无人机的跟踪组件及数据传输系统的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种无人机的跟踪组件及数据传输系统。

背景技术：

目前，无人机广泛应用于航拍，可以使拍摄角度更加新颖，吸引人，因此受到很多摄像师的追捧。随着世界经济迅速发展，航空技术突飞猛进，对无人机的应用需求越来越广泛。例如，利用无人机拍摄监控救援队无法进入的灾区的受灾情况，此时需要实时获取无人机拍摄的视频数据。然而，目前无人机只能进行近距离通信，也即只能将视频数据传输至近距离范围内的地面设备(遥控器或计算机)，这显然不利于救援行动。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中无人机的视频数据只能进行近距离传输的缺陷，提供一种无人机的跟踪组件及数据传输系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种无人机的跟踪组件，所述跟踪组件包括：跟踪器和控制器；

所述跟踪器和所述控制器电连接；

所述控制器用于获取所述无人机的飞行数据和所述跟踪组件的跟踪数据，并根据所述飞行数据和所述跟踪数据控制所述跟踪器，以跟踪所述无人机。

较佳地，所述跟踪器包括跟踪天线；

所述无人机包括定向天线；

所述控制器包括：imu(惯性测量单元)、计算单元和控制单元；

所述计算单元用于根据所述飞行数据和所述跟踪数据，并基于地心补偿算法计算东北天坐标系下的所述跟踪天线与所述定向天线的向量角度；

所述imu用于测量所述跟踪组件的姿态角；

所述控制单元用于根据所述向量角度和所述姿态角控制所述跟踪器。

较佳地，所述计算单元具体包括：第一计算子单元和第二计算子单元；

所述第一计算子单元用于根据所述飞行数据和所述跟踪数据计算所述无人机与所述跟踪组件之间的距离和高度差值；

所述第二计算子单元用于基于所述地心补偿算法，并根据所述距离和所述高度差值计算所述跟踪天线与所述定向天线在东北天坐标系下的俯仰角和航向角，并用所述俯仰角和所述航向角表示所述向量角度。

较佳地，所述控制单元具体用于根据所述向量角度和所述姿态角进行pid控制运算，并控制所述跟踪器。

较佳地，所述控制单元包括：运算子单元和控制子单元；

所述运算子单元用于根据所述向量角度和所述姿态角生成偏差信号，并对所述偏差信号进行所述pid控制运算，生成控制信号；

所述控制子单元用于根据所述控制信号控制所述跟踪器。

较佳地，所述控制单元还包括：优化子单元；

所述优化子单元用于采用二次型性能指标函数来优化所述pid控制运算的比例系数、积分系数和微分系数。

一种无人机的数据传输系统，所述数据传输系统包括：数据传输组件和上述任意一项所述的跟踪组件；

所述数据传输组件用于在所述跟踪组件跟踪所述无人机时，获取所述无人机的视频数据。

较佳地，所述数据传输系统为双链路系统。

较佳地，所述数据传输系统还包括：通信模块；

所述通信模块用于通过所述双链路系统将所述视频数据和所述飞行数据发送至地面站和/或pc和/或云服务器；

和/或，所述通信模块还用于将接收到的控制指令发送至所述无人机。

较佳地，所述数据传输系统还包括遥控器；

所述遥控器用于生成控制指令并通过所述双链路系统发送至所述无人机。

本发明的积极进步效果在于：本发明实现了对无人机的高精度跟踪，为实现无人机的超远距离、稳定通信提供可能。

附图说明

图1为本发明实施例1的无人机的跟踪组件的模块示意图。

图2为本发明实施例2的无人机的数据传输系统的模块示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例提供一种无人机的跟踪组件，用于实现对无人机的高精度跟踪，如图1所示，该跟踪组件包括：跟踪器11和控制器12。跟踪器11与控制器12电连接。跟踪器包括跟踪天线；无人机包括定向天线。

控制器12用于获取无人机的飞行数据和跟踪组件的跟踪数据，并根据飞行数据和跟踪数据控制跟踪器，实现对无人机的跟踪。

其中，飞行数据包括无人机的gps(全球定位系统)位置信息(例如经纬度)和速度。跟踪数据包括跟踪组件的gps位置信息(例如经纬度)、速度、角速度和加速度。优选地，跟踪组件的角速度和加速度可通过imu获取。

具体的，控制器12包括：采集单元121、计算单元122、控制单元123和imu124。计算单元122和imu124均与控制单元123电连接，计算单元122还与采集单元121电连接。

采集单元121用于采集飞行数据和跟踪数据，并将采集的数据发送给计算单元122。

计算单元122用于根据飞行数据和跟踪数据，并基于地心补偿算法计算东北天坐标系下的无人机的定向天线与跟踪器的跟踪天线的向量角度。

具体的，计算单元包括：第一计算子单元和第二计算子单元。

第一计算子单元用于根据飞行数据和跟踪数据计算无人机与跟踪组件之间的距离和高度差值，计算公式如下：

height_diff＝(aircraft_alt-tracker_alt)；

hori_distance＝sqrtf((aircraft_lat-tracker_lat)²+(aircraft_lon-tracker_lon)²)*l；

第二计算子单元用于基于地心补偿算法，并根据距离和高度差值计算跟踪天线与定向天线在东北天坐标系下的俯仰角和航向角，并用该俯仰角和航向角表示所述向量角度，计算公式如下：

vector_angle＝(pan_bearing，tilt_bearing)；

pan_bearing＝atan2f((aircraft_lon-tracker_lon)*cosf(aircraft_lat)，aircraft_lat-tracker_lat)*r1；

tilt_bearing＝atan2f(height_diff，hori_distance)*r2；

其中，vector_angle表征向量角度，aircraft_alt表征无人机的高度，tracker_alt表征跟踪组件的高度，aircraft_lon表征无人机的经度，aircraft_lat表征无人机的纬度，tracker_lat表征跟踪组件的纬度，tracker_lon表征跟踪组件的经度，r1、r2和l为常量。其中，r1的取值例如可以是0.0174533，r2的取值例如可以是57.295778，l的取值例如可以是1.113195e5。

imu124用于测量跟踪组件的姿态角。具体的，在东北天坐标系(enu)下，融合gps和imu解算跟踪组件的6纬度状态、3轴姿态角(俯仰角pitch、横滚角roll、偏航角yaw)。

控制单元123用于根据向量角度和姿态角控制跟踪器。具体的，控制单元包括：运算子单元、控制子单元和优化子单元。运算子单元用于根据向量角度和姿态角生成偏差信号e(k)，并对偏差信号进行pid控制运算，生成控制信号u(k)。控制子单元用于根据该控制信号控制跟踪器，实现对跟踪器的闭环控制。跟踪器包括2个电机，第一电机用于控制跟踪器的航向，第二电机用于控制跟踪器的俯仰。

当控制跟踪器的航向时，pid控制运算的公式如下：

u(k)＝kp*xc1+ki*xc2+kd*xc3；

xc1＝e1(k)；

xc3＝e1(k)-e1(k-1)；

e1(k)＝pan_bearing-yaw；

当控制跟踪器的俯仰时，pid控制运算的公式如下：

u(k)＝kp*xc1+ki*xc2+kd*xc3；

xc1＝e2(k)；

xc3＝e2(k)-e2(k-1)；

e2(k)＝tilt_bearing-pitch；

其中，u(k)为控制输出量，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，yaw为姿态角的偏航角，pitch为姿态角的俯仰角，k表征离散控制数，k＝1,2,3,…。

而优化子单元采用以下二次型性能指标函数实现对比例系数、积分系数和微分系数的优化：

从而，通过对跟踪器的两个电极进行控制，也即将u(k)作为控制信号输入电机，实现对电机的闭环控制，进而实现对无人机的高精度跟踪。在跟踪过程中，还时刻保持跟踪器的跟踪天线对准无人机的定向天线，为实现无人机的超远距离、稳定通信提供可能。

实施例2

如图2所示，本实施例的无人机的数据传输系统包括：数据传输组件2、通信模块3、遥控器4和实施例1中的跟踪组件1。

数据传输组件2用于在跟踪组件1跟踪无人机时，获取无人机拍摄的视频数据。具体的，数据传输组件为双链路系统。双链路系统包括：900m全向数据链路+2.4g定向视频链路，构成冗余通信链路。900m全向数据链路，传输距离远，数据流量小；2.4g定向视频链路，传输距离短，用定向增程，这样互为备份，保证通信链路通畅。

通信模块3用于将双链路系统获取的视频数据和飞行数据发送至地面站和/或pc和/或云服务器。具体的，该通信模块具备5.8gwi-fi(无线保真)和lte(一种网络技术)功能。5.8gwi-fi作为系统无线接口，可在30m以内无线连接地面站或pc，实现近距离的视频数据和控制指令的传输。lte为系统网络接口，可将视频数据、无人机的飞行数据传至云服务器，做永久性保存，使得地面服务器可以实时访问云数据，实现远距离监控和大数据保存。

其中，控制指令可以是地面站或pc(作为野外飞行工作的指挥平台)生成并发送至数据传输系统的，也可以通过数据传输系统的遥控器生成。通信模块通过双链路系统接收到控制指令时，则将该控制指令发送至无人机，控制无人机实现视频录像、拍照、追踪、变焦、变倍等功能。具体的，通信模块可通过双链路系统将控制指令发送至无人机。

本实施例中，遥控器4具体可采用rc(远程控制)遥控器，数据传输系统还包括linkhub(一种转发器)板信号转换模块，rc信号经过linkhub板信号转换，从900m数据链路和2.4g视频链路同时发出，实现rc数据远距离传输，同时互为备份，提高遥控信号的可靠性。当然，数据传输系统还包括电源、用于视频无线信号传输的图传模块，用于无人机控制信号、状态信号传输的数传模块，此处不再赘述。

本实施例的数据传输系统实现了无人机的超远距离的数据传输，传输距离可达到100km以上，且数据传输系统的跟踪组件跟踪无人机的过程中，跟踪组件的跟踪天线与无人机的定向天线对准，使得无线信号能量利用率保持最高，数据传输稳定性大大提高。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。