CN205353654U - 一种多飞行器协同飞行控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种多飞行器协同飞行控制系统，包括在飞行器上装上U-Blox定位模块、STM32处理器与2.4GHz无线通信模块NRF24L01作为移动站，由计算机、NovAtel OEM615定位板卡、STM32处理器、2.4GHz无线通信模块NRF24L01、数模转换模块、电压跟随器和信号发射模块组成地面基站。由基站跟移动站共同构成多飞行器协同控制方案。基站接收由差分GPS计算出来的移动站位置信息，根据移动站的位置信息和目的地位置信息，计算出飞行方向跟飞行速度，根据飞行方向跟飞行速度输出飞行器控制信号。控制信号经由STM32处理器、数模转换模块、电压跟随器和信号发射模块处理后发射给飞行器，飞行器完成协同飞行。

Description

一种多飞行器协同飞行控制系统

技术领域

本实用新型涉及飞行器协同飞行控制技术，特别是指一种多飞行器协同飞行控制系统。

背景技术

目前，市面上的飞行器多由人工操作遥控器控制。在人工控制飞行器飞行时，有两点不足，一是人工控制由于人与人的不同，不是每个人控制飞行器时都能飞出想要的路线，二是人工控制由于沟通及操作水平难以实现或无法实现多个飞行器协同运动。多飞行器协同飞行能够实现许多单飞行器不能完成的任务，而实现多飞行器协同就需要能够同时控制多个飞行器的控制。

实用新型内容

本实用新型提出一种多飞行器协同飞行系统，通过地面站一对多控制，实现多部飞行器协同飞行完成各种飞行任务。

为了实现上述技术方案，本实用新型提供一种多飞行器协同飞行控制系统，包括地面站和移动站，

移动站设于飞行器上，移动站与飞行器的电机控制连接；

地面站设于操控端，地面站通过无线网络与移动站通讯连接；

多架协同飞行的飞行器间信息交互，信息交互包括能获取本身的位置信息以及其他无人机的位置信息，并通过自适导航飞行位置关系避免相互碰撞。

进一步，地面站包括计算机、NovAtelOEM615定位板卡、第二STM32处理器微控制器、第二2.4GHz无线通信模块NRF24L01、数模转换模块、电压跟随模块和信号发射模块；

NovAtelOEM615定位板卡获取飞行器的位置信息发送给计算机，计算机获取和处理飞行器信息后输出控制信号，第二STM32处理器微控制器接收信号后输出数字信号，数模转换模块将数字信号转化为电压模拟信号，电压跟随模块使电压稳定并将信号发送至信号发射模块，信号发射模块发射相应的信号；飞行器上的第一2.4GHz无线通信模块NRF24L01接收来自地面站的信号，飞行器上的接收器接收信号控制飞行器上的电机完成飞行。

进一步，飞行器为四轴飞行器，移动站包括U-Blox定位模块、第一STM32处理器与第一2.4GHz无线通信模块NRF24L01作为移动站；

计算机同时控制多架飞行器，通过串口向单片机输出控制信号，单片机接收到控制信号后，输出若干通道的列数字信号，每架飞行器都由四个通道的控制信号控制，

每个通道的控制信号控制相应四轴飞行器上的一个电机，通道的数量根据控制的飞行器数量而定。

与现有技术相比，本实用新型提供一种多飞行器协同飞行控制系统，可以通过计算机发出控制信号稳定的控制多个飞行器，并按完成多架飞行器之间的协同飞行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的控制原理图。

图2是本实用新型飞行器的定位方案原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供的一种多飞行器协同飞行控制系统,包括控地面站和移动站，移动站设于飞行器上，移动站与飞行器的电机控制连接；地面站设于操控端，地面站通过无线网络与移动站通讯连接；多架协同飞行的飞行器间信息交互，信息交互包括能获取本身的位置信息以及其他无人机的位置信息，并通过自适导航飞行位置关系避免相互碰撞。

地面站包括计算机、NovAtelOEM615定位板卡、第二STM32处理器、第二2.4GHz无线通信模块NRF24L01、数模转换模块、电压跟随模块和信号发射模块；NovAtelOEM615定位板卡获取飞行器的位置信息发送给计算机，计算机获取和处理飞行器信息后输出控制信号，第二STM32处理器微控制器接收信号后输出数字信号，数模转换模块将数字信号转化为电压模拟信号，电压跟随模块使电压稳定并将信号发送至信号发射模块，发射器发射相应的信号；飞行器上的第一2.4GHz无线通信模块NRF24L01接收来自地面站的信号，飞行器上的接收器接收信号控制飞行器上的电机完成飞行。

飞行器为四轴飞行器，移动站包括U-Blox定位模块、第一STM32处理器与第一2.4GHz无线通信模块NRF24L01作为移动站；计算机同时控制多架飞行器，通过串口向单片机输出控制信号，单片机接收到控制信号后，输出若干通道的列数字信号，每架飞行器都由四个通道的控制信号控制，每个通道的控制信号控制相应四轴飞行器上的一个电机，通道的数量根据控制的飞行器数量而定。

计算机运行同时控制多架四轴飞行器的程序，该程序能够生成一系列控制信号，计算机通过串口向单片机输出这些控制信号。单片机接收到控制信号后，通过预先加载的程序处理输出若干通道的列数字信号，每架飞行器都由四个通道的控制信号控制，每个通道的控制信号控制对应四轴飞行器上的一个电机，通道的数量由控制的飞行器数量而定。数字信号由单片机输入到数模转换模块上，转化为模拟信号，这里的模拟信号的形式是电压。

在飞行器上装上U-Blox定位模块、STM32处理器与2.4GHz无线通信模块NRF24L01作为移动站，计算机、NovAtelOEM615定位板卡、STM32处理器、2.4GHz无线通信模块NRF24L01、数模转换模块、电压跟随模块和信号发射模块作为地面站。由地面站与移动站共同构成多飞行器协同控制系统。飞行器(如无人机)的多机协同，需要在各无人机之间进行建立信息交互，在多部无人机飞行的过程中，若需要无人机在飞行过程中实现各种队形，以及在飞行过程中避免彼此之间的碰撞，那么需要无人机能获取本身的位置信息以及其他无人机的位置信息，这里就需要可通过导航定位实现，如U-Blox定位模块，但是不局限于U-Blox定位模块。其中，导航的精度越高，多机协同的效果会越好。

作为较佳的实施方式，采用差分GPS技术，将一台GPS接收机安置在地面站(基准站)上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离修正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行修正，从而提高定位精度。

飞行器的定位信息传送给计算机，计算机运行预先编写好的多飞行器飞行控制程序，由计算机由串口可以控制多个飞行器的控制器上。具体地，该装置的原理是由PC机输出控制信号，由控制器中的第一STM32处理器微控制器接收信号后输出数字信号，数模转换模块将数字信号转化为模拟信号，再通过电压跟随模块使电压稳定。模拟信号传入信号发射模块，发射器发射相应的信号，飞行器上的接收器接收信号控制飞行器上的电机完成飞行。

计算机接收飞行器的定位信息首先按照需求把飞行器排列成一定的阵型如矩阵等，在接收到目的地位置信息时，计算飞行器与目标坐标之间的距离和方向，运行飞行算法，在飞行过程中计算机不断接收到各个飞行器的坐标并通过算法保持飞行器的阵型，同时在飞行过程中利用PID算法不断校正和微调飞行方向和速度，确保飞行的准确快速。

数模转换模块的电压信号输入到电压跟随模块中，保证电压输出更为稳定。经过电压跟随模块的电压信号输入到信号发射模块中，发射模块发射信号，飞行器上接收信号后通过一系列处理，完成飞行指令。

鉴于以上，本实用新型还提供了多飞行器协同飞行控制方法，其多飞行器协同飞行，任意之一个及以上飞行器获取飞行器协同飞行信息，协同飞行的飞行器间建立信息交互，其中，获取的协同飞行信息包括协同飞行队形，协同飞行队形建立以多架飞行器所在空域的当前队形的形心为中心的第一坐标，并以当前队形为调整对象，使多架飞行器的队形调整为飞行队形。其中，地面站包括NovAtelOEM615定位板卡，PC机、STM32处理器以及2.4GHz无线通信模块NRF24L01。移动站包括无人机本身、U-Blox定位模块、STM32处理器与2.4GHz无线通信模块NRF24L01。

运行飞行程序时，现将若干架飞行器启动，飞行至一定的高度，然后在计算机飞行程序上选择需要飞行器飞行时的阵型，每种阵型能完成不同的任务。计算机根据飞行器上返回的定位信息，命令各个飞行器飞到各自阵型中的位置，计算出阵型的位置坐标(x,y,z)，并准备接受飞行命令。

作为一种较佳的实施方式，计算机接收到飞行目的地的位置坐标(x,y,z)后，通过算法确定，飞行器阵形形心距离目的地的方向和距离。在知道目的地距离飞行器阵型型心的方向和距离后，通过算法发出飞行器的飞行控制信号，飞行器完成飞行命令。

作为优选，在飞行器多机协同过程中，采用的是差分定位的方案。在地面设置基站提供差分数据，把各无人机作为移动站。差分数据可以提高移动站的定位精度。基站与移动站之间通过无线通信模块进行数据传输。

飞行器接收的最初飞行命令是一样的，所有飞行器的飞行方向、飞行速度一至时，能够保持飞行阵形，阵形的形心位置相对各个飞行器也不变。但由于各个飞行器的电机不完全一样，飞行器或多或少会偏离方向。在飞行过程中，计算机会不断接收到各个飞行器的位置信息，通过使用PID算法校正和微调各个飞行器的飞行动作，保持阵型，在飞行过程中不断调整所有飞行器的飞行方向朝着目的地，并根据距离目的地的距离调整飞行速度，使飞行器协同飞行准确、快速。

本实用新型通过NovAtel板卡获取伪距离观测值Pf。其中，接收机到卫星之间的、含有时钟误差和大气层折射延迟的距离，测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，而非“真实距离”,故称伪距。利用Pf伪距离观测值计算出较为精准位置的飞行器所在星历位置。具体地，星历位置是指在GPS测量中，天体运行随时间而变的精确位置或轨迹表，它是时间的函数。NovAtel板卡上的处理器把位置信息和星历通过定位算法计算出卫星位置以及一个实际距离Pt，从而获得伪距离差分量△P＝Pt-Pf。

地面站采用一块NovAtelOEM615板卡、一台PC机、一块STM32处理板和2.4GHz无线通信模块NRF24L01。ovAtelOEM615板卡具有高定位精度的优势，在基站中实现作为一个差分站的作用，ovAtelOEM615需要PC机进行控制，在配套软件NovAtelConnect的设置下可输出差分数据。地面站中，第二STM32接收来至NovAtelOEM615定位板卡的差分数据，同时通过无线模块发送到移动站的U-Blox定位模块中，通过误差修正，可获得个飞行器较为精准的定位信息。然后移动站再通过无线模块把经过误差修正后的较为精准的位置信息发送给基站，基站把各无人机的位置信息传送给飞控系统，通过飞控系统进行对无人机进行控制。

把飞行器中的移动站采用的是U-blox定位模块、一块STM32处理器和2.4GHz无线通信模块NRF24L01。通过接收基站提供的差分量可以提高定位精度。U-Blox模块把定位出来的经纬度信息发送至移动站的第一STM32处理器，第一STM32处理器通过相应的算法，把经纬度转换为笛卡尔坐标(x,y,z)，然后通过无线模块发送至基站。

协同飞行信息还包括有第二坐标，采用差分GPS技术，将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离修正数，并由基准站实时将这一数据发送出去，用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行修正，从而提高定位精度,协同飞行过程中，通过使用PID算法校正和微调各个飞行器在飞行队形中的位置。

获取飞行队形的星历坐标和通过卫星获取飞行队形的坐标，通过NovAtel板卡获得伪距离观测值Pf，坐标信息和星历坐标通过特定的定位算法计算出卫星位置以及一个实际距离Pt，从而获得伪距离差分量△P＝Pt-Pf。

作为优选，Pf为接收机到卫星之间的、含有时钟误差和大气层折射延迟的距离，测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟。

当然，本实用新型中提及的具体产品只是一个具体案例的实施方案，在此不可能一一枚举，作为相同的技术方案或相同的技术构思应视为本实用新型的精神所在。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多飞行器协同飞行控制系统，其特征在于，包括

地面站和移动站，

移动站设于飞行器上，移动站与飞行器的电机控制连接；

地面站设于操控端，地面站通过无线网络与移动站通讯连接；

多架协同飞行的飞行器间信息交互，信息交互包括能获取本身的位置信息以及其他无人机的位置信息，并通过自适导航飞行位置关系避免相互碰撞。

2.根据权利要求1所述的一种多飞行器协同飞行控制系统，其特征在于：

地面站包括计算机、NovAtelOEM615定位板卡、第二STM32处理器微控制器、第二2.4GHz无线通信模块NRF24L01、数模转换模块、电压跟随模块和信号发射模块；

NovAtelOEM615定位板卡获取飞行器的位置信息发送给计算机，计算机获取和处理飞行器信息后输出控制信号，第二STM32处理器微控制器接收信号后输出数字信号，数模转换模块将数字信号转化为电压模拟信号，电压跟随模块使电压稳定并将信号发送至信号发射模块，信号发射模块发射相应的信号；飞行器上的第一2.4GHz无线通信模块NRF24L01接收来自地面站的信号，飞行器上的接收器接收信号控制飞行器上的电机完成飞行。

3.根据权利要求2所述的一种多飞行器协同飞行控制系统，其特征在于：

飞行器为四轴飞行器，移动站包括U-Blox定位模块、第一STM32处理器与第一2.4GHz无线通信模块NRF24L01作为移动站；

计算机同时控制多架飞行器，通过串口向单片机输出控制信号，单片机接收到控制信号后，输出若干通道的列数字信号，每架飞行器都由四个通道的控制信号控制，

每个通道的控制信号控制相应四轴飞行器上的一个电机，通道的数量根据控制的飞行器数量而定。