无人机智能地面站以及控制无人机的方法与流程

本发明属于无人机控制领域，特别涉及一种无人机的智能地面站和控制无人机的方法。

背景技术：

无人机作为一种性能优越的空中平台，最早用于军事领域。但随着技术的发展和变革，无人机开始在民用领域迅速发展，尤其是在农业植保方面。

无人机是用于无人驾驶飞机，主要是通过地面遥控或gps飞控来作业。无人机作业与传统作业相比，具有作业精准、高效环保等特点，可以节省大量的人力成本。

目前国内无人机作业普遍采用航模遥控器手动控制，其方式是由无人机操作人员（飞手）通过遥控器控制无人机的起降以及一系列动作，这要求飞手必须经过专业训练，且在操控飞机时需要精力高度集中，实时关注周围环境以及无人机的状态，不能有半点懈怠。而且无人机飞行一旦超出视线范围，操控就难以进行，很容易导致无人机坠毁或，并造成巨大的经济损失和安全问题。

近年来随着智能化发展，半自主或全自主飞行无人机开始出现，其所配套的智能地面站对实体控制摇杆的精确度以及舒适度需求开始降低，同时也提出了更多新的需求：

1)地面站必须具有联网功能，可以通过网络与后台服务器进行通信。

2）地面站必须搭载智能系统，以便于增强地面站功能。

3）飞手资质认证。操作无人机是个专业技能，如何在作业前确认操作人员具有操作资质，是一个亟待解决问题。

4）如何评判飞手的工作结果，这个与飞手的植保作业也急需操作人员身份验证信息作为作业结算依据；

5）当出现事故（如坠机）时，如何有效界定是飞手人为原因还是无人机本身受干扰所致，需要提供现场证据。

因此，发明一款适合现有无人机行业需求的智能地面站，势在必行。

技术实现要素：

所要解决的技术问题：

无人机坠毁或失联责任认证问题。这是为无人机减少损失迫切需要解决的问题，也是行业安全飞行的需求。

技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种无人机智能地面站，包括第一cpu、数据传送模块、移动通信模块，第一cpu将操作指令数据通过数据传送模块向无人机发送，还包括nfc模块、教练口和第二cpu，所述教练口和第二cpu连接，所述的第一cpu和第二cpu之间设置分路复用器，所述分路复用器一端分别连接第一cpu和第二cpu，分路复用器另一端连接数据传送模块，所述教练口用于和无人机遥控器连接并采集无人机遥控器的操作指令数据，所述第二cpu接收到教练口的操作指令数据后发送给第一cpu，第一cpu将收到的数据记录和分析。

所述教练口通过ppm协议或sbus协议来接收无人机遥控器的操作指令数据。

所述的nfc模块采用nfc功能的卡模式（cardemulation）。

所述的移动通信模块为wifi或4g网络。

所述的第一cpu为非实时系统，所述第二cpu为实时系统。

本发明还提供了一种无人机智能地面站控制无人机的方法

有益效果：

本发明首先确保无人机操作人员为经过培训的由执照的飞手，同时地面站不但采集无人机的飞行数据，还采集无人机操作人员的操做遥控器的信息，一旦无人机发生事故，可以从操作人员有无飞手执照，操作方式是否正确以及其他问题进行分析，迅速找到问题所在，负责任人所在。

附图说明

图1为本发明的结构传输示意图。

图2为本发明的身份认证有网络下的示意图。

图3位本发明的身份认证无网络情况下的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例来对本发明进行详细说明。

为了解决无人机坠毁或失联责任认证问题，我们首先从无人机的操作人员开始，要保证无人机的操做人员要经过专业的培训，是具有无人机驾驶的执照，这样从源头保证了无人机的飞行安全。所以在无人机智能地面站上设置了身份认证系统。

发明提供了一种无人机智能地面站，包括第一cpu、数据传送模块、移动通信模块，第一cpu将操作指令数据通过数据传送模块向无人机发送，还包括nfc模块、教练口和第二cpu，所述教练口和第二cpu连接，所述的第一cpu和第二cpu之间设置分路复用器，所述分路复用器一端分别连接第一cpu和第二cpu，分路复用器另一端连接数据传送模块，所述教练口用于和无人机遥控器连接并采集无人机遥控器的操作指令数据，所述第二cpu接收到教练口的操作指令数据后发送给第一cpu，第一cpu将收到的数据记录和分析。

近场通信（nfc）是一种短距高频的无线电技术，其基础是rfid及互连技术。在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。目前近场通信已通过成为iso/iecis18092国际标准、emca-340标准与etsits102190标准。nfc有两种模式卡模式或点对点读取模式。

本设备采用了nfc的卡模式（cardemulation）：这个模式相当于一个非接触读卡器，在该模式中，具备读写功能的nfc无人机智能地面站可以从tag中采取数据，然后根据应用要求进行数据处理。

无人机智能地面站中设置nfc模块是用来读取无人机操作人员的身份信息。

本发明中所述教练口在通过来ppm协议或sbus协议接收无人机遥控器行为数据。

ppm即脉冲位置调剂，在上个世纪，航模邻域中主要使用这种信号作为遥控器的主要无线通信协议，后来被用于教练线和模拟器。该信号使用多个脉冲作为一组，并以组为单位周期性发送，通过组内各个脉冲之间的宽度来传输相应通道的舵机控制信息。每个通道信号脉宽0~2ms，变化范围为1~2ms之间。1帧ppm信号长度为20ms，理论上最多可以有10个通道，但是同步脉冲也需要时间，模型遥控器最多9个通道。

sbus即智能总线，该协议有两个特点：一个是数字化，一个是总线化。数字化是指协议使用现有数字通信接口作为通信的硬件协议，使用专用的软件协议，这使得该设备非常适合在单片机系统中使用，也就是说适合与飞控链接。另外在其硬件协议中使用了数据校验增加抗干扰能力。总线化指的是一个数字接口可以链接多个设备，这些设备通过hub与一个s.bus总线连接，并能够得到各自的控制信息。

无人机智能地面站上设置身份认证系统，在通过身份认证才可以对无人机进行操作，解决操作人员的问题，无人机发生事故时，无法判断是否飞手的操作问题引起的，责任上还是难以确定，于是在地面站上设置了教练口和第二cpu，这个教练口是用来连接无人机遥控器的，对无人机不进行任何控制，只是用于采集无人机遥控器的行为数据，比如遥控器手柄向左，向右等类似指令数据，教练口采集了无人机遥控器的指令数据后传输到第二cpu，第二cpu再将数据传给第一cpu，第一cpu将指令数据记录同时也讲指令数据通过数据传送模块发送给无人机，最终无人机将飞行数据通过数据传送模块发送到第一cpu或者第二cpu将操作指令通过数据传送模块发送给无人机，无人机按照操作指令飞行，同时第二cpu将无人机遥控器的所有操作指令发送到第一cpu，第一cpu将所有操作指令记录保存，无人机将实际运行轨迹、飞行速度、高度、姿态信息通过数据传送模块传输到第一cpu，第一cpu记录保存。

这样第一cpu中记录了飞手的操作动作，记录了无人机飞行的数据，当出现无人机事故时，通过数据的分析，可以判断出是否是飞手的操作问题还是其他问题。本发明很好了解决了责任认定的问题。

第一cpu的工作为记录无人机遥控器的指令数据，分析无人机遥控器的指令数据，接收无人机的飞行收据，记录无人机的飞行数据，分析无人机的飞行数据，飞行数据包括实际运行轨迹、飞行速度、高度、姿态信息等信息。在这种情况，第一cpu采用非实时系统，在第一cpu的工作状态下，从无人机遥控器做出控制行为到第一cpu发送行为数据到无人机就存在一个延时，由于这个延时的存在，会导致突发情况下，飞手及时反应，作为紧急措施，但指令到达无人机时，已经导致事故，所以尽管延时无法避免，但缩小延时有着很重要的意义。

由于设置了mux（分时复用器）。在这种结构下，第二cpu在收到无人机遥控器行为数据的情况下通过分时复用器直接通过数据传送模块传输到无人机，这样不需要再通过第一cpu通过数据传送模块到无人机，减少了延时。

第二cpu的任务简单，因此不需要操作系统层，处理代码直接访问硬件，从而保证响应的实时性。在本专利中第二cpu采用定时系统。只负责传送数据到第一cpu和发送行为数据信号到无人机。

本发明的无人智能地面站的控制无人机的方法，包括以下步骤：第一步：身份认证，只有通过身份认证了才能操作地面站控制无人机飞行；第二步：控制无人机飞行有三种模式：自动模式、半自动模式和手动模式，在自动模式下，无人机智能地面站将预先设置好的任务路线、飞行速度由第一cpu通过数据传送模块发给无人机，无人机上通过数据传送模块接收后执行任务，；半自动模式下，无人机智能地面站的第一cpu对接收到的无人机遥控器的行为预先设置，飞手操纵无人机遥控器，第二cpu通过教练口采集到所有的操作指令信息传输到第一cpu，第一cpu根据无人机遥控器的行为对应的预先设置，通过数据传送模块发送指令给无人机；在手动模式下，飞手操纵无人机遥控器，所有的操作指令信息通过教练口传输到第二cpu，第二cpu将操作指令通过数据传送模块发送给无人机，无人机按照操作指令飞行，；第三步：无人机将实际运行轨迹、飞行速度、高度、姿态信息通过数据传送模块传输到第一cpu记录保存。

半自动模式和手机模式相比不同的是，智能地面站对无人机遥控器的操作动作进行预设，比如，操作手柄控制飞机向左飞一定距离，操作手柄，到达一定距离后，松开，这样存在一问题，不能精确的操作，智能地面站通过|cpu对左飞的动作进行预设，手柄向左动一下，无人机向左移动确定的距离，这样就能够精确的控制。无人机植保的半自动模式主要是由飞机上的飞控和遥控器联合控制，事先将一些预设参数包括地块测绘信息、无人机飞行速度、高度、流量、喷幅等，这些预设参数发送到飞控，由飞控去控制。遥控器在喷洒过程中只需要向前推杆喷洒，向右推杆一下即可。期间飞控会回传无人机植保的状态信息。

所述的身份认证的方法为：nfc模块将读取的无人机操作人员第二代身份证的加密数据后，通过硬件连接线将数据发送到第一cpu,第一cpu再根据需求将认证请求通过移动通信模块发送身份证数据库服务器进行解密数据解码，身份证数据库服务器接收到解密请求后，将解密出的用户的身份证号码，通过移动通信模块发送到无人机智能地面站，无人机地面站接收到解密出的用户身份证号码后，再由第一cpu通过移动通信模块向无人机飞手数据库服务器发送身份证号码进行业务请求，无人机飞手数据库服务器将接收的身份证号码与飞手信息进行匹配，然后通过移动通信模块将匹配结果反馈给地面站，地面站接收到结果后给出通过或拒绝的反应。

所述身份认证在无网络的情况下，nfc模块读取第二代身份证信息与加密信息后与本地数据库进行对比，如发现有匹配的数据，认证通过，没有匹配的数据，认证不通过。

所述的本地数据库的取得为在有网络的情况下首先将飞手号码下载到无人机智能地面站中，然后用户刷第二代身份证，联网信息验证通过后，得到第二代身份证号码，将读取到的身份证信息、加密信息和对应飞手的号码存储在无人机智能地面站中得到本地数据库。在手动模式下，能够训练出智能飞机控制模型，步骤如下，地面站通过教练口完整地收集到飞手的操作指令信息，同时，无人机将它的状态实时传回地面站，所述无人的状态包括无人机的位置、高度、姿态、航向、速度、喷洒量、相对高度，在某一时刻t0，地面站收集到的无人机状态s，收集到飞手的操作行为a，根据教练口传输延时t1和数传传输延时t2，可以得到s的发生时间为ts=t0-t2，a的发生时间为ta=t0-t1，取同一时刻（ts=ta）的飞机状态和飞手操作的数据建立集合(a,s)，建立一个飞手操作学习网络，把这个数据集合作为训练数据导入网络，当数据足够多时，就训练出一个智能飞机控制模型。

所述的智能飞机控制模型具有以下作用：

训练飞手用：根据当前无人机的飞行状态判断新飞手的操作是否得当，如果出现危险操作地面站则强制切断新飞手的遥控信号，控制无人机平稳悬停或降落；如果出现不合理的操作，地面站可根据具体情况给飞手打分，作为飞手考核的依据；

安全方面考虑:在半自动和自动工作模式下作业时，若教练接口出现断链情况，地面站可以根据之前学习的植保数据判断给出正确的操作指令，纠正无人机的状态；自动模式下植保作业，遇到特殊情况，地面站能根据无人机当前的状态信息给出正确的纠正指令，如遇突然的大风，地面站判断无人机状态有危险，给出悬停或降落的指令；

责任认定方面：在无人机出现事故后，在事故发生的时间段，查看飞机的状态信息，及对应飞手的操纵信息，判断是否是人为原因导致事故的发生。