_LENGTH	4	帧长度
				5	START_TIMESTAMP	4	开始时间戳
9	END_TIMESTAMP	4	结束时间戳
				11	SIGNAL STRENGTH	2	信号强度
43	QuaternionData	32	无人机四元数
				51	Latitude	8	纬度
59	Longitude	8	经度
				63	Altitude	4	海拔
67	Control Instruction	4	控制指令类型

图3为控制指令序列生成、优化流程图，如图3所示，路径生成模块包含范围比较器和控制指令序列。记录飞行控制指令开始、结束时间戳，同时采集对应移动开始、结束位置的GPS值进行存储，生成包含GPS信息的控制指令序列，并与设置的阈值进行比较以判断其是否为有效的GPS值；每次采集到新的数据之后，同序列中的数据依次进行比较。当发现存在两组数据的GPS值均有效，并且GPS差值在规定范围之内，进行控制指令序列融合，保留两组数据之间的旋转指令，其他的指令全部删除。

轨迹归航触发之后，控制指令序列将末尾第n号数据和第n-1号两个数据传入相对位移转换模块，若两组数据GPS都为有效值，则相对位移转换模块通过余弦球形定理和无人机四元数，分离出以正北方为正方向的偏移值x1，以正东方为正方向的偏移值y2，以及以正上方为正方向的高度偏移值z2，并结合无人机方位角进行返航。否则相对位移转换模块根据对应的控制指令信息描绘的轨迹归航，直到能与控制端正常通信为止。之后重复上述步骤，直到返航结束。

如表2所示的GPS信号强度等级划分，仅当GPS值小于40dbm时，认为当前的GPS值为有效值，否则认为GPS为无效。

表2 GPS信号强度等级划分

等级	信号强度
		特别好	<40dbm
较好	40-50dbm
		一般	50-60dbm
较差	60-70dbm
		特别差	>90dbm

(1)控制指令描绘的轨迹归航：

根据飞行控制指令描绘的轨迹归航，取出之前存储的节点信息，找到与其对应的飞行控制指令和记录的时间戳，具体指令执行分为以下几步：

a.根据记录的控制指令序列生成逆向控制指令序列,具体生成指令由下表对应得到。

b.依次取出指令，计算执行总时间。获取指令开始时间t₁和结束时间t₂，则指令执行总时间为：

t＝t₂-t₁

c.根据表3，执行取出的控制指令，持续时间为t。

表3 控制指令与逆向控制指令对应表

(2)GPS获取的位置信息计算：

以第1号和第2号数据为例，根据余弦球形定理求得两点之间实际距离S，其中Lat₁、Lat₂、Lung₁、Lung₂、Alt₁、Alt₂分别表示第1号数据和第2号数据经度、纬度、海拔，R表示地球半径，单位是千米，h表示两点之间高度差：

h＝Alt₂-Alt₁ (2)

根据无人机四元数求得方位角：

其中，q₀、q₁、q₂、q₃表示无人机四元数，φ、θ、ψ分别表示无人机滚转角、俯仰角、方位角。

(3)根据实际飞行距离，结合方位角，将S分解到以正北方为正方向的偏移值x，以正东方为正方向的偏移值y，以及以正上方为正方向的高度偏移值z。

x＝S*cosψ (5)

y＝S*sinψ (6)

z＝h (7)

完成之后，重复上述步骤，直到回退到能与远端LTE正常通信为止。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：移动检测，记录无人机每次移动所对应的控制指令和必要的无人机飞行信息并进行存储，生成、优化飞行轨迹：

S2：在网络信号不佳导致无人机与控制远端发生通信中断的情况下，无人机根据记录的控制指令进行信号搜寻，直到能与远端正常通信为止。

2.根据权利要求1所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：记录飞行控制指令开始、结束时间戳，同时采集对应移动开始、结束位置的GPS值进行存储，生成包含GPS信息的控制指令序列，并同设置的阈值进行比较以判断其是否为有效的GPS值；

S12：每次采集到新的数据之后，同序列中的数据依次进行比较；

S13：当发现存在两组数据的GPS值均有效，并且GPS差值在规定范围之内，进行控制指令序列融合，保留两组数据之间的旋转指令，其他的指令全部删除。

3.根据权利要求2所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：若当前采集数据为合法数据，且与第k个数据的GPS差值在规定范围之内，第k个数据也是有效数据，则认定两点为相似点；将控制指令序列第k个数据之后的数据全部舍弃，再将当前的数据插入到控制指令序列中，标记为k+1，并删除舍弃节点存储的控制操作指令；否则直接将该数据插入控制指令序列末尾。

4.根据权利要求1所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：当无人机与控制远端发生通信中断的情况下，无人机进行轨迹归航，依次取出记录的两组数据，若两点的GPS值均是有效值，则根据GPS差值，由余弦球形定理求得实际飞行距离，再结合无人机方位角进行回退；若不满足上述条件，则根据飞行控制指令描绘的轨迹归航。

5.根据权利要求4所述的基于飞行指令的小型无人机轨迹归航方法，其特征在于，所述根据飞行控制指令描绘的轨迹归航，具体执行包括以下步骤：

(1)根据记录的控制指令序列生成逆向控制指令序列；

(2)依次取出指令，计算指令执行总时间：获取指令开始时间t₁和结束时间t₂，则指令执行总时间为：t＝t₂-t₁；

(3)执行取出的控制指令，持续时间为t。

6.一种基于飞行指令的小型无人机轨迹归航系统，其特征在于，该系统包括：惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)、数据帧采集模块、路径生成模块和轨迹归航控制模块；

所述IMU：用于飞行移动检测，生成移动标识；

所述数据帧采集模块：根据移动标识，记录移动对应的飞行控制指令，提取无人机移动飞行信息，并进行采样存储，再把采样到的帧传送到路径生成模块；

所述路径生成模块：接收飞行数据帧，依靠采样的无人机移动飞行信息生成包含若干节点并且经过优化的飞行轨迹；

所述轨迹归航控制模块：根据存储控制指令信息结合计算出实际的相对距离，从而进行控制端LTE轨迹归航。