TWI824439B - 無人機自主飛行控制系統 - Google Patents

Abstract

一種無人機自主飛行控制系統，主要係裝設在無人機上的機載單元，包括有:機載無線通訊模組、微處理器、多重動態感測與致動裝置，及飛控板等四部份。初始微處理器根據通道1-16的設定值以S-Bus協議模式透過串列埠將訊號送至飛控板。機載無線通訊模組可依任務需求，選擇短、中、遠程距離通訊模組。地面端的個人電腦端可依任務需求，下達飛行指令，例如自動起飛、導航飛行、定高飛行、自動路徑、尋標、自動降落等指令，透過地面無線通訊模組傳送予機載無線通訊模組，之後再傳送予微處理器，或者將一連串的飛行指令規劃於微處理器程式中。微處理器根據一連串的飛行指令，再根據多重動態感測與致動裝置之感測器與計時器設定資料，自動轉換成一連串的通道設定值，以S-BUS協議的訊息組送至飛控板，以達無人機自主飛行任務的目的。

Description

無人機自主飛行控制系統

本發明係關於一種無人機自主飛行控制系統，尤指一種可讓無人機具有自主飛行能力，讓無人機起飛後的持續飛行或返航不需專業人員介入即可執行之無人機自主飛行控制系統。

按，習知無人機的遙控模式如圖1所示。係根據遙控器1的搖桿以及開關的位置，以PWM(Pulse Width Modulation)訊號模式，透過高頻載波通訊系統定時傳送至位在無人機2上的遙控訊號接收器20，該遙控訊號接收器20接收這些訊號後，解碼成S-Bus協議的訊息組，透過串列埠傳送至用以控制無人機2飛行之飛控板21，以達遙控無人機2飛行的目的。

上述S-Bus的協議，是透過串列通訊埠，傳送一組25個字元(Byte)的訊息，包括的內容如下：

(1)一個起始位元組：0x0F。

(2)16個通道(channel)設定值，每一個設定值佔用11個位元(Bit)，所以16x11 bits共22個字元。

(3)2個位元的數位通道(channel 17 and 18)，"frame lost"和"failsafe"旗標共1個字元，格式：[0 0 0 0 failsafe frame_lost ch18 ch17]。

(3)一個終止位元組：0x00。

以圖2所示，遙控器1通道1-6設定為例。通道1-4分別為滾動、俯仰、偏航、推力(Roll,Pitch,Yaw,Throttle)搖桿所使用。通道5(AUX1)為上鎖/解鎖開關所使用，通道6(AUX2)為(自穩，半自穩，手動)模式的三段開關所使用，通道7-16保留做其他用途。根據搖桿及開關的位置，在遙控器1端產生對應通道1-6，及未使用通道7-16設定值，最小1050(單位PWM，即對應高電位1.05毫秒(ms))、最大1900(單位PWM，即對應低電位1.90毫秒(ms))，以PWM(Pulse Width Modulation)訊號模式透過高頻載波通訊系統定時傳送至遙控訊號接收器20，遙控訊號接收器20接收這些訊號後，解碼成S-BUS協議的訊息組，透過串列埠傳送至飛控板21，以達遙控的目的。

惟，習知的遙控架構下，任務飛行操作面臨以下三個問題：

(1)遙控器的通訊範圍受限。地面站對無人機2之間只能做有限距離控制(數公里)，超過一定距離後就有失控危機，而且無法準確得知失控的距離。

(2)遙控器1的搖桿所產生的通道設定值，無法準確控制無人機2的滾動、俯仰、偏航、推力(Roll,Pitch,Yaw,Throttle)，也無法準確估算行進距離與轉彎角度。以圖3太陽能板巡檢為例，每段巡檢路線飛行(高度、距離、轉彎角度)無法準確控制，曲折(zigzag)軌跡飛行，所以需要配置(a)飛手、(b)地面站及近距離觀測手、(c)遠端觀測手等為一組飛行組員，彼此透過對講機溝通以達巡檢目的；若巡檢面積大時可能需要多組人員，若地形或環境惡劣時可能無法達成任務。

(3)受限於飛控板21的固定架構，只能執行飛控板21固定的功能，無法執行飛控板21不具備的功能，如此便無法達成特殊任務的需求。

本發明人有鑑於習知無人機的遙控架構下，在任務飛行操作上面臨上述缺失，乃加以設計改良，遂有本發明之產生。

爰是，本發明之主要發明目的，係在提供一種讓無人機具有自主飛行能力，讓無人機起飛後的持續飛行或返航不需專業人員介入即可執行之無人機自主飛行控制系統。

本發明的主要特徵，係裝設在無人機上的機載單元，包括有：機載無線通訊模組、微處理器、多重動態感測與致動裝置，及飛控板等四部份。初始微處理器根據通道1-16的設定值以S-Bus協議模式透過串列埠將訊號送至飛控板。機載無線通訊模組可依任務需求，選擇短、中、遠程距離通訊模組。地面端的個人電腦端可依任務需求，下達飛行指令，例如自動起飛、導航飛行、定高飛行、自動路徑、尋標、自動降落等指令透過地面無線通訊模組傳送予機載無線通訊模組，之後再傳送予微處理器，或者將一連串的飛行指令規劃於微處理器程式中。微處理器根據一連串的飛行指令，再根據多重動態感測與致動裝置之感測器與計時器設定資料，自動轉換成一連串的通道設定值，以S-BUS協議的訊息組送至飛控板，以達無人機自主飛行任務的目的。

有關本發明為達成上述目的及功效，茲舉以下實施例並配合圖式說明如下。

1:遙控器

2:無人機

20:遙控訊號接收器

21:飛控板

3:無人機自主飛行控制系統

30:地面無線通訊模組

31:個人電腦

4:無人機

40:機載無線通訊模組

41:微處理器

42:多重動態感測與致動裝置

42a、42b:測距器

42c:電子羅盤

43:飛控板

44a:隔離式DC/DC轉換器

44b:緩衝器

圖1所示是習知以遙控器手控操作無人機模式圖。

圖2所示是習知遙控器通道1-6設定範例圖。

圖3所示是習知以遙控器手控操作無人機巡檢太陽能板路線規劃圖。

圖4所示是本發明實施例無人機自主飛行控制系統架構圖。

圖5所示是本發明實施例機載單元之硬體架構圖。

圖6所示是本發明實施例個人電腦建立基本功能之圖形操作介面圖。

圖7所示是本發明實施例個人電腦與微處理器間任務規畫之軟體控制流程圖。

圖8所示是本發明實施例微處理器的軟體流程圖。

圖9所示是本發明實施例光學雷達安裝後的偵測軟體流程圖。

請參閱圖4所示，本發明實施例的無人機自主飛行控制系統3，主要係於地面站設置有一地面無線通訊模組30，於無人機4上的機載單元分別配置有一機載無線通訊模組40、一微處理器41、一多重動態感測與致動裝置42，及一飛控板43四部份。其中該地面無線通訊模組30，係與個人電腦31訊號連接，由個人電腦31依任務需求，下達飛行指令，例如自動起飛、導航飛行、定高飛行、自動路徑、尋標、自動降落等指令，透過地面無線通訊模組30傳送予機載無線通訊模組40；也可將一連串的飛行指令規劃於微處理器41的程式中。

該機載無線通訊模組40，係與上述地面無線通訊模組30相互匹配，具雙向傳送訊號功能。任務指令通過地面無線通訊模組30傳送至機載無線通訊模組40，而且該機載無線通訊模組40亦具有將訊息傳送至位在地面站的地面無線通訊模組30之功能，該任務指令可依任務需求，選擇短、中、遠程距離的通訊模組。

該微處理器41，可為一系統晶片，係與機載無線通訊模組40訊號連接，該機載無線通訊模組40將指令訊號提供予微處理器41，該微處理器41再根據一連串的飛行指令，以及根據多重動態感測與致動裝置42的感測器與計時器設定資料，自動轉換成一連串的通道設定值，經微處理器41根據通道(例如有1-16通道)的設定值以S-Bus協議模式(通訊協議模式)透過串列埠送至飛控板43，以達自動飛行任務的目的。

該多重動態感測與致動裝置42，係與微處理器41訊號連接，設置有定時器、感測器、致動器。其中該定時器、感測器及致動器經設定使用，可以準確預估無人機4的行進距離以及轉彎角度，再將訊號傳送給微處理器41彙整後，對飛控板43傳送飛行指令，以達自動巡檢的目的。

該飛控板43，如前述，與微處理器41以S-BUS協議訊號連接，用以根據通道的滾動、俯仰、偏航、推力(Roll、Pitch、Yaw、Throttle)指令設定值進行飛行任務。

上述本發明如此設計，可以達成下列的效果及優勢：

(1)透過地面無線通訊模組30與機載無線通訊模組40之間的遠距離通訊模組，可遠距離操控無人機4。

(2)可自動執行一連串複雜的飛行指令，若有偏差或特殊需求，可由個人電腦31下達指令進行修正或改變飛行任務；

(3)由於通道1-16設定值皆由微處理器41所準確下達，所以配合多重動態感測與致動裝置42之定時器與感測器的設定使用，可以準確預估行進距離以及轉彎角度，以達自動巡檢的目的。

(4)飛控板43只根據通道Ch1-4的滾動、俯仰、偏航、推力(Roll、Pitch、Yaw、Throttle)設定值進行飛行任務，微處理器41、多重動態感測與致動裝置42的感測器(Sensor)及致動器(Actuator)皆可依需求自行設計，因此感測器、致動器的功能不會受到飛控板43的限制，可達特殊任務的需求。

(5)飛控板43只要有S-Bus介面就能設計成自動飛行系統，因此本系統可適用於四、六、八軸旋翼無人機，或者其他固定翼無人機，支援S-Bus協議支援的飛行器。

本發明實施例以四旋翼無人機為實驗對象，預計達成的自動駕駛無人機的硬體架構如圖5所示。

其中，為了避免大電流所產生的干擾影響整體系統功能，該機載單元的硬體電路使用隔離式DC/DC轉換器44a及緩衝器44b(如圖5)，將小訊號的地線與大電流的地線分開。該多重動態感測與致動裝置42外接兩個激光雷達測距器42a、42b，一個裝於無人機4的腹下，精確量測無人機4與地面(障礙)的距離，用於自動起飛、自動降落、定高飛行的參考資料，決定控制動作。另一個測距器安裝於無人機4前方，用於短距離的避障動作；外接電子羅盤42c，用於自動辨別方位角、決定控制轉彎角度，以符合控制的命令；機載無線通訊模組40外接GPS，用於做長距離自動尋標與導航的功能，且該機載無線通訊模組40，用於接收來自於地面站的地面無線通訊模組30飛行指令，以及傳送訊息至地面站的地面無線通訊模組30。

根據任務需求，設計32位元的微處理器41軟體功能，可以達成自穩模式飛行的基本功能包括：(1)執行滾動、偏航、俯仰、推力(Roll、yaw、pitch、throttle)、解鎖/上鎖等通道設定指令；(2)執行起飛後爬升至指定高度、自動降落和懸停指令。透過設定滾動(Roll)、偏航(Yaw)、俯仰(Pitch)=(0,0,0)度，配合測距器的感測和油門大小的控制，達到預期功能；(3)執行懸停、前進、後退、左移、右 移等指定距離的指令。在懸停狀態下，可分別控制俯仰(Pitch)及滾動(Roll)通道設定值，以及持續時間，以達成飛行控制前進、後退、左移、右移等指定距離的功能；(4)執行左擺和右擺至角度的指令。在懸停狀態下，可控制偏航(yaw)通道設定值大小，以及持續時間，可達成左擺、右擺等指定角度的功能，輔以電子羅盤的使用，可準確達成左擺/右擺指定角度的動作。

為了執行上述任務需求及功能，在地面站的個人電腦31端係建立基本功能，以圖形操作介面為基礎，如圖6所示。

第一部份傳送滾動、俯仰、偏航、推力(Roll、pitch、yaw、throttle)、解鎖/上鎖等通道設定指令。

第二部份傳送懸停(待命)、爬升至指定高度、自動降落、以及前進、後退、左移、右移等指定距離和左擺/右擺指定角度的指令。

第三部份自動顯示移動滑動桿或按確認鍵時相關指令內容，以及顯示來自無人機4所傳送的訊息。個人電腦31端俱備資料庫功能，可自動儲存相關重要訊息。

本發明無人機自主飛行控制系統3的應用，具有下列核心功能，包括：

(1)自動導航：可由自動前進、後退、左移、右移等動作功能，配合GPS以及前方測距器作避障動作，可達預期目標。

(2)自動尋標：可由自動前進、後退、左移、右移等動作功能，配合GPS、影像攝影機以及前方測距器的使用，可達預期目標。

(3)自動巡檢-可預先做巡檢路徑規劃，配合電子羅盤，作定高飛行、自動前進指定距離和左擺/右擺指定角度的功能，以達成自動巡檢目標。

(4)根據以上功能修改微處理器程式以及電腦端圖形介面程式功能。

圖7為本發明實施例所建置的飛控軟體，以快閃記憶體(Flash Memory)儲存所有的指令。地面站的個人電腦31以地面無線通訊模組30與無人機3的機載無線通訊模組40訊號連結，並以指定的途中點(Waypoint)作路徑規劃。每個途中點指定的四個參數先以指定的Excel表列方式讀入快閃記憶體中，包括經度、緯度、高度、任務的數位碼、最大電池航程(longitude/latitude,height,task digital code,maximum stay duration)。個人電腦31讀取參數資料後，經地面無線通訊模組30將訊號指令透過無人機4的機載無線通訊模組40，傳送予微處理器41。微處理器41儲存途中點資料，並回報給地面的個人電腦31。地面的個人電腦31及無人機4上的微處理器41同時協同處理飛控程序。

全自主飛控在快閃記憶體紀錄資料後即可飛行，且可以在飛行中過通訊界面去修改。圖8為無人機上之微處理器41的軟體流程，用以執行全自主飛行控制。

無人機4的微處理器41做初始設定，從快閃記憶體中讀入途中點累計數目，電源啟動後，經由S-Bus通訊協定設定無人機4於穩定模式。微處理器41透過MAVLink通訊協定開啟數據串流，諸如(#1,#11,#20,#21,#22,#23,#24,#33,#51,#66,#73,#76,#77,#86,#87)。微處理器41等待控制板(#33)接收到GPS衛星來定位每個途中點。所偵測的衛星數從#24訊息中取得。

途中點的精確度取決於接收到的GPS數量。衛星數達到後，微處理器41下令飛控板43進入導航模式，知會飛行操作員準備執行任務。飛行操作員只需按下按鍵，微處理器41便開始自動執行所設定的任務。無人機4起飛後，微處理器41將從快閃記憶體中讀取下一個途中點U，並透果MAVLink訊息來做導航模 式飛行。微處理器41將估算無人機4到下一個途中點的距離，直到達到所指定的位置。距離到達時，無人機4將停在指定的途中點，並在容許的時間內執行所交代的作業功能。完成指定的任務後，無人機4繼續導航至下一個途中點，在容許的時間內完成下一個任務。整個程序都完成後，無人機4可以自動的降落。

前述無人機4飛行至途中點可能遇到障礙，因此必須有自動辨識障礙物的能力。障礙辨識以多個光學雷達(LiDAR)安裝於無人機4的飛行前方，來偵測前方障礙物。圖9為光學雷達安裝後的偵測軟體流程。圖9中，當偵測到障礙物時，微處理器41下令無人機4進入閒逛模式。等待數秒鐘待障礙物消失，或偏航避讓，直到障礙物消失。無人機4往上、左、右等方向避讓。障礙物消失，繼續前進至下一個途中點。若障礙物無法排除，無人機4將回到前一個途中點待命並降落。

由以上之說明可知，本發明與習知間的差異，係增加了位在無人機4上機載的微處理器41及多重動態感測與致動裝置42等硬體，以及決策控制與路徑規劃的控制軟體。本發明通過上述裝置的配置，即可讓無人機具有自主飛行能力，讓無人機起飛後的持續飛行或返航不需專業人員介入即可執行，具有功效之增進及產業利用性。

綜上所述，本發明不僅具新穎性且具進步性，依法提出發明專利申請，懇請惠予審查並予以核准，實感德便。

無人機自主飛行控制系統3 地面無線通訊模組30 個人電腦31 無人機4 機載無線通訊模組40 微處理器41 多重動態感測與致動裝置42 飛控板43

Claims (10)

1. 一種無人機自主飛行控制系統，主要係於地面站設置有一地面無線通訊模組，於該無人機上的機載單元分別配置有一機載無線通訊模組、一微處理器、一多重動態感測與致動裝置，及一飛控板；其中 該地面無線通訊模組，係與個人電腦訊號連接，由該個人電腦依任務需求，下達飛行指令； 該機載無線通訊模組，係與上述地面無線通訊模組相互匹配，具雙向傳送訊號功能；該個人電腦下達的任務指令通過該地面無線通訊模組傳送至該機載無線通訊模組，而且該機載無線通訊模組亦可將訊息傳送至地面站的該地面無線通訊模組，該任務指令可依任務需求，選擇短、中、遠程距離的通訊模組； 該微處理器，係與該機載無線通訊模組訊號連接，該機載無線通訊模組將指令訊號提供予該微處理器，該微處理器再根據一連串的飛行指令，以及根據該多重動態感測與致動裝置的感測器與計時器設定資料，自動轉換成一連串的通道設定值，經該微處理器根據通道的設定值以一通訊協議模式透過串列埠送至該飛控板； 該多重動態感測與致動裝置，係與該微處理器訊號連接，設置有定時器、感測器、致動器；其中該定時器、感測器及致動器經設定使用，可以準確預估該無人機的行進距離以及轉彎角度，再將訊號傳送給該微處理器彙整後，對該飛控板傳送飛行指令； 該飛控板，與該微處理器以所述通訊協議模式訊號連接，用以根據通道的滾動、俯仰、偏航、推力指令設定值進行飛行任務。
2. 如請求項1所述之無人機自主飛行控制系統，其中該微處理器與該飛控板間的該通訊協議模式係為S-Bus通訊協議模式。
3. 如請求項1所述之無人機自主飛行控制系統，其中該飛行指令亦可規劃於該微處理器之程式中。
4. 如請求項1所述之無人機自主飛行控制系統，其中該機載單元的硬體電路為免大電流所產生的干擾影響，該硬體電路係使用隔離式DC/DC轉換器及緩衝器，將小訊號的地線與大電流的地線分開。
5. 如請求項1所述之無人機自主飛行控制系統，其中該多重動態感測與致動裝置係外接兩個激光雷達測距器，一個係裝於該無人機的腹下，以量測該無人機與地面的距離；另一個激光雷達測距器係安裝於該無人機前方，用於短距離的避障動作；外接一電子羅盤，用於自動辨別方位角、決定控制轉彎角度。
6. 如請求項1或2所述之無人機自主飛行控制系統，其中該機載無線通訊模組係外接GPS，用以做長距離自動尋標與導航。
7. 如請求項6所述之無人機自主飛行控制系統，為任務需求，其中該微處理器為一系統晶片，該微處理器的軟體功能，係包括:(1)執行滾動、偏航、俯仰、推力、解鎖或上鎖等通道設定指令；(2)執行起飛後爬升至指定高度、自動降落和懸停指令，透過設定滾動、偏航、俯仰=(0,0,0)度，再配合該多重動態感測與致動裝置的控制；(3)執行懸停、前進、後退、左移、右移等指定距離的指令；在懸停狀態下，可分別控制俯仰及滾動通道設定值，以及持續時間，以達成該無人機飛行控制前進、後退、左移、右移等指定距離的功能；(4)執行左擺和右擺至角度的指令，在懸停狀態下，可控制偏航通道設定值大小，以及持續時間，達成左擺、右擺等指定角度的功能，輔以一電子羅盤的使用，可準確達成左擺/右擺指定角度的動作。
8. 如請求項7所述之無人機自主飛行控制系統，為了執行任務需求，位在地面站的該個人電腦係以一圖形操作介面建立基本功能，該圖形操作介面，包含第一部份傳送滾動、俯仰、偏航、推力、解鎖或上鎖之通道設定指令；第二部份傳送待命 、爬升至指定高度、自動降落、以及前進、後退、左移、右移等指定距離和左擺或右擺指定角度的指令；第三部份自動顯示移動滑動桿或按確認鍵時相關指令內容，以及顯示來自該無人機所傳送的訊息；而且該個人電腦俱備資料庫功能，可自動儲存相關訊息。
9. 如請求項8所述之無人機自主飛行控制系統，其中該微處理器用以執行無人機自主飛行控制的軟體流程，係包含:該微處理器做初始設定，從快閃記憶體中讀入途中點累計數目，電源啟動後，經由通訊協定設定該無人機於穩定模式，該微處理器透過MAVLink通訊協定開啟數據串流，該微處理器接收到該GPS衛星定位的每個途中點；途中點的精確度取決於接收到的該GPS數量，衛星數達到後，該微處理器下令該飛控板進入導航模式，知會飛行操作員準備執行任務，飛行操作員只需按下按鍵，該微處理器便開始自動執行所設定的任務，該無人機起飛後，該微處理器從快閃記憶體中讀取下一個途中點，並透果MAVLink訊息來做導航模式飛行，該微處理器估算該無人機到下一個途中點的距離，直到達到所指定的位置；距離到達時，該無人機停在指定的途中點，並在容許的時間內執行所交代的作業功能；完成指定的任務後，該無人機繼續導航至下一個途中點，在容許的時間內完成下一個任務，整個程序都完成後，該無人機可以自動的降落。
10. 如請求項9所述之無人機自主飛行控制系統，其中該無人機的飛行前方係安裝有複數個光學雷達以辨識飛行途中可能遇到障礙；當偵測到障礙物時，該微處理器下令該無人機進入閒逛模式；等待數秒鐘待障礙物消失，或偏航避讓，直到障礙物消失，繼續前進至下一個途中點；若障礙物無法排除，該無人機將回到前一個途中點待命並降落。