CN110308737A - 一种对等无人机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种对等无人机任务控制及保障系统，包括无人机、卫星通信、机上计算机、任务设备、任务控制工作站以及任务数据保障工作站；上述各部件之间的连接关系为：无人机与卫星通信系统及任务设备分别相连，无人机通过卫星通信和任务控制及保障中心分别相连，任务数据保障工作站与任务控制工作站相连。本发明无人机利用卫星通信与任务控制及保障中心相连，使得无人机执行任务不受地面保障中心的位置限制，从而实现无人机可在全球范围内部署，因此本发明可实现无人机在全球范围内执行任务，在广域范围部署，任务控制及保障中心可任务迁移。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种对等无人机任务控制及保障系统。
背景技术
无人机目前的情况是，高空、高速、中远程、长航时、大载荷等类型的无人机主要应用于军事领域，目前均为集中控制实现任务；从民用来看，航空遥感、灾情监报、矿藏勘探、数字中国建设等需要大批量地使用无人机，目前基本上使用消费级无人机，单机控制实现任务。如图1所示，在该种环境使用中，存在以下问题：
1）从系统构成来看，无人机执行任务受地面控制站的位置影响，任务半径不是很大，不能将无人机的性能完全发挥。
2）单机实现任务的系统，数据均存储在本机或地面控制站，一旦出现数据可能丢失，是整个任务失败。
3）人工成本投入较大。
发明内容
本发明提供一种对等无人机任务控制及保障系统，该系统可实现远距离执行任务，并将任务数据存储在互联网上，任务控制及保障中心可任务迁移。
实现本发明的技术方案如下：
一种对等无人机任务控制及保障系统，包括无人机、卫星通信、机上计算机、任务设备、任务控制工作站以及任务数据保障工作站；上述各部件之间的连接关系为：无人机与卫星通信系统及任务设备分别相连，无人机通过卫星通信和任务控制及保障中心分别相连，任务数据保障工作站与任务控制工作站相连。本发明无人机利用卫星通信与任务控制及保障中心相连，使得无人机执行任务不受地面保障中心的位置限制，从而实现无人机可在全球范围内部署，因此本发明可实现无人机在全球范围内执行任务，在广域范围部署，任务控制及保障中心可任务迁移。
无人机用于携带任务设备执行任务的载体；
卫星通讯用于实现无人机与任务控制及保障中心数据交联；
机上计算机用于目标提取、识别、及接收卫星通讯设备的控制数据并结合任务情况控制飞控；
任务设备执行任务所需的设备，根据不同任务设备可以是光电吊舱、SAR雷达、超声波雷达等。
任务控制工作站规划任务、控制无人机完成任务，接收卫星通讯回传的无人机相关信息。
数据保障工作站为任务控制工作站提供相关的基础数据，如气象等，并实现无人机相关数据本地存储。
本发明卫星通讯，包括地面设备和机上设备。
有益效果
本发明地面任务控制工作站利用卫星通讯与无人机进行通讯。因此本发明可改善无人机受地面控制工作站的位置限制，且通过互联网数据，实现分布式、远程、对等部署。
附图说明
图1为单机无人机控制系统的示意图。
图2为本对等无人机任务控制及保障系统的示意图。
图3为本对等无人机任务控制及保障系统组成图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
无人机：携带光电吊舱任务设备、卫星通讯、机上计算机、可实现自主飞行的工业无人机。
任务控制及保障中心：主要为工业无人机（单机和集群）提供飞行控制、通讯保障、无人机可更换能源保障、现场维修保障、数据处理保障、技术人员工作环境保障等。
本发明的基本原理（原理图见图3）：
操作逻辑 1：任务操作员通过任务控制工作站进行任务规划、任务监控，接收任务信息反馈；
操作逻辑 2：任务控制系统绑定无人机飞控通讯系统，建立实时双向飞控通讯链路，通讯系统向任务控制系统反馈工作状态；
操作逻辑 3：通讯系统绑定待部署的无人机，无人机通过通讯系统向任务控制系统回报当时的健康状态及卫星定位系统连接状态，由任务操作员审核后决定是否选定该架无人机进行部署，若任务操作员认为该架无人机不宜被部署，则切换至另一架无人机进行同样操作。若所有无人机均无法进行部署，则任务控制系统向任务操作员发出“建议终止任务”提示，由任务操作员做是否终止任务的决定；
操作逻辑 4：任务控制系统向任务保障数据中心发送“初始化新任务”指令，任务数据保障中心按照预设数据模型新建任务数据库，数据库建立完成后向任务控制系统反馈数据库工作状态；
操作逻辑 5：任务保障数据中心通过卫星互联网通讯系统检查与互联网网络的连接状态，并实时监控是否连接到互联网任务保障云系统；
操作逻辑 6：若操作逻辑 3 中有无人机可以进行部署，则无人机自动开启卫星定位系统；
操作逻辑 7：检查无人机是否通过卫星通讯系统连接到任务保障中心；
操作逻辑 8：若以上操作全部达到任务要求，无人机机库将从任务控制系统接收到“放飞”指令，并执行该指令，无人机开始执行飞行任务；
操作逻辑 9：任务操作员可以根据实际任务状态，实时设定无人机回收降落点；
操作逻辑 10：无人机通过卫星通讯或飞控通讯接收到降落指令后，前往回收降落点；
操作逻辑 11：对等无人机任务控制及保障中心前往降落点，将无人机回收至机库中。
如图2所示，本发明是一种对等无人机任务控制及保障系统，包括无人机、卫星通信、机上计算机、任务设备、任务控制工作站以及任务数据保障工作站等；上述各部件之间的连接关系为：无人机与卫星通信系统及任务设备分别相连，无人机通过卫星通信和任务控制及保障中心分别相连，任务数据保障工作站与任务控制工作站相连。
对等无人机任务控制及保障中心是一款针对工业无人机任务化应用的网络化任务控制及保障设施，具有可移动、易重构、易维护、对等化、易封存、易废弃、易重用、易回收再利用、几乎零污染且易降解等特点。
对等无人机任务控制及保障中心采用高度模块化设计，且几乎 100% 利用商用货架产品建造，全部信息系统及控制系统采用全软件／模型进行应用定义（Software/ModelBased Application Definition，S/MBAD），可根据不同的工业应用任务进行在场实时配置，充分满足各类工业应用需求。对等无人机任务控制及保障中心不仅支持基于互联网云的任务数据管理，同时在本体系统中搭载对等的任务数据管理，可实现对等无人机任务控制及保障中心 间的动态组网，无中心数据库的全动态分布式任务数据管理（即对等网络化任务数据管理），进而支持所有与对等无人机任务控制及保障中心体系兼容各型号、各类型、各形态、各种构型配置的无人机集群在广域互联网（支持基于铱星网络及海事卫星网络接入的空间互联网）范围内进行动态组网，在全球范围内进行跨洲际实时任务协同，依赖对等无人机任务控制及保障中心对等网络进行分布式小任务时序化管理（支持多时区分布式小任务管理），各种小任务可以组成一个完整的战略性任务应用。
对等无人机任务控制及保障中心在信息系统设计方面重点关注小型化、移动化、敏捷化重部署等原则，摒弃了传统移动数据中心高能耗、低冗余、难重用、难迁移、废弃代价巨大等缺点，通过利用先进的服务化部署，将复杂的大型数据库管理系统安装在一套笔记本系统上，同时保证良好的运行性能。此外，该设计架构可以很容易实现电源系统、数据存储系统的高冗余性，即使是在对等无人机任务控制及保障中心发电机组被摧毁的情况下，仍然能保证整个对等无人机任务控制及保障中心的任务控制系统、任务数据保障数据库、卫星通讯模块、无人机飞控通讯模块的正常运转，且依赖充足的电池电力，在发电机组被摧毁的情况下，仍然可以持续进行任务控制及监视超过两个小时，这段时间完全可以支撑任务操作人员完成整个对等无人机任务控制及保障中心不间断迁移部署工作（即从一台对等无人机任务控制及保障中心将原有任务体系不间断地重新部署到另一台对等无人机任务控制及保障中心中）。即使在该任务操作团队全部故障的情况下，也可由另一组对等无人机任务控制及保障中心操作团队及时进行任务接管。
为了使无人机兼容对等无人机任务控制及保障中心，需要无人机安装兼容对等无人机任务控制及保障中心体系的机上计算机模块和卫星通讯模块。主要负责物联网接入、卫星通讯网络接入、对等无人机任务控制及保障中心任务数据实时处理等功能。
下面对本发明各部件进行进一步详细说明：
任务控制及保障中心
任务控制及保障中心主要为工业无人机（单机或集群）提供通讯保障、无人机可更换能源保障、现场维修保障、数据处理保障、技术人员工作环境保障等，提供防雨、防风、隔温、防火等基本容器功能，保证工作人员工作环境的舒适性。
40英尺高柜集装箱
40英尺高柜集装箱为一个ISO6346 45G0 -40英尺的高箱，钢结构内部空间尺寸：12,024mm（L）×2,350mm（W）×2,697mm（H），最大总重：26,460 kg；集装箱箱体内部钢结构分隔为四个区域：办公室、无人机机库，配电室、卫生间；集装箱箱体含有水电系统、环控系统。
集装箱箱体顶部含有空调安装池、天线安装池、导风板、排水系统、天线线缆过孔等；集装箱箱体侧面含有无人机库门、办公室自动门、自动门紧急开关、排水口舱门、配电室门（分上、下两层门，油箱层和工具箱层安装一个门，发电机层安装一个门）、空调排风百叶（左、右各一个）、卫生间排风扇、配电室排风扇、简易爬梯；集装箱箱体外表面喷白色漆并喷涂Logo。
办公室
由任务控制中心、数据保障中心、通讯单元、内部装饰及其他电器组成。
无人机机库
无人机机库采用抽片式存取安装方式，将无人机整机固定于托板上，托板上下安装滑轨，使用时将托板抽出，放置水平地面进行起飞操作；无人机机库可同时容纳三架无人机（尺寸不大于：翼展4000mm ,机长2600mm ,机身高度700mm）；托板背面安装无人机备件；无人机机库天花板及墙面安装防火隔热层电源插座、照明系统；隔断墙面安装空调出风口。
配电室
配电室为整个对等无人机任务控制及保障中心提供电力供应。配电室分隔成上、中、下三层，隔层可承重300kg载荷；配电室上层安装15kw静音汽油发电机，配电室中层为工具箱层，配电室下层为油箱层；配电室墙面进行隔音处理并安装防火隔热层，安装吸顶灯、排气扇、电源转接口、电源插座。
卫生间
卫生间采用整体房车形式卫生间，含免冲马桶、墙装陶瓷洗手盆、墙面排气扇、吸顶灯、电源插座；卫生间顶部含有储水箱，底部含有污水盒和厕所污物收集盒（污物箱体外部取出）；卫生间墙面安装防火隔热层；卫生间外部（办公室区域）安装踏步。
水电系统
水电系统由水路和电路组成。水路含卫生间储水箱进水接口、污水箱排放口、空调安装池排水口等；电路系统采用主线6mm2，空调电线6mm2，插座4mm2，照明和通风电线1.5mm2线径的电线，为办公室、卫生间、配电室、无人机机库的设备、照明、电源插座及排气扇等提供电力保障；所有电缆需符合《GB/T5013.4-2008》要求，开关、插座需符合《GB2099.1-2008》要求，布线美观且便于检修。
环控系统
环控系统为整个对等无人机任务控制及保障中心提供温度控制。环控系统采用冷暖双制式空调；空调安装于集装箱顶部空调安装池内,集装箱内部留有六处出风口。
CSC认证铭牌
集装箱需取得集装箱安全公约认可牌照CSC认证铭牌，满足集装箱国际运输（空运、海运）要求。
无人机
选用多用途垂直起降固定翼无人机系统，采用固定翼结合多旋翼的复合翼布局形式，具备旋翼机的垂直起降方式和固定翼超长航时特性的完美结合，机体采用复合材料夹心工艺制造，拥有功能强大的遥控系统以及自动驾驶系统，可搭载多种任务载荷，如：正摄影像相机、高光谱相机、光电吊舱、红外成像仪等。满足项目对无人机平台的要求。
机上计算机
机上计算机采用微型电脑，显示接口HDMI，支持4k@60Hz。接口支持网口、USB3.0。
卫星通讯模块
卫通模块选用专为无人机开发的卫通模块。
自动驾驶模块
无人机自动驾驶模块是专为复合式无人机（垂直起降固定翼）设计的飞行控制及导航模块，适用于各种常规布局固定翼+四旋翼构型的飞行器，其内部集成飞行控制计算机和微组合导航模块（GPS/INS）,可以实现一键自动起飞、降落、悬停盘旋、定高、开伞以及多种形式的按预定航线自主巡航功能。此外，提供全面的飞行状态监视报警功能和完善的应急保护机制，确保无人机安全飞行。
电源模块
电源采用大容量锂电池。
光电吊舱
通过搭载无人机在空中对陆地及水上目标进行搜索、观察，满足航拍、飞行导航、侦查等各种应用需求。
虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做若干变形、替换和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，包括无人机、卫星通信、机上计算机、任务设备、任务控制工作站以及任务数据保障工作站；上述各部件之间的连接关系为：无人机与卫星通信系统及任务设备分别相连，无人机通过卫星通信和任务控制及保障中心分别相连，任务数据保障工作站与任务控制工作站相连。
2.通过卫星通讯实现无人机与任务控制及保障中心数据交联；机上计算机用于目标提取、识别、及接收卫星通讯设备的控制数据并结合任务情况控制飞控；
任务控制工作站规划任务、控制无人机完成任务，接收卫星通讯回传的无人机相关信息。
3.数据保障工作站为任务控制工作站提供相关的基础数据，如气象等，并实现无人机相关数据本地存储。
4.根据权利要求1所述对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，无人机利用卫星通信与任务控制及保障中心相连，使得无人机执行任务不受地面保障中心的位置限制，从而实现无人机可在全球范围内部署，因此本发明可实现无人机在全球范围内执行任务，在广域范围部署，任务控制及保障中心可任务迁移。
5.根据权利要求1所述对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，为工业无人机（单机和集群）提供飞行控制、通讯保障、无人机可更换能源保障、现场维修保障、数据处理保障、技术人员工作环境保障等用途。
6.根据权利要求1所述对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，对等无人机任务控制及保障系统是一款针对工业无人机任务化应用的网络化任务控制及保障设施，具有可移动、易重构、易维护、对等化、易封存、易废弃、易重用、易回收再利用、几乎零污染且易降解等特点。
7.根据权利要求1所述对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，即使在该任务操作团队全部故障的情况下，也可由另一组对等无人机任务控制及保障中心操作团队及时进行任务接管。
8.根据权利要求1所述对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，由于卫星通信带宽的限制，不能将视频信息实时传输至任务控制工作站显示。
9.只需要将有用的信息如图片、位置等传回即可，所以在无人机上增加机上计算机，用于目标的提取、识别、目标的位置计算、壁障算法、存储实时视频画面。
10.根据权利要求1所述对等无人机任务控制及保障系统，其特征在于，对等无人机任务控制及保障中心要求与其兼容的无人机必须具备物联网接入功能，成为对等无人机任务控制及保障中心对等网络中的一个普通物联网设备节点，同时，该无人机还需要具备实时数据分析。
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