一种基于以太网交换总线的无人机飞行控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无人机飞行控制系统，尤其涉及一种基于以太网交换总线的无人机飞行控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]飞控技术发展的经历了从第一代(增稳)、第二代(自主导航)，向第三代(图像智能识别和避障)发展，现有的无人机飞控系统结构基本上建立在第一代和第二代技术基础上，技术发展上存在瓶颈，典型特征如下:
(I)多个通信链路单同时使用，设备众多:地面与飞机的通信存在3种链路，第I种链即遥控器链路，常见的链路频率72M、433M、2.4G、5.8G等，这是一个从地面传向飞机的单向无线通信链路，承载着多路遥控器通道的遥杆控制量信息；第2种链路即飞机与地面站的双向通信链路，常见频率433M、900M、2.4G等，一方面，飞机的飞行状态参数要传回地面，另一方面，地面站对飞机的各种参数配置或控制指令要传给飞机；第3种链路即图传链路，常见的频率900M、2.4G、5.SG等，这是一个将视频图像或者叠加了飞机飞行状态参数的视频图像传回地面的单向回传链路。
[0003](2)视觉导航、图像识别与避障是飞控技术发展主要方向之一，现有的飞控技术架构中，飞控计算机不能在支持GPS+惯性导航模式时，同时做视觉图像处理，目前有的做法是，将图像传回地面，由地面计算机进行视觉处理，然后将结果从地面发送给飞控计算机，这种结构在地面与飞控计算机的无线链路断掉时存在诸多问题。
[0004](3)在目前消费级市场，确实有将无人机实拍图像直接直接共享到互联网的实际需求，工业级无人机中，客户需要将数字高清视频图像实时回传到监控指挥中心，传统的飞控技术架构不支持无人机的这种物联网应用模式。
[0005](4)现有的视频图像的回传，大多数是基于模拟视频信号，图像不清晰，还需要一个称为1SD的设备，这个设备实际上就将高清摄像机的模拟视频信号与飞行参数进行叠加回传地面，因此虽然飞机上存储的是高清图像，但回传到地面的图像是叠加了飞行状态参数的模拟图像，而人们往往需要实时看到飞机上拍摄的高清数字图像。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于解决市面上的无人机飞行控制多个通信链路，并存且设备众多，在支持视觉导航、图像识别与避障，高清数字图像实时接入互联网或监控指挥中心或地面站，支持高清数字图像回传地面站等新技术需求上，传统的共享式总线无法解决解决这些大容量数据的高速交换，本发明提供了一种新型的基于以太网交换总线的无人机飞行控制系统及方法。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现的:一种基于以太网交换总线的无人机飞行控制系统，包括飞控计算机(ARM)、飞行指示灯控制模块(LED+)、超声波传感器、光流传感器、电源管理模块(PMU)、蓄电池、惯性测量单元(MU)、卫星导航单元(GPS/BD)、电机、舵机，所述飞行指示灯控制模块(LED+)、超声波传感器、光流传感器通过CAN总线与所述飞控计算机(ARM)信号连接，所述电源管理模块(PMU)与蓄电池电连接，所述电源管理模块(PMU)、惯性测量单元aMU)、卫星导航单元(GPS/BD)通过另外一条CAN总线与所述飞控计算机(ARM)信号连接，所述飞控计算机(ARM)分别与电机、舵机信号连接，所述飞控计算机(ARM)还嵌入有以太网交换芯片(LANswitch)，所述以太网交换芯片(LANswitch)与飞控计算机(ARM)通过局域网(LAN)连接，所述以太网交换芯片(LANswitch)与飞控外围模块通过局域网(LAN)连接。
[0008]进一步地，所述飞控外围模块包括4G模块、视觉计算机(DSP+ARM)、高清运动相机(IPCAM)、无线模块(WIFI)；
所述4G模块可以通过以太网交换式总线将高清运动相机(IPCAM)的高清数字图像通过无线模块接入互联网或传回监控指挥中心，也可以通过视觉计算机(DSP+ARM)的USB 口，可将飞行器实拍视频实时接入互联网或传回指挥中心；
所述视觉计算机(DSP+ARM)内部有DSP处理器、ARM处理器，运行Linux操作系统，以百兆以太网口与所述飞控计算机(ARM)连接，通过所述飞控计算机(ARM)上的以太网交换芯片(LANswitch)所扩展的以太网交换式总线接收高清运动相机(IPCAM)传回的图片，进行图像的分析解算，并与光流传感器、超声波传感器、惯性测量单元(MU)数据进行融合，进行视觉导航、障碍规避、图像目标识别跟踪；
所述高清运动相机(IPCAM)直接出以太网口与飞控计算机(ARM)所扩展的以太网交换式总线进行连接，支持多个视频流的转发，一方面直接通过以太网交换芯片(LANswitch)将高清数字化视频流传回地面，另一方面通过以太网交换芯片(LANswitch)将高清视频数据传给视觉计算机(DSP+ARM)进行图像计算，还通过以太网交换式总线将高清运动相机(IPCAM)的高清数字图像通过无线模块接入互联网或传回监控指挥中心，也可通过视觉计算机(DSP+ARM)的USB 口下挂4G模块，将全数字高清视频数据直接接入互联网或指挥中心；
所述无线模块(WIFI)通过以太网交换式总线将遥控器指令流、飞控指令流、飞行状态参数流、高清数字图压缩像码流直接汇聚，与地面进行数据交换，地面有一个WIFI中继模块(配置为AP)，可使WIFI信号无遮挡的情况下延伸超过I公里。
[0009]进一步地，所述飞控计算机(ARM)为高性能的ARM芯片及I/O电路，外围支持2条CAN总线、多个PWM 口、通过太网交换芯片(LANswitch)扩展的多个百兆以太网接口、2个USB 口和I个调试串口，接受PMU模块的5V供电和蓄电池电量监测信号；
所述飞行指示灯控制模块(LED+)内有无人机航向灯及飞行状态指示灯的驱动芯片、单片机，出CAN 口与飞控计算机(ARM)连接，模块上有USB 口扩展，用来进行飞控的调参和固件升级；
飞控计算机(ARM)支持多个超声波传感器或其他水平测距传感器，所述超声波传感器内有单片机，出CAN总线接入飞控核心模块，能够配合视觉计算机(DSP+ARM)的视觉算法，进行无人机的障碍规避和图像目标识别跟踪；
所述光流传感器核心功能是在卫星导航单元(GPS/BD)信号丢失的情况下或在室内，与惯性测量单元aMU)数据融合进行飞行器姿态和位置解算，进行视觉导航；
所述电源管理模块(PMU) —边接3S-6S的蓄电池，内部有AC/DC进行电压变换和防接反电路，通过3PIN接口线连接到飞控计算机(ARM)，给飞控计算机(ARM)供电，并提供蓄电池电压检测信号；
所述惯性测量单元(MU)包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、气压高度计、单片机，出CAN总线与飞控计算机(ARM)连接，与卫星导航单元(GPS/BD)做数据融合进行飞行器姿态解算和位置解算；
所述卫星导航单元(GPS/BD)为GPS/北斗接收芯片、磁罗盘、单片机，出CAN总线与飞控计算机(ARM)连接，支持GPS和北斗导航定位，支持磁航向计对飞行器姿态的解算，并与惯性测量单元(MU)进行数据融合，最终由飞飞控计算机(ARM)解算飞行器姿态和飞行器位置。
[0010]一种基于以太网交换总线的无人机飞行控制方法，所述飞控计算机(ARM)内