CN110182379B - 有线控制的同步系留无人机系统及无人机 - Google Patents

有线控制的同步系留无人机系统及无人机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有线控制的同步系留无人机系统及无人机，属于无人机技术领域；其包括控制台，线缆和绕线机；通过系留电缆将地面绕线机与无人机连接起来；系留电缆为无人机供能提高续航能力，且无人机接收地面控制台通过系留电缆传输的控制信号；通过系留电缆传输控制信号，信号强度大，避免了利用无线遥控时会受到外界干扰的麻烦；无人机根据控制信号调整飞行状态，并将飞行状态信息通过系留电缆回传至绕线机；绕线机调整放线速度与无人机的飞行状态相匹配，无需无人机拉动绕线机，同时也降低了无人机的能耗。

Description

有线控制的同步系留无人机系统及无人机
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种有线控制的同步系留无人机系统及无人机。
背景技术
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。
特别的，当遇到地震、洪水、泥石流等自然灾害时，保障灾区的通信畅通，是救灾工作的重要部分；传统方式是运营商采用应急通信车、应急卫星车及海事卫星电话，但由于车辆整体载重、天线塔体高度的限制(18米左右)，应急通信车只能保证很小范围内信号覆盖(如现场指挥所、重点抢险单位等)，并受路况限制，很多时候无法接近保障目标；通过无人机承载信号中转盒子飞上天空充当临时的基站可以很好的解决这个问题；无人机的飞行高度足够，且不受底面的环境影响；但是再利用无人机充当零时基站，存在以下两个问题；一是：无人机续航不够；二是：采用遥控无线控制无人机时，容易受到外界的干扰，从而无法精准控制无人机。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种有线控制的同步系留无人机系统，通过系留电缆将地面绕线机与无人机连接起来；系留电缆为无人机供能提高续航能力，且无人机接收地面控制台通过系留电缆传输的控制信号；通过系留电缆传输控制信号，信号强度高，避免了利用无线遥控时会受到外界干扰的麻烦；无人机根据控制信号调整飞行状态，并将飞行状态信息通过系留电缆回传至绕线机；绕线机调整放线速度与无人机的飞行状态相匹配，无需无人机拉动绕线机，同时也降低了无人机的能耗。
为实现上述目的，本发明提一种有线控制的同步系留无人机系统，包括
控制台，其通过线缆与无人机连接，用于控制无人机的飞行状态；
线缆，其用于供电和传输信号；
绕线机，其用于收放线缆，控制控制台与无人机之间线缆的长度；
控制台发送的控制信号通过线缆传输至无人机，无人机根据控制信号调整飞行状态；同时无人机将飞行状态信息通过线缆传输至绕线机，绕线机根据飞行状态信息控制线缆收或放速度始终与无人机的速度始终相匹配。
其中，控制台包括主控装置、信号处理装置和光电转换装置，信号处理装置接收主控装置发送的多路控制信号，并以总线控制方式将信号输出至光电转换装置，光电转换装置将接收的电信号转换为光信号后输出至线缆。
其中，绕线机设置在控制台与无人机之间，控制台通过第一线缆与绕线机连接，绕线机通过第二线缆与无人机连接；第一线缆为固定长度；绕线机控制第二线缆的收放，改变第二线缆在绕线机与无人机之间的长度。
其中，控制台的控制信号依次通过第一线缆、第二线缆传输至无人机；无人机将飞行状态信息通过第二线缆传输至绕线机后，通过第一线缆传输至控制台。
其中，无人机的飞行状态信息包括无人机速度信息、加速度信息以及位置信息；绕线机根据位置信息得出无人机与绕线机之间的距离，根据无人机速度信息、加速度信息控制绕线机收或放线的速度。
其中，无人机速度信息包括在空间坐标系中的速度矢量，位置信息包括空间坐标系中的无人机相对绕线机的位移矢量；当速度矢量的或速度矢量的分量与位移矢量方向相同时，绕线机放线；当速度矢量的或速度矢量的分量与位移矢量方向相反时，绕线机收线；当速度矢量的或速度矢量的分量在位移矢量方向上的值为0时，绕线机停止。
其中，绕线机的收放线的速度与速度矢量的值相适配，使得无人机与绕线机之间线缆的长度值始终与位置矢量的值相同。
其中，加速度信息包括空间坐标系中的加速度矢量，加速度矢量产生与加速度矢量方向相同的次速度矢量，次速度矢量与速度矢量按照矢量合成法则合成主速度矢量；其中主速度矢量即为无人机下一时刻的速度矢量。
其中，控制台包括蓄能电源，蓄能电源通过线缆为无人机持续供能。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种无人机，其特征在于，用于执行有线控制的同步系留无人机系统的指令，包括第二光电转换装置和第二信号处理装置，第二光电转换装置将线缆传输的光信号转换为电信号，并输出至第二信号处理装置；第二信号处理装置将单路电信号分解为多路控制信号对无人机进行控制。
本发明的有益效果是：本发明提供的有线控制的同步系留无人机系统包括无人机、控制台、线缆和绕线机，通过系留电缆将地面绕线机与无人机连接起来；系留电缆为无人机供能提高续航能力，且无人机接收地面控制台通过系留电缆传输的控制信号；通过系留电缆传输控制信号，信号强度高，避免了利用无线遥控时会受到外界干扰的麻烦；无人机根据控制信号调整飞行状态，并将飞行状态信息通过系留电缆回传至绕线机；绕线机调整放线速度与无人机的飞行状态相匹配，无需无人机拉动绕线机，同时也降低了无人机的能耗。
附图说明
图1为本发明的整体关系图；
图2为本发明的无人机起飞时速度矢量与位移矢量关系图；
图3为本发明的无人机降落时速度矢量与位移矢量关系图；
图4为本发明的无人机加速时加速度矢量与速度矢量关系图；
图5为本发明的装置方框图。
主要元件符号说明如下：
1、无人机；21、绕线筒；22、主机、2、绕线机；3、控制台；41、第二线缆；42、第一线缆；31、主控装置；32、信号处理装置；33、光电转换装置；52、第二信号处理装置；62、第二光电转换装置。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1和图5，一种有线控制的同步系留无人机系统，包括控制台3、线缆和绕线机2；控制台3，其通过线缆与无人机1连接，用于控制无人机1的飞行状态；线缆，其用于供电和传输信号；绕线机2，其用于收放线缆，控制控制台3与无人机1之间线缆的长度；控制台3发送的控制信号通过线缆传输至无人机1，无人机1根据控制信号调整飞行状态；同时无人机1将飞行状态信息通过线缆传输至绕线机2，绕线机2根据飞行状态信息控制线缆收或放速度始终与无人机1的速度始终相匹配。
在本实施例中，控制台3包括蓄能电源，蓄能电源通过线缆为无人机1持续供能；相对于非系留无人机1完全依靠无人机1内自带的储能元件供能，系留无人机1的续航能力更强；例如，由于突发灾害导致通讯基站被损坏，为了保证正常通讯，利用无人机1承载信号发射盒子充当临时基站，直至基站维修好以后再撤去该无人机1；维修期间的耗时是非常长，而非系留无人机1本身的续航能力是远远不够维持无人机1飞行这么长时间，所以只能采用系留无人机1；同时，地面控制台3的控制信号也通过线缆传输至无人机1；采用有线传输控制信号，信号强度高，避免了利用无线遥控时会受到外界干扰的麻烦；其中线缆的线芯由信号传输线与复合导体绝缘线芯绞合而成。
在本实施例中，无人机1根据控制信号调整飞行状态，并将飞行状态信息通过系留电缆回传至绕线机2；绕线机2调整放线速度与无人机1的飞行状态相匹配，即无人机1向靠近绕线机2时绕线机2收线，无人机1向远离绕线机2时绕线机2放线；且收放线的速度与无人机1的速度相应；无需无人机1拉动绕线机2，同时也降低了无人机1的能耗。
在本实施例中，控制台3包括主控装置31、信号处理装置32和光电转换装置33，信号处理装置32接收主控装置31发送的多路控制信号，并以总线控制方式将信号输出至光电转换装置33，光电转换装置33将接收的电信号转换为光信号后输出至线缆；无人机1内设有第二光电转换装置62和第二信号处理装置52，第二光电转换装置62将线缆传输的光信号转换为电信号，并输出至第二信号处理装置52；第二信号处理装置52将单路电信号分解为多路控制信号对无人机1进行控制。
在本实施例中，绕线机2设置在控制台3与无人机1之间，控制台3通过第一线缆42与绕线机2连接，绕线机2通过第二线缆41与无人机1连接；第一线缆42为固定长度；绕线机2控制第二线缆41的收放，改变第二线缆41在绕线机2与无人机1之间的长度；具体的绕线机2包括绕线筒21和主机22；第二线缆41的一端与无人机1连接，另一端在绕线筒21上多次缠绕后与主机22连接，第一线缆42一端与主机22端连接，另一端与控制台3连接；主机22控制绕线筒21正转或反转实现放线或收线，且绕线筒21的线速度的值与无人机1的速度的值相等；无需无人机1拖动绕线筒21，在一定程度上也降低无人机1的能耗；在本实施例中，控制台3的控制信号依次通过第一线缆42、第二线缆41传输至无人机1；无人机1根据接收的控制信号调整飞行状态，并将每个时刻的飞行状态信息通过第二线缆41传输至绕线机2的主机22。
请参阅图2和图3，无人机1的飞行状态信息包括无人机1速度信息、加速度信息以及位置信息；绕线机2根据位置信息得出无人机1与绕线机2之间的距离，根据无人机1速度信息、加速度信息控制绕线机2收或放线的速度；其中，无人飞机的状态信息通过无人机1空间坐标获得，其中，以空间坐标为基础，控制无人机1的飞行状态，其中，空间坐标为以无人机1起飞点为坐标原点建立的直角空间坐标系或者球坐标系中的坐标。其中直角空间坐标系中的坐标即为(X,Y,Z)坐标，球坐标系中的坐标为(ρ，θ1，θ2)；无人机1的飞行模式包括起飞模式，自由模式、悬停模式和下降模式；起飞模式和降落模式中，无人机1按照设定的航线运动，自由模式中无人机1在空中按照控制信号任意运动，悬停模式中无人机1停止在空中；无论无人机1处于何种状态何种模式，无人机1与绕线机2的距离可以通过无人机1的坐标(X,Y,Z)直接计算得到；或者(ρ，θ1，θ2)中ρ的值直接得到；无人机1的速度和加速度信息由无人机1本身检测得到后再回传至绕线机2。
在本实施例中，无人机1速度信息包括以空间坐标系为基础的的速度矢量，位置信息包括该空间坐标系中的无人机1相对绕线机2的位移矢量；位移矢量为
Figure BDA00020830605300000513
该矢量的模的值为无人机1与绕线机2之间的距离，方向始终由原点指向无人机1的方向；速度矢量即为
Figure BDA0002083060530000051
包括速度值的大小和速度的方向。
当速度矢量的或速度矢量的分量与位移矢量方向相同时，绕线机2放线；例如起飞模式中，无人机1从速度为零开始加速在水平面上运动，此时
Figure BDA0002083060530000052
和
Figure BDA0002083060530000053
的方向相同，无人机1逐渐远离绕线机2，绕线机2放线，并根据无人机1回传的速度信息控制放线速度始终与无人机1速度相匹配；无人机1在水平面运动一段距离后，开始上升，此时
Figure BDA0002083060530000054
可以分解为与
Figure BDA0002083060530000055
在同一直线方向的分量
Figure BDA0002083060530000056
和与
Figure BDA0002083060530000057
方向垂直的分量
Figure BDA0002083060530000058
且
Figure BDA0002083060530000059
在与
Figure BDA00020830605300000510
方向相同，绕线机2仍放线；具体的，起飞模式中，无人机1的速度从0加速到10m/s，上升后，无人机1在与
Figure BDA00020830605300000511
相同方向上的速度仍为10m/s，在与
Figure BDA00020830605300000512
垂直方向上的速度从0增加至3m/s，增加至3m/s，此时无人机1的实际速度值为10.44m/s，实际速度与线缆之间的夹角为θ3，
Figure BDA0002083060530000061
相应的绕线机2的放线速度也随之从0增加到10m/s，再从10m/s增加到10.44m/s。
当速度矢量的或速度矢量的分量与位移矢量方向相反时，绕线机2收线；例如降落模式中，无人机1从高空开始降落时，
Figure BDA0002083060530000062
可以分解为与
Figure BDA0002083060530000063
在同一直线方向的分量
Figure BDA0002083060530000064
和与
Figure BDA0002083060530000065
方向垂直的分量
Figure BDA0002083060530000066
且
Figure BDA0002083060530000067
在与
Figure BDA0002083060530000068
方向相反，绕线机2收线；直至无人机1与地面接触后，在水平面上滑行，此时
Figure BDA0002083060530000069
和
Figure BDA00020830605300000610
的方向相反，无人机1逐渐靠近绕线机2，绕线机2收线，并根据无人机1回传的速度信息控制收线速度始终与无人机1速度相匹配；具体的，无人机1从高空降落时实际速度为10m/s，在与
Figure BDA00020830605300000611
相同方向的分量值为8m/s，与
Figure BDA00020830605300000612
垂直方向的分量值6m/s，此时实际速度与线缆之间的夹角为θ4，
Figure BDA00020830605300000613
无人机1降落至地面后，速度从8m/s逐渐降为0；相应的绕线机2的收线速度也随之从10m/s减少至到8m/s，再从8m/s增加到0。
当速度矢量的或速度分量的在位移矢量方向上的值为0时，绕线机2停止；例如悬停模式时，无人机1的速度矢量为0，绕线机2停止转动既不收线也不放线；或者无人机1在自由模式中有一小段的飞行轨迹为圆弧，且该圆弧的圆心为绕线机2或者该圆弧的圆心与绕线机2的连线与水平面垂直或者与铅垂面垂直；在该端飞行轨迹中，无人机1的速矢量
Figure BDA00020830605300000614
与位移矢量
Figure BDA00020830605300000615
相互垂直，即
Figure BDA00020830605300000616
在
Figure BDA00020830605300000617
方向上的分量为0，此时绕线机2也停止收放线；而与
Figure BDA00020830605300000618
的值的大小无关，无论无人机1的飞行速度是6m/s还是10m/s；在任意飞行过程中，绕线机2的收放线的速度与速度矢量的值相适配，使得无人机1与绕线机2之间线缆的长度值始终与位置矢量的值相同。
在本实施例中，加速度信息包括空间坐标系中的加速度矢量，加速度矢量产生与加速度矢量方向相同的次速度矢量，次速度矢量与速度矢量按照矢量合成法则合成主速度矢量；其中主速度矢量即为无人机1下一时刻的速度矢量；以绕线机2建立空间坐标系为例，无人机1的加速度由无人机1油门控制，当控制台3传输加速信号至无人机1时，无人机1速度发生改变。
例如，无人机1正在直行飞行时，产生的加速度的方向与原飞行方向一致，则无人机1速度增加，并继续向原方向飞行，具体的原速度为8m/s，2s内加速度均为1m/s^2，则两秒后，无人机1以10m/s的速度继续向原方向飞行；
例如，无人机1正在直行飞行时，产生的加速度的方向与原飞行方向相反，则无人机1速度减速，并继续向原方向飞行，具体的原速度为8m/s，2s内加速度均为-1m/s^2，则两秒后，无人机1以6m/s的速度继续向原方向飞行。
例如，参阅图4，产生的加速度的方向与原飞行方向垂直，则无人机1实际速度增加，并方向改变，具体的，原速度为8m/s，2s内加速度均为1m/s^2，则两秒后，无人机1以8.25m/s的速度飞行，且此刻实际速度2秒前实际速度之间的夹角为θ5，
Figure BDA0002083060530000071
在本实施例中，无人机1还需要将飞行状态信息依次通过第二线缆41、第一线缆42传输至控制台3，控制台3根据无人机1的在空间坐标系中的位置，控制无人机1飞行至指定点，或者控制无人机1的飞行状态；控制台3传输至无人机1的控制信号包括，加速信号、减速信号、飞行模式控制信号、转向信号，升降信号等等。
一种无人机1，用于执行有线控制的同步系留无人机系统的指令，包括第二光电转换装置62和第二信号处理装置52，第二光电转换装置62将线缆传输的光信号转换为电信号，并输出至第二信号处理装置52；第二信号处理装置52将单路电信号分解为多路控制信号对无人机1进行控制。
本发明的优势在于：
1、通过系留电缆将地面绕线机与无人机连接起来；系留电缆为无人机供能提高续航能力，且无人机接收地面控制台通过系留电缆传输的控制信号；通过系留电缆传输控制信号，信号强度高，避免了利用无线遥控时会受到外界干扰的麻烦；
2、无人机根据控制信号调整飞行状态，并将飞行状态信息通过系留电缆回传至绕线机；绕线机调整放线速度与无人机的飞行状态相匹配，无需无人机拉动绕线机，同时也降低了无人机的能耗。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种有线控制的同步系留无人机系统，其特征在于，包括
控制台，其通过线缆与无人机连接，用于控制无人机的飞行状态；
线缆，其用于供电和传输信号；其中线缆的线芯由信号传输线与复合导体绝缘线芯绞合而成；
绕线机，其用于收放线缆，控制控制台与无人机之间线缆的长度；
控制台发送的控制信号通过线缆传输至无人机，无人机根据控制信号调整飞行状态；同时无人机将飞行状态信息通过线缆传输至绕线机，绕线机根据飞行状态信息控制线缆收或放速度与无人机的速度始终相匹配；
控制台包括主控装置、信号处理装置和光电转换装置，信号处理装置接收主控装置发送的多路控制信号，并以总线控制方式将信号输出至光电转换装置，光电转换装置将接收的电信号转换为光信号后输出至线缆；
无人机的飞行状态信息包括无人机速度信息、加速度信息以及位置信息；绕线机根据位置信息得出无人机与绕线机之间的距离，根据无人机速度信息、加速度信息控制绕线机收或放线的速度；
无人机速度信息包括在空间坐标系中的速度矢量，位置信息包括空间坐标系中的无人机相对绕线机的位移矢量；当速度矢量的或速度矢量的分量与位移矢量方向相同时，绕线机放线；当速度矢量的或速度矢量的分量与位移矢量方向相反时，绕线机收线；当速度矢量的或速度矢量的分量在位移矢量方向上的值为0时，绕线机停止；
绕线机设置在控制台与无人机之间，控制台通过第一线缆与绕线机连接，绕线机通过第二线缆与无人机连接；第一线缆为固定长度；绕线机控制第二线缆的收放，改变第二线缆在绕线机与无人机之间的长度；
控制台的控制信号依次通过第一线缆、第二线缆传输至无人机；无人机将飞行状态信息通过第二线缆传输至绕线机后，通过第一线缆传输至控制台；
绕线机的收放线的速度与速度矢量的值相适配，使得无人机与绕线机之间线缆的长度值始终与位移矢量的值相同。
2.根据权利要求1所述的有线控制的同步系留无人机系统，其特征在于，加速度信息包括空间坐标系中的加速度矢量，加速度矢量产生与加速度矢量方向相同的次速度矢量，次速度矢量与速度矢量按照矢量合成法则合成主速度矢量；其中主速度矢量即为无人机下一时刻的速度矢量。
3.根据权利要求1所述的有线控制的同步系留无人机系统，其特征在于，控制台包括蓄能电源，蓄能电源通过线缆为无人机持续供能。
4.一种无人机，其特征在于，用于执行权利要求1-3任意一项所述的有线控制的同步系留无人机系统的指令，包括第二光电转换装置和第二信号处理装置，第二光电转换装置将线缆传输的光信号转换为电信号，并输出至第二信号处理装置；第二信号处理装置将单路电信号分解为多路控制信号对无人机进行控制。
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