CN114967747A - 一种垂直起降无人机的地面站系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，包括系统设置模块、地图模块、路径规划模块、状态接收模块、任务管理模块和日志管理模块；地图模块用于构建出地图场景；路径规划模块用于已知航路点后的路径优化处理；状态接收模块用于实时接收无人机的飞行位姿和视频传输状态；任务管理模块用于对飞行计划的归类管理；日志管理模块用于实时记录无人机在飞行过程中的数据。本发明通过地图模块加载采集的地形高程数据，航拍图数据以及倾斜摄影模型数据，借助可视化技术构建出二维或三维场景，通过加载第三方地图，路径规划模块可以很方便在地图中对任务进行规划，以及直观的查看轨迹的走向，预判无人机是否能够跟随该航线完成任务。

Description

一种垂直起降无人机的地面站系统

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，具体涉及一种垂直起降无人机的地面站系统。

背景技术

目前垂直起降无人机应用广泛，如油气管道巡检、电力巡检、公路巡检、区域航拍等。无人机地面站是无人机系统的重要组成部分，提供对无人机指挥控制和保证机地数据通信。

无人机地面站的主要功能包括：通过输入设备采集对无人机、机上任务载荷和通信链路设备的控制信息，将以上控制信息组合成为标准的控制指令发送至无人机和链路设备；实时接收无人机、机上任务载荷和通信链路设备的遥测数据，将以上数据解析并以图表等形式反映给无人机操控人员；编辑规划无人机飞行任务航线。

传统任务执行大都通过飞手手动绘制航线进行，造成能耗过多，且航摄图片精度参差不齐，影响图像合成，最终影响任务效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直起降无人机的地面站系统，克服现有技术中存在的上述技术问题。

为此，本发明提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，包括系统设置模块、地图模块、路径规划模块、状态接收模块、任务管理模块和日志管理模块；

所述系统设置模块用于设置系统的全局属性，包括地图供应商、外置模块、颜色调节、布局调整；所述地图模块用于通过加载采集的地形高程数据，航拍图数据以及倾斜摄影模型数据，并调用地图供应商进行图层叠加，构建出地图场景；所述路径规划模块用于已知航路点后的路径优化处理；所述状态接收模块与无人机的控制系统通过数传与图传设备连接，所述状态接收模块用于实时接收无人机的飞行位姿和视频传输状态，并通过地面站平台展示；所述任务管理模块用于对飞行计划的归类管理；所述日志管理模块用于实时记录无人机在飞行过程中的数据。

所述地图场景包括二维地图场景、三维地图场景和高清地图场景。

所述路径规划模块中的路径优化处理包括全局路径规划和应急路径规划；

所述全局路径规划包括大范围任务和远距离任务两种；其中，大范围任务通过全局优化算法进行优化处理，全局优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚂蚁算法，所述远距离任务和应急路径规划均通过采用多项式曲线结合最优化方法进行规划。

所述飞行位姿包括飞行位置、俯仰角、偏航角、滚转角、飞行速度、空速、电池电量、飞行时间和飞行距离；

所述视频传输状态包括视频当前传输的码率、分辨率、帧率、当前时间、经纬度数据。

所述飞行计划包括路径规划模块中处理优化后的从起始到结束顺序排列的航点数据：经度、维度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角，飞行计划以json的形式进行保存，加载和导出。

所述外置模块包括激光测甲烷模块、激光雷达模块。

地图模块实现二维地图场景首先根据地图展示的级数，加载不同大小的地图供应商瓦片现二维地图放大缩小功能，最后通过Qt的Map控件进行实现；

三维地图场景首先是将无人机采集的数据通过pix4dmapper进行DSM数字地表模型合成，然后调用第三方地图供应商接口进行高程数据叠加展示，最后通过OSGEarth进行实现。

地图模块实现高清地图场景加载时，先将无人机采集或者第三方渠道购买的高清地图通过Arcgis切片，再通过GeoServer发布，然后采用第三方地图供应商接口进行高清地图瓦片加载。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种垂直起降无人机的地面站系统，通过地图模块加载采集的地形高程数据，航拍图数据以及倾斜摄影模型数据，借助可视化技术构建出二维或三维场景，通过加载第三方地图，路径规划模块可以很方便在地图中对任务进行规划，以及直观的查看轨迹的走向，预判无人机是否能够跟随该航线完成任务。

本发明通过状态接收模块接收无人机垂直起降的位姿数据、视频数据，并将其实时展示到地面站平台，达到对无人机的实时监控的目的。通过日志管理模块将无人机在飞行过程中所有时刻的位置、姿态、电池的状态、视频传输码率等数据实时记录，在日志模块中可进行日志下载，导出，分析等操作。任务管理模块可以实现用户执行任务过程中，根据需要创建不同具有树结构的目录，以进行飞行计划管理，方便任务回查、编辑复用。

本发明对于区域覆盖路径规划通过智能算法进行求解，时效性强，可以满足作业要求；远距离走廊式路径规划通过采用多项式曲线结合最优化方法进行规划，一方面对于全局问题可以达到比较好的求解结果，另一方面其求解速度快，应急规划时也可以用该方法进行求解，满足了全局和应急路径规划需要。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明原理框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，如图1所示，包括系统设置模块、地图模块、路径规划模块、状态接收模块、任务管理模块和日志管理模块；

所述系统设置模块用于设置系统的全局属性，包括地图供应商、外置模块、颜色调节、布局调整；所述地图模块用于通过加载采集的地形高程数据，航拍图数据以及倾斜摄影模型数据，并调用地图供应商进行图层叠加，构建出地图场景；所述路径规划模块用于已知航路点后的路径优化处理；所述状态接收模块与无人机的控制系统通过数传与图传设备连接，所述状态接收模块用于实时接收无人机的飞行位姿和视频传输状态，并通过地面站平台展示；所述任务管理模块用于对飞行计划的归类管理；所述日志管理模块用于实时记录无人机在飞行过程中的数据。

其中，日志管理模块用来记录无人机任务执行过程中，从创建任务和无人机上电、传感器是否正常、起飞、巡航、返航、降落、现场任务收工整个流程的详细信息，以数据的形式保存到数据库中以便任务查询。

数据的形式包含任务编号、是否上电、上电时间、上电电量、陀螺仪是否正常、空速计是否正常、加速度计是否正常、数传是否正常、图传设备是否正常、外置模块是否正常（激光测甲烷）、是否可以起飞、起飞时间、起飞电量、起飞位置、切换固定翼模式时间、切换固定翼模式位置、切换固定翼模式剩余电量、实时空速、实时飞行速度、巡航距离、总体飞行距离、是否返航、返航时间、切换旋翼模式时间、切换旋翼模式位置、切换旋翼模式剩余电量、降落时间、降落位置。

任务查询即是通过访问数据库查找某一时间段内对应任务编号所执行任务的总体情况，浏览每条任务即可展示该任务执行中的完整飞行作业流程。

本发明提供的这种直起降无人机地面站系统，可以通过路径规划模块进行自主航线规划，通过任务管理模块可以自主任务管理的垂，以提高垂直起降无人机任务执行效率，增加任务执行安全性。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，所述地图场景包括二维地图场景、三维地图场景和高清地图场景。

通过地图模块加载采集的地形高程数据，航拍图数据以及倾斜摄影模型数据，借助可视化技术构建出二维或三维场景，通过加载第三方地图，实现二维和三维地图场景切换。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，所述路径规划模块中的路径优化处理包括全局路径规划和应急路径规划；

所述全局路径规划包括大范围任务和远距离任务两种；其中，大范围任务通过全局优化算法进行优化处理，全局优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚂蚁算法，所述远距离任务和应急路径规划均通过采用多项式曲线结合最优化方法进行规划。

全局路径规划包括大范围和远距离两种任务类型进行，大范围任务类型通常就是区域覆盖问题，对于区域覆盖路径规划，因为其所处的环境范围大，采用数值优化算法求解时，耗费的时间较长，因此通过智能算法进行求解，本发明采用遗传算法进行求解，前提是将区域覆盖问题等效成TSP（旅行商问题），通过遗传算法的交叉、变异操作逐渐逼近最优解，对于实际作业来说，考虑时效性，较优的解已经可以满足作业要求。

远距离走廊式（远距离任务）路径规划可通过采用多项式曲线结合最优化方法进行规划，考虑路径的平滑性，本实施例采用7次多项式，且以snap最小为优化目标，考虑各段轨迹的连续性约束和起始点约束，构造二次型优化问题如下：

式中，A表示多项式的时间参数矩阵，P表示系数矩阵，d表示{位置，速度，加速度，加加速度}，t表示时间段，N表示时间段数。

问题构造完成后采用OSQP求解器进行求解即可。采用构造的二次型问题求解，一方面对于全局问题可以达到比较好的求解结果，另一方面其求解速度快，应急规划时也可以用该方法进行求解，满足了全局和应急路径规划需要，这里的应急路径规划不同于局部路径规划，应急路径规划是针对任务执行过程中，需要应急飞行到某些特定地点的路径规划。本发明主要应用场景在于已知航路点后的路径优化处理，地面站系统集成全局路径规划和应急路径规划后，可以很好的实现对无人机的远程控制（命令下达，路径修改，上传，状态接收等）。

当在三维场景进行航线规划时需要考虑航线的仿地特性，通常要考虑无人机的爬升角和下滑角约束。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，所述飞行位姿包括飞行位置、俯仰角、偏航角、滚转角、飞行速度、空速、电池电量、飞行时间和飞行距离；

所述视频传输状态包括视频当前传输的码率、分辨率、帧率、当前时间、经纬度数据。

状态接收模块主要用来实时展示无人机当前飞行位姿、视频传输状态等，方便用户直观了解远端无人机的状态，以便做出相应决策。

实施例5：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，所述飞行计划包括路径规划模块中处理优化后的从起始到结束顺序排列的航点数据：经度、维度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角，飞行计划以json的形式进行保存，加载和导出。

任务管理模块主要基于任务的角度进行飞行计划的管理，实现不同任务下不同的飞行计划归类，方便用户直观了解任务执行的情况。保存的数据都存到数据库中。数据库可包括常用的mysql结构化数据库和MongoDB非结构化数据库。

实施例6：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，所述外置模块包括激光测甲烷模块、激光雷达模块。

地图供应商（如高德地图）是指地面站系统能够加载来自不同地图供应商的地图服务，系统对不同地图供应商进行统一接口封装，以便后续的二维、三维、高清瓦片叠加方式的统一，而避免不同的供应商加载方式不同引起的系统设计出现大的改动；

外置模块是指系统设计了统一的插件加载模式，采用工厂的设计模式方法，针对不同的传感器模块通过插件模式进行加载展示到系统中，在系统设置中对外置模块的显示和隐藏进行配置，以增加灵活性。

颜色调节是指在系统设置中通过调整界面各个模块的颜色配置实现在不同光照环境下的地面站颜色显示，满足用户在户内、户外场景的需求；布局调整是指在系统设置中对采用Dock布局的窗口进行位置调整和保存。

实施例7：

在实施例2的基础上，本实施例提供了一种垂直起降无人机的地面站系统，地图模块实现二维地图场景首先根据地图展示的级数，加载不同大小的地图供应商瓦片现二维地图放大缩小功能，最后通过Qt的Map控件进行实现；

三维地图场景首先是将无人机采集的数据通过pix4dmapper进行DSM数字地表模型合成，然后调用第三方地图供应商接口进行高程数据叠加展示，最后通过OSGEarth进行实现。

地图模块实现高清地图场景加载时，先将无人机采集或者第三方渠道购买的高清地图通过Arcgis切片，再通过GeoServer发布，然后采用第三方地图供应商接口进行高清地图瓦片加载。

倾斜模型加载，将倾斜模型通过Arcgis对其进行切片发布，然后调用第三方地图供应商接口进行加载。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：包括系统设置模块、地图模块、路径规划模块、状态接收模块、任务管理模块和日志管理模块；

所述系统设置模块用于设置系统的全局属性，包括地图供应商、外置模块、颜色调节、布局调整；

所述地图模块用于通过加载采集的地形高程数据，航拍图数据以及倾斜摄影模型数据，并调用地图供应商进行图层叠加，构建出地图场景；

所述路径规划模块用于已知航路点后的路径优化处理；

所述状态接收模块与无人机的控制系统通过数传与图传设备连接，所述状态接收模块用于实时接收无人机的飞行位姿和视频传输状态，并通过地面站平台展示；

所述任务管理模块用于对飞行计划的归类管理；

所述日志管理模块用于实时记录无人机在飞行过程中的数据。

2.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：所述地图场景包括二维地图场景、三维地图场景和高清地图场景。

3.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：所述路径规划模块中的路径优化处理包括全局路径规划和应急路径规划；

所述全局路径规划包括大范围任务和远距离任务两种；其中，大范围任务通过全局优化算法进行优化处理，全局优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚂蚁算法，所述远距离任务和应急路径规划均通过采用多项式曲线结合最优化方法进行规划。

4.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：所述飞行位姿包括飞行位置、俯仰角、偏航角、滚转角、飞行速度、空速、电池电量、飞行时间和飞行距离；

所述视频传输状态包括视频当前传输的码率、分辨率、帧率、当前时间、经纬度数据。

5.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：所述飞行计划包括路径规划模块中处理优化后的从起始到结束顺序排列的航点数据：经度、维度、高度、俯仰角、偏航角、滚转角，飞行计划以json的形式进行保存，加载和导出。

6.根据权利要求1所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：所述外置模块包括激光测甲烷模块、激光雷达模块。

7.根据权利要求2所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：所述地图模块实现二维地图场景首先根据地图展示的级数，加载不同大小的地图供应商瓦片现二维地图放大缩小功能，最后通过Qt的Map控件进行实现；

三维地图场景首先是将无人机采集的数据通过pix4dmapper进行DSM数字地表模型合成，然后调用第三方地图供应商接口进行高程数据叠加展示，最后通过OSGEarth进行实现。

8.根据权利要求2所述的一种垂直起降无人机的地面站系统，其特征在于：地图模块实现高清地图场景加载时，先将无人机采集或者第三方渠道购买的高清地图通过Arcgis切片，再通过GeoServer发布，然后采用第三方地图供应商接口进行高清地图瓦片加载。

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