一种可对多架无人机飞行控制的地面控制系统的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种可对多架无人机飞行控制的地面控制系统。

背景技术

随着现代科技的深入发展和各国军事理论的不断壮大，无人机的应用已经成为当今研究热点之一。目前单无人机的地面站控制也日趋成熟，主要功能是监测和控制无人机的飞行过程、飞行航迹、有效载荷、通讯链路等，并对一些故障予以及时警报并采取相应的诊断处理措施。

随着应用场景的不断扩大复杂，一些特殊的任务需要多架无人机进行编队协同完成，比如在复杂的地形和环境下进行多目标的跟踪。在多无人机应用场景中，需要汇集每个无人机的状态信息，并按照任务需求对多无人机进行协同控制，分配不同的任务给每架无人机。多无人机编队飞行也逐渐成为国际军事研究的热点之一，但是支持多无人机编队飞行的地面站平台却不多见。

目前市场上绝大多数的无人机均采用远程遥控来指挥其飞行，不能称之为真正的无人机。真正的无人机必须能够实现自主飞行任务，在人为设定起点、终点以及分配各种任务之后指令后，无人机能够自行的起飞降落执行任务，并且无人机的自主飞行是无人机编队飞行的基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可对多架无人机飞行控制的地面控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可对多架无人机飞行控制的地面控制系统，包括多无人机飞控导航平台、地面站软件控制平台以及遥控器辅助模块，所述多无人机飞控导航平台包括多架不同类别的无人机，其中所述多无人机飞控导航平台进一步包括：

飞行控制增稳模块，用于搜集机身各种姿态数据，并且接收来自于地面站或者遥控发来的控制指令，对机身各种姿态数据以及遥控指令进行混合处理，以解除无人机自身各个机械结构之间的物理耦合性、非线性等不良的物理特性，并且使得无人机在外部扰动作用下保持无人机平稳飞行；

避障模块，包括环境信息实时检测模块、障碍物数据分析处理模块和避障决策模块，根据障碍物数据分析处理模块，所述环境信息实时检测模块采用多传感器融合技术实现对周围的环境进行实时检测并将检测到的信息传输至障碍物数据分析处理模块，所述障碍物数据分析处理模块对接收的周围的环境信息进行环境结构感知构建确定所处的障碍物，所述避障决策模块根据障碍物数据分析处理模块的输出结果确定避障决策，通过驱动动力系统实现无人机对周围障碍物的躲避；

跟踪识别模块，包括陀螺稳定转台、光学跟踪设备和红外跟踪设备，所述光学跟踪设备和红外跟踪设备分别安装于陀螺稳定转台上，所述光学跟踪设备用于拍摄可见光图像，对无人机进行有效的识别和跟踪，所述红外跟踪设备用于在黑夜下的识别和跟踪，所述光学跟踪设备采用37倍连续变焦高清晰度电视摄像机，所述红外跟踪设备采用高分辨率红外热成像仪；

传感器检测模块，用于感知机身飞行信息与外界环境信息，所述传感器检测模块包括三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪、气压高度计和温度传感器；

桨叶电机输出模块，用于执行飞行控制增稳模块解算出的控制指令，其中包括常用无人机使用的无刷电机、舵机、电调、齿轮传动机构，本模块不仅限于电机桨叶，也可以是机身附带的指示性灯具一系列的输出机构；

数据解析封装模块b，所述数据解析封装模块主要有两个功能，第一对无人机飞行状态数据进行滤波解析处理，第二对滤波处理的进行通信协议的数据封装，以保证多无人飞控导航平台与地面站软件控制平台数据通信的正确性；

无线数据传输模块，所述无线数据传输模块主要用于多无人飞控导航平台与地面站软件控制平台数据通信以及任意两架无人机之间的数据通信，本系统为每架无人机配置无线数据传输模块用于编队协同任务；

gps/ins组合导航模块，所述gps/ins组合导航模块用于精确的测量每架无人机的gps位置；

所述地面站软件控制平台进一步包括：

交互式用户指令输入模块，所述交互式用户指令输入模块用给整个无人机协同控制系统布置任务，并且在飞行前期需要对每架无人机进行系统参数配置，系统参数具体包括每架无人机编队飞行的最小安全距离、飞行器自身参数设定；

状态与地图显示模块，所述状态与地图显示模块其中状态显示功能是根据自定义数据帧格式对接收数据进行解析后将无人机机身姿态角及其变化率、无人机位置信息、地速、航向信息、飞行高度、控制输入量，以数字或图表形式进行显示，地图显示功能利用百度地图api接口实现地面站与无人机数据通信能在地图上清楚显示无人机具体gps位置；

任务分配协同控制模块，所述任务分配协同控制模块接收分析地面站软件平台任务分配总任务后，生成所在无人机相应的语义层控制指令，所述任务分配协同控制模块采用分布式多无人机编队控制方法，即在地面站软件控制平台上此模块事先分配好每架无人机的任务由无线数据传输模块传输给每架无人机；

数据解析封装模块a，所述数据解析封装模块a主要对任务协同控制模块输出的只能进行通信协议的数据封装，以保证无人飞行控制导航平台与地面软件平台数据通信的正确性；

警示报警模块，所述警示报警模块指多架无人机其中一架出现了故障，提醒人们使用切换权限，人为操控自主飞行的无人机返航；

数据存储回放模块，所述数据库存储模块用于存储飞行器飞行数据以及用户配置的参数，以便飞行结束后进行数据分析；

遥控器辅助模块，所述遥控器辅助模块用于当无人机进行自主编队飞行的时，若其中一架无人机出现了故障，用户进行切换权限操作，人为操控无人机返航。

进一步的，所述环境信息实时检测模块包括超声波装置、毫米波雷达、惯性传感器及双目机器视觉系统。

进一步的，使用2.4ghznfr24l01无线数据传输模块，扩大的无人机通信距离，并且所述每架多无人机飞控导航平台通过地面站人为的配置设备地址号码，利用设备地址号码进行精确的识别每架无人机。

进一步的，所述的所述地面站软件控制平台还包括：初始化模块，所述初始化模块用于：为系统中每架无人机分配资源；初始化所述地面控制中心与多个所述无人机的无线通信端口；向多个所述无人机发送测试数据包，测试连接是否正常；在确定所述地面控制中心与多个所述无人机连接正常后，初始化其他功能模块。

进一步的，所述飞行控制模块采用微型控制芯片stm32f407作为主控制器，搭载标准稳压电路、光电隔离电路、led警示电路、存储电路。

进一步的，所述地面站软件控制平台基于labview图形化编程软件与matlab软件结合开发，通过.dll文件调用matlab开发的算法应用程序，并使用labview的vasa接口与百度地图api接口实现地面站与无人机数据通信与定位窗口显示。

进一步的，用户交互输入模块输入的飞行指令包括自主起飞、定高、定点、自主悬停、定点巡航、航线飞行、自主返航、自主降落，需先输入指令参数如飞行高度、指定位置及航线经纬度。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)、易于实施性，本发明提出的一种支持多无人机自主飞行的地面站控制系统具有清晰明了的系统架构方法，不管是软件还是硬件，利用现成的技术均可以在一定的时间内进行实现。

2)、应用范围广，本发明的多无人机飞控导航平台可以适用于任何的无人机，可实施不同种类的无人机扩展。

3)、稳定性好，本发明地面站软件平台和无人机导航控制平台，两者信息反馈形成反馈闭环控制系统，确保多无人机自主飞行任务的稳定高效执行。

4)、本发明支持多无人机编队协同任务控制航迹规划功能，并且支持权限切换，设置有避障模块可有效减少自主飞行时由于地面站和无人机通信引起的坠机事故。

5)、设置有跟踪识别模块能够对探测的无人机进行追踪，追踪效果更好。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种可对多架无人机飞行控制的地面控制系统，包括多无人机飞控导航平台、地面站软件控制平台以及遥控器辅助模块，所述多无人机飞控导航平台和地面站软件控制平台之间通过无线数据传输模块a1-an以及b1-bn进行通信连接；

所述多无人机飞控导航平台包括多架不同类别的无人机，其中所述多无人机飞控导航平台进一步包括：飞行控制增稳模块，用于搜集机身各种姿态数据，并且接收来自于地面站或者遥控发来的控制指令。对机身各种姿态数据以及遥控指令进行混合处理，以解除无人机自身各个机械结构之间的物理耦合性、非线性等不良的物理特性，并且使得无人机在外部扰动作用下保持无人机平稳飞行；避障模块，包括环境信息实时检测模块、障碍物数据分析处理模块和避障决策模块，根据障碍物数据分析处理模块，所述环境信息实时检测模块采用多传感器融合技术实现对周围的环境进行实时检测并将检测到的信息传输至障碍物数据分析处理模块，所述障碍物数据分析处理模块对接收的周围的环境信息进行环境结构感知构建确定所处的障碍物，所述避障决策模块根据障碍物数据分析处理模块的输出结果确定避障决策，通过驱动动力系统实现无人机对周围障碍物的躲避；跟踪识别模块，包括陀螺稳定转台、光学跟踪设备和红外跟踪设备，所述光学跟踪设备和红外跟踪设备分别安装于陀螺稳定转台上，所述光学跟踪设备用于拍摄可见光图像，对无人机进行有效的识别和跟踪，所述红外跟踪设备用于在黑夜下的识别和跟踪，所述光学跟踪设备采用37倍连续变焦高清晰度电视摄像机，所述红外跟踪设备采用高分辨率红外热成像仪；传感器检测模块，用于感知机身飞行信息与外界环境信息；包括了三轴加速度计、三轴磁力计、三轴陀螺仪、气压高度计、温度传感器、视频图像传感器、gps；桨叶电机输出模块，用于执行飞行控制增稳模块解算出的控制指令，其中包括常用无人机使用的无刷电机、舵机、电调等输出模块，本模块不仅限于电机桨叶，也可以指灯等一系列的输出机构；数据解析封装模块b1-bn、所述数据解析封装模块主要有两个功能，功能一、对无人机飞行状态数据进行解析滤波处理，功能二、对滤波处理的进行通信协议的数据封装，以确保无人飞行控制导航平台与地面软件平台数据通信的正确性；无线数据传输模块，所述无线数据传输模块主要用于无人飞行控制导航平台与地面软件平台数据通信以及任意两架无人机之间的数据通信。本专利中为每架无人机配置无线数据传输模块用于编队协同任务；多无人机飞控导航平台采用微型控制芯片stm32作为主控制器，搭载标准稳压电路、光电隔离电路、led警示电路、存储电路。

本发明中，整个多无人机飞控导航平台以飞行控制增稳模块为核心，其他各个模块的信息均需要汇总至飞行控制增稳模块。无线数据解析模块将地面软件控制平台的控制指令分别送给飞行控制增稳模块和gps/ins组合导航模块，gps/ins组合导航模块接收到地面站预设的gps位置信息与自身现在所在的位置信息之间的误差信号，将误差信号输入到飞行控制增稳模块，飞行控制增稳模块根据内置程序做出分析输出控制指令，来控制桨叶电机输出执行模块，从而达到改变无人机自身姿态、高度、航向等参数。同时系中的传感器检测模块实时检测无人机的飞行各项指标参数，实时的反馈给飞行控制增稳系统以及地面站软件控制平台用以显示无人机的飞行状况。如果地面站软件控制平台下达了协同编队飞行任务，则任务分配协同控制模块也将控制信息传递给飞行控制增稳模块。整个飞行导航控制平台，内部各个模块相互作用形成一个良好的闭环控制系统，提高的本发明的稳定性、实时性。

所述地面站软件平台进一步包括：交互式用户指令输入模块，所述交互式用户指令输入模块用来给整个无人机协同控制系统分配任务，并且在飞行前期需要对每架无人机进行系统参数配置，系统参数具体包括每架无人机编队飞行的最小安全距离、飞行器自身参数设定；状态地图显示模块，所述状态地图显示模块用于显示无人机飞行参数和自身参数等信息以便人们能够直观的观测无人机的真实飞行状态。地图显示功能利用百度地图api接口实现地面站与无人机数据通信能在地图上清楚显示无人机具体gps位置。任务分配协同控制模块，所述任务分配协同控制模块根据用户在输入模块中输出的任务分配总任务，生成每架无人机相应的语义层控制指令；数据解析封装模块a、所述数据解析封装模块主要对任务协同控制模块输出的只能进行通信协议的数据封装，以保证无人飞行控制导航平台与地面软件平台数据通信的正确性；警示报警模块，所述警示报警模块指多架无人机其中一架出现了故障，提醒人们使用切换权限，人为操控自主飞行的无人机返航；数据存储回放模块，所述数据库存储存储模块用于存储飞行器飞行数据以及用户配置的参数，以便飞行结束后进行数据分析。地面站软件平台基于labview图形化编程软件与matlab软件结合开发，通过.dll文件调用matlab开发的算法应用程序，并使用labview的vasa接口与百度地图api接口实现地面站与无人机数据通信与定位窗口显示。

本发明中，地面站软件平台的一部分模块存在于软件的后端底层，一部分存在于软件的前端。例如用户指令输入模块、状态地图模块、警示报警模块就是在软件的前端，而任务分配合同控制模块数据解析封装模块数据存储模块就是在软件底层后端。地面站软件控制平台主要是用户来输入自己想要的控制指令，以及直观的观察无人机的飞行状态指标。用户交互输入模块在录入输入指令之后一部分将用户输入的指令显到状态、地图显示区域，其二将指令输入到任务分配协同控制模块。任务分配协同控制模块a针对用户输入的指令生成所在无人机相应的语义层控制指令，将语义层控制指令传递给数据解析封装模块a。另外，对于飞行导航控制平台发送过来的反馈指令数据封装解析模块a将数据解析后发给任务分配协同控制模块a，以供任务分配协同控制模块a做出准确的控制决策。整个地面软件控制平台的数据均保存在数据存储回放模块。

在本发明的地面软件控制平台还包括初始化模块，初始化模块用于在开始时为每个无人机分配资源；初始化地面控制中心与多个无人机的无线通信端口；向多个无人机发送测试数据包，测试连接是否正常；在确定地面控制中心与多个无人机连接正常后，初始化其他功能模块。

综上，本发明提出的一种支持多无人机自主飞行的地面站控制系统，地面软件控制平台通过无线链路与不同种类无人机建立通信连接，对应不同种类的无人机设计相应的数据封装解析模块b1-bn接收外界用户输入的控制信息，由任务分配协同控制模块a根据需求设计无人机协同控制策略生成语义层次的协同控制命令，通过无线链路发送给多个不同种类的无人机，从而达到支持多无人机平台自主飞行控制的目的。通过gps/ins组合导航模块获取多个无人机的位置信息，对无人机飞行位置进行监督。本发明提出的系统至少具有一下几个优点。

易于实施性，本发明提出的一种支持多无人机自主飞行的地面站控制系统具有清晰明了的系统架构方法，不管是软件还是硬件，利用现成的技术均可以在一定的时间内进行实现。

应用范围广，本发明的多无人机飞控导航平台可以适用于任何的无人机，可实施不同种类的无人机扩展。

稳定性好，本发明地面站软件平台和无人机导航控制平台，两者信息反馈形成反馈闭环控制系统，确保多无人机自主飞行任务的稳定高效执行。

下面结合具体的实例实验来介绍本发明的应用，该实验中，地面站软件平台在pc端采用基于labview图形化编程软件与matlab软件结合开发。以实验室的小型无人直升机作为无人机1，实验室的四旋翼无人直升机为无人机2。每架无人机均携带有无线数据传输模块，在电脑地面站软件平台也配置两个无线数据传输模块。待电脑端设置好两个互相通信的无线数据传输模块后，无人机1、无人机2开始与pc端无线数据传输模块进行自动匹配。

开启控制程序后，地面站软件控制平台的初始化模块开始工作，具体地，初始化模块首先为无人机1，无人机2，随后初始化状态、状态地图显示模块，建立并测试每个无人机与地面站软件控制平台之间的通信链路,初始化各类无人机数据解析与封装模块、飞行控制增稳模块；初始gps/ins组合导航模块，初始化任务分配协同控制模块，传感器检测模块，等待用户下一步输入。

当自检完成之后，用户需要对每架无人机乃至整个无人机自主飞行编队参数的设置。这些参数包括没有进行任务作业时飞行的阵型、两架无人机之间的安全距离以及配置每架无人机的飞机类型结构尺寸参数等。最后还需要配置，无人机的起飞方式、起飞次序、降落方式、降落次序等参数。配置完参数，通过无线数据传输模块将参数写入到飞行导航控制平台硬件。

当用户输入的是编队飞行，协同避障，协同跟踪目标等指令，任务分配协同模块根据具体的任务和无人机的状态，生成对总体任务拆分为针对每一个无人机的任务。例如协同跟踪地面运动物体的飞行任务，任务分配协同模块针对当前编队飞行的状态以及跟踪目标的速度进行任务分配，如让两架无人机分布于不同的高度，无人机1处于较高位置以获取较大的视野范围，不会发生跟踪目标丢失的情况，无人机2可以处于较低位置的无人机以获取较高位置的无人机对目标的定位信息进行近距离的细节观察，并且可以在目标丢失的情况下再次获得目标位置，从而到达对目标的鲁棒跟踪，并可以获取跟踪目标的细节信息。接下来任务分配协同模块将任务转化为对每一个无人机的语义层指令。例如，例如协同跟踪地面运动物体的飞行任务，该语义层的指令就包含对无人机的路径控制指令和速度控制指令，从而使得跟踪目标始终处于视野范围内。

当飞行控制增稳模块接收到地面站软件控制平台的任务分配协同模块的指令后，在保持无人机稳定飞行的条件下驱动外部桨叶及舵机等执行机构完成飞行任务。与此同时飞行导航控制平台上的传感器检测模块实时检测飞机飞行状态信息，并将飞机飞行状态信息一方面反馈给飞行控制增稳模块形成反馈系统，另一方面将数据通过无线数据传输模块传送给地面站软件平台。

地面站软件控制平台打开数据解析封装模块a，接收并解析飞行导航控制模块发来的数据，这些数据包中包含的惯性导航信息，进而显示在地面控制系统屏幕上。无人机的惯性导航数据更新频率约为200hz，包含的无人机的飞行状态信息(如起飞、悬停和降落等)、飞行器电池电量信息、三轴方向的速度信息、三轴方向的加速度信息、飞行高度信息(由机载超声波测距仪提供)、三轴陀螺仪输出数据等。当无人机进行自主编队飞行的时，如果其中一架出现了故障，人们使用切换权限指令，人为操控自主飞行的无人机返航。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。