CN113110197A - 一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机控制技术领域，具体提供了一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统及控制方法，旨在解决无人机在自主控制与手动遥控之间安全切换的技术问题。包括：无人机、飞控计算机、任务计算机和手动遥控单元；该系统能够实现无人机在自主控制与手动遥控之间安全切换，从而安全便捷地实现将任务计算机自主控制的无人机切换为操控人员手动遥控状态，也能将操控人员手动遥控的无人机切换为任务计算机自主控制状态。

Description

一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统及控制方法

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统及控制方法。

背景技术

随着无人机技术的快速发展，无人机的应用领域越来越广泛。由于手动远程遥控对操控人员要求较高等原因，对无人机远程遥控使其完成任务的控制方式已经逐渐不能满足很多应用场合。无人机的飞控计算机主要实现对动力系统、伺服系统的控制，其性能有限，因此，在无人机上加装性能更高的任务计算机，通过任务计算机中的软件程序自主控制无人机，是实现无人机自主控制的一种方式。

目前，任务计算机上的软件程序多种多样、功能各异，可能因为运行错误或自身漏洞对无人机发出错误的控制指令，对无人机或人员安全带来巨大危险。因此，在任务计算机发出错误控制指令或其他需要手动遥控的情况下，需要采用一种无人机自主控制与手动遥控安全切换的方法，停止任务计算机继续发出控制指令，将无人机切换为手动遥控。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决无人机在自主控制与手动遥控之间安全切换的技术问题的一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统及控制方法。

第一方面，提供一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统，所述无人机自主控制与手动遥控安全切换系统包括：

所述系统包括：无人机、飞控计算机、任务计算机和手动遥控单元；

所述飞控计算机，用于基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时将手动遥控信号转发至任务计算机；

所述任务计算机，用于执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；

所述手动遥控单元，用于生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后,通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。

优选的，所述飞行模式由动力、方向和/或姿态组成。

优选的，所述飞控计算机包括：第一无线通信设备、驱动接口、第一有线通信接口和第一微处理器；

所述驱动接口连接无人机的动力系统和伺服系统；

所述第一有线通信接口连接第一无线通信设备；

所述第一微处理器分别连接驱动接口和有线通信接口，用于运行飞控计算机的软件模块。

进一步的，所述飞控计算机的软件模块，包括：手动遥控信号接收模块、状态数据发送模块和控制指令接收模块；

所述手动遥控信号接收模块，用于通过第一无线通信设备接收手动遥控单元发送的手动遥控信号，并将手动遥控信号转发至状态数据发送模块；

所述状态数据发送模块，用于将所述手动遥控信号和无人机的状态数据发送至所述任务计算机；

所述控制指令接收模块，用于基于接收的控制指令控制无人机的动力系统和伺服系统，调节无人机的飞行模式。

进一步的，所述状态数据包括：位置数据和姿态数据，其中，所述位置数据包括：经度、纬度和高度，所述姿态数据包括：偏航角、姿态角和滚转角。

优选的，所述手动遥控信号为字节数大于等于1的指定字段。

优选的，所述任务计算机，包括：第二有线通信接口和第二微处理器；

所述第二有线通信接口分别连接第二微处理器和所述飞控计算机；

所述第二微处理器，用于运行任务计算机的软件模块。

进一步的，所述任务计算机的软件模块，包括：状态数据接收模块和控制指令生成发送模块；

所述状态数据接收模块，用于接收飞控计算机发送的手动遥控信号和无人机的状态数据，并将其转发至控制指令生成发送模块；

所述控制指令生成发送模块，用于执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令。

优选的，所述手动遥控单元，包括：无人机控制模式切换开关、遥控操作面板、第二无线通信设备和第三微处理器；

所述无人机控制模式切换开关包括自主控制和手动遥控两个档位；

所述无人机控制模式切换开关和遥控操作面板分别连接所述第三微处理器；

所述第三微处理器连接第二无线通信设备，用于运行手动遥控单元的软件模块。

优选的，所述手动遥控单元的软件模块，包括：手动遥控指令发送模块和控制模式切换指令发送模块；

所述手动遥控指令发送模块，用于根据操控人员对控制模式切换开关和遥控操作面板的操作，通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送控制指令；

所述控制模式切换指令发送模块，用于根据操控人员对控制模式切换开关的操作，通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送手动遥控信号。

第二方面，提供一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统的控制方法，所述无人机自主控制与手动遥控安全切换系统的控制方法包括：

飞控计算机基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时将手动遥控信号转发至任务计算机；

任务计算机执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；

手动遥控单元生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后，通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。

本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

本发明提供的一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统及控制方法，包括：无人机、飞控计算机、任务计算机和手动遥控单元；所述飞控计算机，用于基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时将手动遥控信号转发至任务计算机；所述任务计算机，用于执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；所述手动遥控单元，用于生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后,通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。该技术方案通过在手动遥控单元上采用无人机控制模式切换开关，根据操控人员对该无人机控制模式切换开关的操作，将无人机控制模式切换指令发送给无人机飞控计算机；通过在无人机飞控计算机发送给任务计算机的无人机状态数据中设置一个控制模式字段，通知任务计算机是否生成并向飞控计算机发出无人机的控制指令，实现了无人机在自主控制与手动遥控之间的切换。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的无人机自主控制与手动遥控安全切换系统的主要结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图1，图1是根据本发明的一个实施例的无人机自主控制与手动遥控安全切换系统的主要结构框图。如图1所示，本发明实施例中的无人机自主控制与手动遥控安全切换系统主要包括：无人机、飞控计算机、任务计算机和手动遥控单元，也可安装其他传感器，如光电吊舱、合成孔径雷达SAR等；

所述飞控计算机，用于基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时,将手动遥控信号转发至任务计算机；

所述任务计算机，用于执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；

所述手动遥控单元，用于生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后,通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。

在本发明实施例中，飞控计算机的硬件包括驱动接口、有线通信接口和微处理器，驱动接口用于连接无人机的动力系统、伺服系统，用于飞控计算机直接控制无人机的动力、方向、姿态等；有线通信接口可以是串口、网口、CAN口等，一方面，用于连接无线通信设备，通过无线通信设备接收操控人员从遥控器(或地面站)发出的手动遥控指令，另一方面，用于连接任务计算机；飞控计算机向任务计算机发送无人机的状态数据，该状态数据中包含无人机的位置数据(经度、纬度、高度)、姿态数据(偏航角、姿态角、滚转角)和一个控制模式字段等，控制模式字段用于无人机在自主控制与手动遥控之间切换，该字段可以是一个字节或几个字节；同时，飞控计算机可以从任务计算机接收控制指令，控制指令可以是位置点导引指令(包含经度、纬度、高度等信息)，也可以是速度导引指令(如航向角、速度大小、高度等指令)；微处理器用于运行软件模块；

飞控计算机的软件模块包括无人机控制模式切换指令接收模块、无人机状态数据发送模块、无人机控制指令接收模块；

无人机控制模式切换指令接收模块，用于从无线通信设备接收操控人员从遥控器(或地面站)发出的无人机控制模式切换指令，并将该切换指令转发给无人机状态数据发送模块；

无人机状态数据发送模块，用于接收无人机控制模式切换指令接收模块转发的无人机控制模式切换指令，并将无人机的状态数据发送给任务计算机，该状态数据包含无人机的位置数据(经度、纬度、高度)、姿态数据(偏航角、姿态角、滚转角)和一个控制模式字段等，控制模式字段根据无人机控制模式切换指令取值，用于通知任务计算机是否生成并发出无人机的控制指令，实现无人机在自主控制与手动遥控之间切换，该字段可以是一个字节或几个字节；例如，当无人机状态数据发送模块将控制模式字段置为0xff时，用于通知任务计算机停止生成及向飞控计算机发出控制指令，此时，飞控计算机通过无线通信设备接收手动遥控单元的控制指令，实现将无人机从任务计算机自主控制切换为操控人员远程手动遥控；当无人机状态数据发送模块将控制模式字段置为0xaa时，用于通知任务计算机开始生成并向飞控计算机发出控制指令，此时，操控人员不再通过遥控器(或地面站)向无人机飞控计算机发送控制指令，实现将无人机从操控人员远程手动遥控切换为任务计算机自主控制；

无人机控制指令接收模块，用于接收任务计算机发出的控制指令，根据该控制指令控制无人机的动力系统、伺服系统，最终实现对无人机的动力、方向、姿态等的控制；控制指令可以是位置点导引指令(包含经度、纬度、高度等信息)，也可以是速度导引指令(如航向角、速度大小、高度等指令)；

任务计算机的硬件包括有线通信接口和微处理器；有线通信接口可以是串口、网口、CAN口等，用于连接飞控计算机；任务计算机接收飞控计算机发送的无人机状态数据，该状态数据中包含无人机的位置数据(经度、纬度、高度)、姿态数据(偏航角、姿态角、滚转角)和一个控制模式字段等，控制模式字段用于无人机在自主控制与手动遥控之间切换，该字段可以是一个字节或几个字节；同时，任务计算机可以向飞控计算机发送控制指令，控制指令可以是位置点导引指令(包含经度、纬度、高度等信息)，也可以是速度导引指令(如航向角、速度大小、高度等指令)；微处理器用于运行软件模块；

任务计算机的软件模块包括无人机状态数据接收模块、无人机控制指令生成与发送模块；

无人机状态数据接收模块，用于接收飞控计算机发出的无人机状态数据，该状态数据包含无人机的位置数据(经度、纬度、高度)、姿态数据(偏航角、姿态角、滚转角)和一个控制模式字段等，并将接收到的状态数据转发给无人机控制指令生成与发送模块；

无人机控制指令生成与发送模块，根据无人机状态数据接收模块转发的无人机状态数据中控制模式字段的取值，判断是否生成并向无人机飞控计算机发送控制指令；例如，当该控制模式字段取值为0xff时，无人机控制指令生成与发送模块停止生成及向飞控计算机发出控制指令，此时，飞控计算机通过无线通信设备接收遥控器(或地面站)的控制指令，实现将无人机从任务计算机自主控制切换为操控人员远程手动遥控；当该控制模式字段取值为0xaa时，无人机控制指令生成与发送模块开始生成并向飞控计算机发出控制指令，此时，操控人员不再需要通过遥控器(或地面站)向无人机飞控计算机发送控制指令，实现将无人机从操控人员远程手动遥控切换为任务计算机自主控制；

手动遥控单元可以是遥控器或地面站，遥控器或地面站的硬件包括无人机控制模式切换开关、遥控操作面板、无线通信设备和微处理器；无人机控制模式切换开关包括自主控制和手动遥控两个档位，用于切换无人机使其处于自主控制还是手动遥控状态；遥控操作面板，用于操控人员操作，通过无线通信设备向无人机发出遥控指令；无线通信设备，用于与无人机通信，向无人机发送手动遥控指令和无人机控制模式切换指令；微处理器用于运行软件模块；

遥控器(或地面站)的软件模块包括手动遥控指令发送模块和无人机控制模式切换指令发送模块；

手动遥控指令发送模块，根据操控人员对无人机控制模式切换开关的操作，通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送控制指令；

无人机控制模式切换指令发送模块，根据操控人员对无人机控制模式切换开关的操作，通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送无人机控制模式切换指令；当操控人员将无人机控制模式切换开关切换到手动遥控档位时，无人机控制模式切换指令发送模块通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送将无人机控制模式由自主控制切换到手动遥控的指令；当操控人员将无人机控制模式切换开关切换到自主控制档位时，无人机控制模式切换指令发送模块通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送将无人机控制模式由手动遥控切换到自主控制的指令。

在如图1所示的应用场景中，本发明还提供了一个实施方式，此实施方式中，具有一架无人机、一台遥控器(或地面站)。无人机包括任务计算机、飞控计算机、无线通信设备、动力系统、伺服系统等。遥控器(或地面站)包括无人机控制模式切换开关、遥控操作面板、微处理器、无线通信设备。当操控人员将遥控器(或地面站)上的无人机控制模式切换开关切换到自主控制模式时，无人机上的任务计算机生成并向飞控计算机发出控制指令，实现无人机的自主控制。当操控人员将遥控器(或地面站)上的无人机控制模式切换开关切换到手动遥控模式时，无人机上的任务计算机停止生成及向飞控计算机发出控制指令，操控人员通过遥控操作面板向无人机的飞控计算机发出遥控指令，实现无人机的手动遥控。

进一步的，本发明提供的技术方案还可以广泛应用于各类无人平台中，如无人车、无人船、无人潜航器等，具体用于无人平台在自主控制与手动遥控两种工作模式之间的安全切换。

基于上述系统，本发明还提供了一种基于无人机自主控制与手动遥控安全切换系统的控制方法，所述方法包括：

飞控计算机基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时将手动遥控信号转发至任务计算机；

任务计算机执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；

手动遥控单元生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后，通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。

进一步，应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的系统的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。

本领域技术人员能够理解的是，可以对系统中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

至此，已经结合附图所示的一个实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种无人机自主控制与手动遥控安全切换系统，其特征在于，所述系统包括：无人机、飞控计算机、任务计算机和手动遥控单元；

所述飞控计算机，用于基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时将手动遥控信号转发至任务计算机；

所述任务计算机，用于执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；

所述手动遥控单元，用于生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后,通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞行模式由动力、方向和/或姿态组成。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞控计算机包括：第一无线通信设备、驱动接口、第一有线通信接口和第一微处理器；

所述驱动接口连接无人机的动力系统和伺服系统；

所述第一有线通信接口连接第一无线通信设备；

所述第一微处理器分别连接驱动接口和有线通信接口，用于运行飞控计算机的软件模块。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述飞控计算机的软件模块，包括：手动遥控信号接收模块、状态数据发送模块和控制指令接收模块；

所述手动遥控信号接收模块，用于通过第一无线通信设备接收手动遥控单元发送的手动遥控信号，并将手动遥控信号转发至状态数据发送模块；

所述状态数据发送模块，用于将所述手动遥控信号和无人机的状态数据发送至所述任务计算机；

所述控制指令接收模块，用于基于接收的控制指令控制无人机的动力系统和伺服系统，调节无人机的飞行模式。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述状态数据包括：位置数据和姿态数据，其中，所述位置数据包括：经度、纬度和高度，所述姿态数据包括：偏航角、姿态角和滚转角。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手动遥控信号为字节数大于等于1的指定字段。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述任务计算机，包括：第二有线通信接口和第二微处理器；

所述第二有线通信接口分别连接第二微处理器和所述飞控计算机；

所述第二微处理器，用于运行任务计算机的软件模块。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述任务计算机的软件模块，包括：状态数据接收模块和控制指令生成发送模块；

所述状态数据接收模块，用于接收飞控计算机发送的手动遥控信号和无人机的状态数据，并将其转发至控制指令生成发送模块；

所述控制指令生成发送模块，用于执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手动遥控单元，包括：无人机控制模式切换开关、遥控操作面板、第二无线通信设备和第三微处理器；

所述无人机控制模式切换开关包括自主控制和手动遥控两个档位；

所述无人机控制模式切换开关和遥控操作面板分别连接所述第三微处理器；

所述第三微处理器连接第二无线通信设备，用于运行手动遥控单元的软件模块。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手动遥控单元的软件模块，包括：手动遥控指令发送模块和控制模式切换指令发送模块；

所述手动遥控指令发送模块，用于根据操控人员对控制模式切换开关和遥控操作面板的操作，通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送控制指令；

所述控制模式切换指令发送模块，用于根据操控人员对控制模式切换开关的操作，通过无线通信设备向无人机飞控计算机发送手动遥控信号。

11.一种基于权利要求1-10任一项所述的无人机自主控制与手动遥控安全切换系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

飞控计算机基于接收的控制指令控制无人机的飞行模式，以及在接收到手动遥控单元发送的手动遥控信号时将手动遥控信号转发至任务计算机；

任务计算机执行自主控制无人机执行任务的程序，当执行自主控制无人机执行任务的程序未检测到手动遥控信号时，基于无人机的状态数据生成无人机的控制指令，并将该控制指令发送至飞控计算机，当执行自主控制无人机执行任务的程序检测到手动遥控信号时，停止生成无人机的控制指令；

手动遥控单元生成手动遥控信号，以及在将手动遥控信号发送至飞控计算机后，通过遥控操作面板生成控制指令，并将控制指令发送至飞控计算机。

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