基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统及编队方法与流程

本发明涉及编队飞行系统和编队方法，特别涉及基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统及编队方法。

背景技术：

四旋翼飞行器作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器，与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直降落，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活地在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。四旋翼飞行器在当今社会拥有很广的应用领域，比如军事侦查探测、数据采集、通信增强节点等。同时，四旋翼无人飞行器可以自主完成上述任务，不仅节约成本，而且大大简化了人力劳动，也在人类无法到达的危险、危害环境可以完全代替人类工作。

中国国内对多旋翼无人机的开发起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。目前，国内对于四旋翼飞行器的一些基本技术如悬停、自动返舰等技术已趋于成熟，单一的四旋翼飞行器采集的数据不够精准，范围小，且效率低下，若将四旋翼飞行器进行编队，应用领域将更广，在数据采集领域具有更广阔前景。

技术实现要素：

本发明针对国内四旋翼飞行器应用不够广泛，应用范围较小，提出一种基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统，该系统能够对飞行中的四旋翼飞行器进行队形调整，此外，还能够在空旷处进行大范围的数据采集，克服数据精度不高的缺点，且能够提高数据采集效率。另外，本发明还提供了一种编队方法。

为了实现以上目的，首先本申请提供了一种基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统，其特征在于：包括一个母舰、至少一个子舰和终端，所述母舰和子舰均为四旋翼飞行器；所述母舰和子舰上分别安装有GPS定位模块、角速度模块及单片机；所述GPS定位模块和所述角速度模块分别与所述单片机连接；安装于所述母舰上的单片机与安装于所述子舰上的单片机之间通过ZigBee模块无线通信连接，安装于所述母舰上的单片机与终端之间通过无线射频模块无线通信连接。

进一步的，所述子舰上还安装有摄像头、光电传感器和/或红外线传感器；所述摄像头、所述光电传感器和所述红外线传感器与所述单片机连接。

进一步的，所述母舰和子舰上还安装有电源模块，所述电源模块包括为母舰和子舰供电的第一电源和为所述GPS定位模块、所述角速度模块、所述单片机、所述ZigBee模块和所述无线射频模块供电的第二电源；所述第一电源为12V充电电池，所述第二电源所提供的直流电压为3.3V。

此外，本申请还提供了一种基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队方法，具体步骤为：

步骤1：母舰及子舰起飞前的初始化设置，母舰的初始坐标为(a0，b0，c0)，子舰的初始坐标为(e0，f0，g0)；母舰与子舰之间的距离阈值A；

步骤2：控制母舰及子舰起飞至预先设初始的位置；

步骤3：对起飞后的母舰与子舰的当前坐标进行采集，母舰的当前坐标由两部分构成：一部分是GPS定位模块所测量出的坐标(a1，b1，c1)，另一部分是通过角速度模块测得的三轴加速度二重积分得到的位移值(a，b，c)，(a，b，c)通过以下式(1)获得：

(a，b，c)＝[(a1,b1,c1)+(a0+∫∫Axdtdt，b0+∫∫Aydtdt，c0+∫∫Azdtdt)]/2 (1)

式(1)中：Ax、Ay和Az为母舰的三轴加速度；

子舰的当前坐标由两部分构成，一部分是GPS定位模块所测量出的坐标(e1，f1，g1)，另一部分是通过角速度模块测得的三轴加速度二重积分得到的位移值(e，f，g)；

(e，f，g)通过以下式(2)获得：

(e，f，g)＝[(e1,f1,g1)+(e0+∫∫axdtdt，f0+∫∫aydtdt，g0+∫∫azdtdt)]/2 (2)

式(2)中：a_x、a_y和a_z子舰的三轴加速度；

步骤4：子舰采集到的当前坐标发送至母舰，安装于母舰上的单片机以母舰的当前坐标值为基准，计算当前母舰与子舰之间的距离D，D通过式(3)获得：

D＝|(a，b，c)-(e，f，g)| (3)

步骤5：将阈值A与差值D进行比较，若A大于D则执行步骤3；若阈值A小于D，则母舰向子舰发送控制指令，调整子舰的飞行状态。

本发明的技术构思是：本发明采用了GPS技术和ZigBee技术来实现四旋翼轴飞行器编队和数据传输。其中，利用ZigBee通讯网络来进行内部数据传输。当终端发出信号让母舰飞行，四旋翼上的GPS传感器和角速度传感器测得自身位置坐标，子舰通过ZigBee通信将自身位置坐标信息发送给母舰，母舰上单片机处理接收的数据并作出判断子舰是否偏移队形，若偏移队形，则通过ZigBee通信将信息发送至子舰单片机来调整子舰位置，实现编队；每架子舰上放置数据采集模块用于数据采集，单片机模块将采集的数据通过ZigBee传输到母舰，母舰处理后将数据通过无线射频传到终端。

本发明的有益效果是：通过利用GPS、角速度模块和ZigBee分布在各个子母舰上所构成的网络来进行编队和数据传输，使得工作人员能够大范围、精确的采集数据，且效率较高。同时，结合无线射频和ZigBee网络，发送数据信息，可以做到将数据实时分析。

附图说明

图1为本发明所提供的基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统中子母舰队形分布图；

图2为本发明所提供的基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统中子母舰通信范围示意图；

图3为本发明所提供的基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统中母舰与终端之间数据传输示意图；

图4为本发明所提供的基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队方法的流程图。

具体实施例

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，本发明所提供的是一种基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队飞行系统，该系统中包括一个母舰1至少一个子舰2和终端3，所述母舰1与子舰2在飞行过程中的所形成的队形可以为任意队形，本发明给出了如图1所述的子母舰队形，其中母舰1位于中心位置，子舰2围绕于母舰1周围，而在此所记载的母舰1和子舰2均为四旋翼飞行器；同时，在其上安装有GPS定位模块、角速度模块及单片机；所述GPS定位模块和所述角速度模块分别与所述单片机连接；安装于所述母舰上的单片机与安装于所述子舰上的单片机之间通过ZigBee模块无线通信连接，而安装于所述母舰上的单片机与终端之间通过无线射频模块无线通信连接。

其中，四旋翼飞行器本实施例采用的是质量较轻、能够载重3～4Kg的云中客无人机。GPS定位模块则采用的是高精度10HZ频率GPS北斗模块glonass双模定位，提高了定位精度。角速度模块采用的是三轴陀螺仪加速度计，如MPU6050，该角速度模块整合型6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间；模块采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度；内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。

另外，所记载的单片机则是采用的ST公司生产的STM32F103芯片的单片机。该芯片具有最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ(DhrystONe2.1)。且其提供了丰富的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART，满足装置需求。

而针对，ZigBee模块本实施例则是采用的Zigbee无线串口收发模块，如CC2530数据透传。该模块传输距离可达到1000米，点对点传输带有确认，数据丢失率为0.00％；支持串口不间断发送，双向同时收发；最高可达3300字节每秒的传输速率；适用3.0V～5.5V电压，且按键可配置多对多模式。

此外，无线射频模块则是采用的NRF24L01芯片，能够工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。宽电压工作范围，1.9V～3.6V，输入引脚可承受5V电压输入；低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA；发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm；4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种单片机连接，编程简单。

在以上方案的基础上，进一步的完善是，在子舰上还安装有摄像头、光电传感器和/或红外线传感器；所述摄像头、所述光电传感器和所述红外线传感器与所述单片机连接。通过摄像头、光电传感器及红外线传感器等数据采集器件可以达到大范围，远距离的数据采集。

此外，在母舰1和子舰2上还安装有电源模块，该电源模块可以采用单电源模式，即一个电源既为母舰和子舰供电，又为安装于其上的GPS定位模块、角速度模块、单片机、ZigBee模块和无线射频模块供电；还可以采用双电源模式，即第一电源和第二电源，其中第一电源为母舰1和子舰2供电，第二电源为GPS定位模块、角速度模块、单片机、ZigBee模块和无线射频模块供电。

而第一电源为充电电池，其电压为12V，电流为1200mA。另外，第二电源的电源电压为12V，该电压通过三端电压芯片AMS1117-5.0芯片得到5V直流电源；再通过采用三端电压芯片AMS1117-3.3制作一个3.3V的直流电源。因AD780输入电压为5V，输出电压为2.5V，所以以此作为AD7705的参考电压。第二电源输出的3.3V直流电为GPS定位模块、角速度模块、单片机、ZigBee模块和无线射频模块供电。

首先，使用人员通过手机APP操作界面通过蓝牙控制终端发射无线射频控制母舰和子舰飞行。每个四旋翼飞行器上装有GPS定位模块、角速度模块及单片机，而安装于所述母舰上的单片机与安装于所述子舰上的单片机之间通过ZigBee模块无线通信连接，安装于所述母舰上的单片机与终端之间通过无线射频模块无线通信连接。

通过GPS定位模块、角速度模块和ZigBee模块来对四旋翼飞行器进行编队。每架四旋翼飞行器上装有GPS定位模块和角速度模块，通过这两个模块，能够测得较精确的飞行器坐标值。子舰的当前位置通过(坐标，即XYZ值)ZigBee模块反馈给母舰，当子舰出现偏离时，母舰通过ZigBee无线通信调整子舰上的的角速度模块，从而对子舰的飞行状态进行调整，进而调节子母舰飞行器之间相对位置，从而保持队形。

子舰上所安装的摄像头、光电传感器和/或红外线传感器采集到数据后，子舰将采集的数据通过ZigBee通信传输到母舰，母舰上的单片机模块将子舰的数据和自身采集的数据处理后，通过无线射频模块传到终端，终端通过蓝牙传输到手机。

此外，本实施例还提供了一种基于GPS和ZigBee的四旋翼飞行器编队方法，其步骤流程如图4所示，具体的步骤为：

步骤1：母舰及子舰起飞前的初始化设置，母舰的初始坐标为(a0，b0，c0)，子舰的初始坐标为(e0，f0，g0)；母舰与子舰之间的距离阈值A；

步骤2：控制母舰及子舰起飞至预先设初始的位置；

步骤3：对起飞后的母舰与子舰的当前坐标进行采集，母舰的当前坐标由两部分构成：一部分是GPS定位模块所测量出的坐标(a1，b1，c1)，另一部分是通过角速度模块测得的三轴加速度二重积分得到的位移值(a，b，c)，(a，b，c)通过以下式(1)获得：

(a，b，c)＝[(a1,b1,c1)+(a0+∫∫Axdtdt，b0+∫∫Aydtdt，c0+∫∫Azdtdt)]/2 (1)

式(1)中：Ax、Ay和Az为母舰的三轴加速度，可用三轴加速度传感器测量(如MMA7206)，对加速度对于时间的二重积分就可得到这个时间段内飞行器相对于初始位置飞行了多少距离，加上初始位置坐标，即为当前坐标；由于传感器存在一点误差，为了减少误差，在此，本申请将通过式(1)这个公式计算出来的位置信息与GPS定位模块测量出来的位置信息求平均值；

子舰的当前坐标有两部分构成，一部分是GPS定位模块所测量出的坐标(e1，f1，g1)，另一部分是通过角速度模块测得的三轴加速度二重积分得到的位移值(e，f，g)；

(e，f，g)通过以下式(2)获得：

(e，f，g)＝[(e1,f1,g1)+(e0+∫∫axdtdt，f0+∫∫aydtdt，g0+∫∫azdtdt)]/2 (2)

式(2)中：a_x、a_y和a_z子舰的三轴加速度；可用三轴加速度传感器测量(如MMA7206)，对加速度对于时间的二重积分就可得到这个时间段内飞行器相对于初始位置飞行了多少距离，加上初始位置坐标，即为当前坐标；由于传感器存在一点误差，为了减少误差，在此，本申请将通过式(2)这个公式计算出来的位置信息与GPS定位模块测量出来的位置信息求平均值；

步骤4：子舰采集到的当前坐标发送至母舰，安装于母舰上的单片机以母舰的当前坐标值为基准，计算当前母舰与子舰之间的距离D，通过式(3)获得：

D＝|(a，b，c)-(e，f，g)| (3)

步骤5：将阈值A与差值D进行比较，若A大于D则执行步骤3；若阈值A小于D，则母舰向子舰发送控制指令，调整子舰的飞行状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。