CN110286690A - 一种车载系留多旋翼无人机控制系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种车载系留多旋翼无人机控制系统,包括：无人机，无人机通过系留电缆与车辆的发电机耦接；无人机机舱，无人机机舱用于放置和固定无人机，无人机机舱内部设置有自动收放线装置和机舱开关；与无人机有线通信连接的地面控制站，地面控制站还分别与自动收放线装置和机舱开关通信连接，用于通过自动收放线装置控制系留电缆的放出和回收，以及通过机舱开关控制无人机机舱开启或关闭；地面控制站用于采集无人机的工作状态，并控制无人机的启动、停止、起飞和降落，地面控制站设置在车辆驾驶室内。实现了无人机的持续续航和闭环管理的无人机起降模式，提高了无人机的续航时间和安全系数。

Description

一种车载系留多旋翼无人机控制系统及车辆

技术领域

本发明涉及系留多旋翼无人机技术领域，特别涉及到一种车载系留多多旋翼无人机控制系统及其车辆。

背景技术

随着我国汽车行业的发展，汽车不仅作为各行各业交通工具，同时在一些特殊应用场合，它还可以作为一个搭载平台。

无人机是目前被广泛使用的一种飞行设备，其主要用于航拍、资源探测、救灾、军事、社会治安等领域。其在特殊场合可能要求具有长续航时间能力，这样如何解决其电力来源问题就成为了一个棘手的问题，这样系留无人机就应运而生。

当系留无人机与汽车相结合，搭配适当的能源解决方案，可以实现系留无人机的长航时和机动布置，来解决监控、救灾、观测等领域的一些问题。(比如CN201620919257.1、CN201521023147.9、CN201610489544.8等等)，但它们都是一个比较独立的装置，并没有和无人机上自驾形成闭环的自动控制反馈系统，而只是在无人机升高或降低后被动的靠张力检测控制线缆收放，因此在自主起飞和降落时很容易造成收放不够或过度的弊端；这就迫切需要一个能总体协调各传感器及执行机构，综合统一的进行闭环控制的自动控制系统。

而且车载系留无人机系统需要在汽车上搭载一个适合飞机起降的平台，即大家通俗理解的汽车上安装“飞机场”，为了实现无人机的自动化起降，需要设计一套自动化的线缆收放装置、飞机起降平台及系统收纳装置、地面站控制装置等等。为了实现机构的自动化操作以及各个控制器模块之间协调工作，这就需要一套机构控制模块与网络管理。

发明内容

本说明书目的在于提供一种车载系留多旋翼无人机控制系统和车辆，实现了无人机的持续续航和闭环管理的无人机起降模式，提高了无人机的续航时间和安全系数。

第一方面本说明书实施例提供了一种车载系留多旋翼无人机控制系统，所述系统包括：无人机、无人机机舱、地面控制站；所述无人机通过系留电缆与车辆的发电机耦接；所述无人机机舱设置于车辆顶部或后部，所述无人机机舱用于放置和固定所述无人机，所述无人机机舱内部设置有自动收放线装置和机舱开关，所述自动收放线装置用于控制所述系留电缆的放出和回收，所述机舱开关用于开启或关闭所述无人机机舱；所述地面控制站与所述无人机有线通信连接，所述地面控制站还分别与所述自动收放线装置和所述机舱开关通信连接，用于通过所述自动收放线装置控制所述系留电缆的放出和回收，以及通过所述机舱开关控制所述无人机机舱开启或关闭；所述地面控制站用于采集所述无人机的工作状态，并控制所述无人机的启动、停止、起飞和降落，所述地面控制站设置在车辆驾驶室内。。

进一步地，所述地面控制站包括：主控制器，所述主控制器包括：电源模块，所述电源模块与车辆的电气系统耦接，用于给主控制器供电；通信模块，所述通信模块分别与所述发电机、所述无人机、所述自动收放线装置和所述机舱开关通信连接；微控制模块，所述微控制模块用于控制所述机舱开关的开启或关闭，以及控制所述自动收放线装置的；所述电源模块分别于所述通信模块和所述微控制模块耦接，所述通信模块与所述微控制模块耦接。

进一步地，所述主控制器还包括：分别于所述微控制模块耦接的数字信号处理模块和模拟信号处理模块，所述数字信号处理模块和所述模拟信号处理模块用于将输入信号转换成微控制模块识别的信号。

进一步地，所述系留电缆设置有风力传感器，用于检测外界的风力等级，所述风力传感器与所述模拟信号处理模块通信连接，用于将检测的风力等级信号处理成所述微控制模块识别的信号，所述主控制器用于根据所述模拟信号处理模块处理后风力等级信号的控制所述自动收放线装置的转动速率。

进一步地，所述地面控制站还包括：人机互动模块，所述人机互动模块分别与所述数字信号处理模块和所述模拟信号处理模块耦接，所述人机互动模块用于显示所述无人机的工作状态，并发送控制无人机、无人机机舱和发电机的开启或关闭的指令至所述数字信号处理模块和/或所述模拟信号处理模块。

进一步地，所述无人机机舱底部设置有重力传感器，所述重力传感器用于检测所述无人机是否在所述无人机机舱内部。

进一步地，所述系留电缆与车辆的发电机耦接的一端设置有绝缘检测装置，所述绝缘检测装置与所述主控制器通信连接，用于检测所述系留电缆的绝缘状态。

进一步地，所述系留电缆还设置有红外线传感器，所述红外线传感器用于检测系留电缆放出的长度。

进一步地，所述车辆的发电机与所述主控制器通信连接，所述主控制器用于根据所述系留电缆的绝缘状态控制所述车辆的发电机的开启或关闭。

另一方面，本说明书还提供了一种车辆，所示车辆具有上述所述的车载系留多旋翼无人机控制系统。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1)通过集成在驾驶室内的地面控制站上的人机互动模块收集无人机的工作信息，并发送操作指令以实现无人机的启动、停止、紧急停止、起飞、降落等信号，自动化的完成车载系留无人机的自主起降工作。

2)通过主控制器的控制能力，来完成无人机机舱的开启或关闭、自动收放线装置的加紧固定的控制。

3)通过绝缘检测装置，实时的检测高压系统绝缘状态，实现绝缘故障自动切断高压供电、无人机自动切换到备用电源，保证系统的人员用电安全。

4)具有多传感器输入安全冗余控制策略，主要通过检测无人机机舱的重量信号、线缆收放位置信号、驱动结构限位信号、及主控制器之间通讯确认来保证系统安全稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明所述的汽车开放系统的一致性测试方法，下面将对实施例所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本说明书实施例系统结构的示意图；

图2为本说明书实施例微控制模块供电电路图；

图3为本说明书实施例通信模块供电电路图；

图4为本说明书实施例高有效输入检测电路图；

图5为本说明书实施例低有效输入检测电路图；

图6为本说明书实施例模拟输入检测电路图；

图7为本说明书实施例PWM输入检测电路图；

图8为本说明书实施例100mA高低边输出驱动电路图；

图9为本说明书实施例3A/5A电机驱动电路图；

图10为该系统一种通信方式图；

其中，1-无人机，2-主控制器，3-人机互动模块，201-微控制模块，202-通信模块，203-电源模块，204-数字信号处理模块，205-模拟信号处理模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。

本发明为了解决现有技术存在的地面站没有和无人机1上自驾形成闭环的自动控制反馈系统，而只是在无人机1升高或降低后被动的靠张力检测控制线缆收放，并且无人机1也不能够保证长时间的续航，因此在自主起飞和降落时很容易造成收放不够或过度的弊端的问题，提供一种车载系留多旋翼无人机1控制系统，可以总体协调各传感器及执行机构，综合统一的进行闭环控制的自动控制系统。

为了实现上述目的，本发明提供的车载系留多旋翼无人机控制系统技术方案如下：

一方面，本发明提供了车载系留多旋翼无人机控制系统，所述系统包括：所述系统包括：无人机1、无人机机舱、地面控制站

所述无人机1通过系留电缆与车辆的发电机耦接；

所述无人机机舱设置于车辆顶部或后部，所述无人机机舱用于放置和固定所述无人机1，所述无人机机舱内部设置有自动收放线装置和机舱开关，所述自动收放线装置用于控制所述系留电缆的放出和回收，所述机舱开关用于开启或关闭所述无人机机舱；

所述地面控制站与所述无人机1有线通信连接，所述地面控制站还分别与所述自动收放线装置和所述机舱开关通信连接，用于通过所述自动收放线装置控制所述系留电缆的放出和回收，以及通过所述机舱开关控制所述无人机机舱开启或关闭；

所述地面控制站用于采集所述无人机1的工作状态，并控制所述无人机1的启动、停止、起飞和降落，所述地面控制站设置在车辆驾驶室内。

具体的，图1为本说明书实施例系统结构的示意图，如图1所示，无人机1可以携带有摄影机等可以获取图像的电子装置，并可以将其采集到的图像数据经过编码后形成图像信号发送给接收设备，接受设备可以是地面控制站，地面控制站可以设置或连接有显示装置，用于显示无人机1获取的图像。为了便于后续的数据传输，接收设备在接收到上述图像信号后，可以将该图像信号转为符合网络协议的数据包，并通过接收设备上的标准网络接口输出。在一些实施例中，该图像信号的格式可以是HDMI和/或AV格式。需要说明的是，无人机1还可以设置有电源装置、无线通信装置、自动驾驶装置、程序控制装置等设备。

在上述实施例中，通过接收设备将图像信号转化为对应的数据包，交换机设备可以进一步通过网线输出该数据包至远端输出设备，并由远端输出设备输出相应的图像信号，从而使得观测人员可以在远端处理该图像信号，以在远端观测到对应的图像。由于网线的长度可以根据实际需要设置，故观测人员的实际观测位置可以不再受到过大限制；不仅如此，由于是通过网线传输图像信号，而网线可以进一步接入公网，这就使得观测人员可以在任何有公网的地方观测到相应的图像，更加方便观测人员执行观测任务。

在上述实施例中，无人机1的动力可以由车辆或船舶的发电机提供，其连接方式可以通过系留电缆耦接，系留电缆的长度、线径、材质在本说明书实施例中不做具体限定，可以根据实际需要进行设置。

在上述实施例中，无人机1可以通过无人机机舱降落在车辆上，降落的位置可以是车辆顶部，也可以是车辆尾部或后备箱内部，无人机机舱内部可以设置有自动收放线装置、机舱开关和无人机机舱底部重力传感器，自动收放线装置可以与系留电缆连接，以便控制系留电缆的放出和回收，自动收放线装置的放出和回收的速度是可以通过地面控制站控制的。机舱开关可以用于开启或关闭无人机机舱的舱门，机舱开关可以通过地面控制站控制其开启或关闭，机舱开关的开启时间点可以早于自动收放线装置的放出的时间点，重力传感器用于检测无人机1是否完全降落至无人机机舱内部。

需要说明的是自动收放线装置可以是电机等驱动装置。无人机机舱可以是中空的壳体，无人机机舱的一面可以活动连接的机舱舱门，无人机机舱内部空间大小可以大于无人机1的大小，无人机机舱内部可以设置有与无人机1匹配的固定装置，当无人机1降落至无人机机舱内时加紧固定无人机1。

地面控制站可以通过有线通信和/或无线通信与无人机1通信连接，以便于地面控制站采集无人机1的工作状态，并根据无人机1的工作状态控制无人机1的起飞或降落，无人机1的工作状态可以包括：无人机1的工作状态正常或异常。需要说明的是，地面控制站可以设置在车辆驾驶室内，以便于操作。

车载系留多旋翼无人机1控制系统可以为无人机1提供充足的电量供给，保证无人机1的飞行时间，并通过地面控制站控制无人机1的起飞或降落以及同步控制自动收放线装置和机舱开关，确保无人机1安全、稳定的起飞或降落，避免由于系留电缆与无人机1降落速度不匹配，造成无人机1的损坏的风险。

上述实施例的基础上，本说明书一个实施例中，所述地面控制站包括：主控制器2，

所述主控制器2包括：

电源模块203，所述电源模块203与车辆的电气系统耦接，用于给主控制器2供电；

通信模块202，所述通信模块202分别与所述发电机、所述无人机1、所述自动收放线装置和所述机舱开关通信连接；

微控制模块201，所述微控制模块201用于控制所述机舱开关的开启或关闭，以及控制所述自动收放线装置的；

所述电源模块203分别于所述通信模块202和所述微控制模块201耦接，所述通信模块202与所述微控制模块201耦接。

具体的，主控制器2可以包括电源模块203、通信模块202、微控制模块201。其中电源模块203可以与车辆的电力系统耦接，主要用于为主控制器2上的各个模块供电，其供电形式可以有两种，第一种形式：图2为微控制模块201供电电路图，如图2所示，主要为微控制模块201及外接设备或电路提供稳定的电源；第二种形式：图3为通信模块202供电电路图，如3图所示，电源模块203为通讯模块及对外输出装置提供稳定的电源，对外输出装置可以是外接的传感器等。

图10为该系统一种通信方式图，如图10所示，通信模块202可以分别与发电机、无人机1、自动收放线装置和机舱开关通信连接。通信模块202可以内置有无线通信子模块和有线通信子模块。系统可以实现如下通讯方式，RS485通讯，无线通讯、CAN通讯。(1)RS485通讯，该通讯方式主节点为本系统主控制器2，第一从节点为人机互动模块3与第二从节点线缆收放系统，通过主节点与第一从节点人机互动模块3之间的通讯，可以实现使用功能信号的采集，如无人机1起动与回收信号，系统风力微调等信号的收集与传递，具体举例：当系统操作人员按下体统起动按钮时，该信号通过主控制器2的输入信号采集电路被主控器采集，主控制器2采集到该信号后，需要确认系统状态是否可以执行该动作，如果没有错误，该动作将被执行，主控制器2将驱动系统无人机机舱的开或关、无人机1起降机场举升、无人机1固定装置放开等一系列动作，动作完成后，主控器将动作完成指令及各种机构状态通过RS485传送给地面站，人机互动模块3将进行显示。当无人机1开始起飞后，通过主节点主控制器2和第二从节点自动收放线装置通讯，实现正常的系留电缆的收放功能及电源功率控制功能。

微控制模块201可以是单片机，单片机是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机；微控制模块201用于控制所述机舱开关的开启或关闭；以及同步通过它实时控制线轮的收放方向、速度和转矩，进而控制无人机1回收的收放方向、速度和转矩；以及同步控制发电机的转动。

需要说明的是，主控制器2可以是集成的电路板，其大小、形状以及安装位置在本说明书中不做具体限定，优选的可以安装在无人机机舱底部，也可以安装在驾驶室内。

主控制器2集成多个模块与一体，便于数据传输和处理，并且体积小、结构简单，可靠性高。

上述实施例的基础上，本说明书一个实施例中，所述主控制器2还包括：分别于所述微控制模块201耦接的数字信号处理模块204和模拟信号处理模块205，所述数字信号处理模块204和所述模拟信号处理模块205用于将输入信号转换成微控制模块201识别的信号。

具体的，数字信号处理模块204和模拟信号处理模块205可以用于将输入信号转换成微控制模块201识别的信号。数字信号处理模块204的输入接口可以有两种形式：第一种形式高有效输入检测电路，图4为高有效输入检测电路图，如图4所示，高有效输入检测电路的电压有效范围为一定范围的电压值为有效信号范围，优选的9-16V；第二种形式低有效输入检测电路，图5为低有效输入检测电路图，如图5所示，低有效输入检测电路的电压有效范围为一定范围的电压值为有效信号范围，优选的0-2.5V。需要说明的的是，高有效输入检测电路与低有效输入检测电路的数字输入具体被分配到系统起动、系统回收、系统停止、多路限位开关输入信号，线缆收放红外传感开关等信号。

具体的，图6为模拟输入检测电路，如图6所示，模拟信号处理模块205可以有俩种形式：第一种形式、直接电阻采样输入电路；第二种形式、带有一定驱动能力的跟随采样输入电路，分配给风力等级调整信号与电源电压采样用途，具体可以根据风力等级来微调线缆收放的力度，并监测对外输出电源电压是否正常。

数字信号处理模块204和模拟信号处理模块205增大了该系统的应用范围，提高了系统的适应性。

上述实施例的基础上，本说明书一个实施例中，图7为PWM输入检测电路，图8为100mA高低边输出驱动电路，图9为3A/5A电机驱动电路，如图7-9所示所述系留电缆设置有风力传感器，用于检测外界的风力等级，所述风力传感器与所述模拟信号处理模块205通信连接，用于将检测的风力等级信号处理成所述微控制模块201识别的信号，所述主控制器2用于根据所述模拟信号处理模块205处理后风力等级信号的控制所述自动收放线装置的转动速率。

具体的，系留电缆可以设置有风力传感器，风力传感器可以与模拟信号处理模块205通信连接，继而主控制器2可以根据模拟信号处理模块205处理后风力等级信号的控制所述自动收放线装置的转动速率。

风力传感器的设置可以保证无人机1升起和降落时对自动收放线装置的控制更加准确，保障无人机1的安全降落。

上述实施例的基础上，本说明书一个实施例中，所述地面控制站还包括：人机互动模块3，所述人机互动模块3分别与所述数字信号处理模块204和所述模拟信号处理模块205耦接，所述人机互动模块3用于显示所述无人机1的工作状态，并发送控制无人机1、无人机机舱和发电机的开启或关闭的指令至所述数字信号处理模块204和/或所述模拟信号处理模块205。

具体的，人机互动模块3可以用于显示无人机1的工作状态，并发送控制无人机1、无人机机舱和发电机的开启或关闭的指令至数字信号处理模块204和/或模拟信号处理模块205。人机互动模块3可以设置在驾驶室内。

人机互动模块3可以显示并控制无人机1的工作状态，可视性强，易操作。

上述实施例的基础上，本说明书一个实施例中，所述系留电缆与车辆的发电机耦接的一端设置有绝缘检测装置，所述绝缘检测装置与所述主控制器2通信连接，用于检测所述系留电缆的绝缘状态。

具体的，通过控制器的绝缘检测功能，实时的检测高压系统绝缘状态，实现绝缘故障自动切断高压供电即车辆发电机、无人机1自动切换到备用电源，保证系统的人员用电安全。

上述实施例的基础上，本说明书一个实施例中，所述系留电缆还设置有红外线传感器，所述红外线传感器用于检测系留电缆放出的长度。

具体的，红外线传感器可以设置在自动收放线装置上。

本实施例中，地面站用来规划无人机1的航线信息以及无人机1的相关控制量，以及对无人机1传输回来的传感器和影像信息以及红外线传感器发送的数据进行实时处理，得到无人机1所巡检架空线上的无人机1与车辆的水平距离以及垂直距离。

另一方面，本发明还提供一种车辆，包括上诉所述的车载系留多旋翼无人机1控制系统。

由于所述车辆具有上述车载系留多旋翼无人机1控制系统的技术效果，在此不再赘述。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的实施例而已，并不用于限制本本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在权利要求范围之内。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种车载系留多旋翼无人机控制系统，其特征在于，所述系统包括：无人机、无人机机舱、地面控制站

所述无人机通过系留电缆与车辆的发电机耦接；

所述无人机机舱设置于车辆顶部或后部，所述无人机机舱用于放置和固定所述无人机，所述无人机机舱内部设置有自动收放线装置和机舱开关，所述自动收放线装置用于控制所述系留电缆的放出和回收，所述机舱开关用于开启或关闭所述无人机机舱；

所述地面控制站与所述无人机有线通信连接，所述地面控制站还分别与所述自动收放线装置和所述机舱开关通信连接，用于通过所述自动收放线装置控制所述系留电缆的放出和回收，以及通过所述机舱开关控制所述无人机机舱开启或关闭；

所述地面控制站用于采集所述无人机的工作状态，并控制所述无人机的启动、停止、起飞和降落，所述地面控制站设置在车辆驾驶室内。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面控制站包括：主控制器，

所述主控制器包括：

电源模块，所述电源模块与车辆的电气系统耦接，用于给主控制器供电；

通信模块，所述通信模块分别与所述发电机、所述无人机、所述自动收放线装置和所述机舱开关通信连接；

微控制模块，所述微控制模块用于控制所述机舱开关的开启或关闭，以及控制所述自动收放线装置的；

所述电源模块分别于所述通信模块和所述微控制模块耦接，所述通信模块与所述微控制模块耦接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主控制器还包括：分别于所述微控制模块耦接的数字信号处理模块和模拟信号处理模块，所述数字信号处理模块和所述模拟信号处理模块用于将输入信号转换成微控制模块识别的信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系留电缆设置有风力传感器，用于检测外界的风力等级，所述风力传感器与所述模拟信号处理模块通信连接，用于将检测的风力等级信号处理成所述微控制模块识别的信号，所述主控制器用于根据所述模拟信号处理模块处理后风力等级信号的控制所述自动收放线装置的转动速率。

5.根据权利要求1或3所述的系统，其特征在于，所述地面控制站还包括：人机互动模块，所述人机互动模块分别与所述数字信号处理模块和所述模拟信号处理模块耦接，所述人机互动模块用于显示所述无人机的工作状态，并发送控制无人机、无人机机舱和发电机的开启或关闭的指令至所述数字信号处理模块和/或所述模拟信号处理模块。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机机舱底部设置有重力传感器，所述重力传感器用于检测所述无人机是否在所述无人机机舱内部。

7.根据权利要求1述的系统，其特征在于，所述系留电缆与车辆的发电机耦接的一端设置有绝缘检测装置，所述绝缘检测装置与所述主控制器通信连接，用于检测所述系留电缆的绝缘状态。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系留电缆还设置有红外线传感器，所述红外线传感器用于检测系留电缆放出的长度。

9.根据权利要求1述的系统，其特征在于，所述车辆的发电机与所述主控制器通信连接，所述主控制器用于根据所述系留电缆的绝缘状态控制所述车辆的发电机的开启或关闭。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的车载系留多旋翼无人机控制系统。