基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)及其巡航方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)，包括Pixhawk飛行控制器、傳感器系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)，用于測量無人機飛行時的飛行信息和圖像信息，并將飛行信息傳輸至Pixhawk飛行控制器，圖像信息傳輸至數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用于接收遙控器的控制信息并傳送至Pixhawk飛行控制器對無人機進行控制，用于從Pixhawk飛行控制器及傳感器系統(tǒng)中讀取無人機飛行信息、圖像信息并實時傳輸至地面站；飛行控制系統(tǒng)，用于接收Pixhawk飛行控制器的控制信息，并對無人機進行控制。本發(fā)明可改善小型無人機難以操縱的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了無人機的自動飛行、自動導航、自動返航，降低了無人機操控手的培訓成本和利用無人機進行偵查的難度。
【專利說明】
基于P i xhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)及其巡航方法
技術領域
[0001]本發(fā)明主要涉及無人機自動巡航技術領域，具體是基于Pixhawk飛控的無人機自 動巡航系統(tǒng)及其巡航方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科技的發(fā)展，無人機技術開始飛速發(fā)展并且得到了廣泛的運用。無人機由于 體型較小，飛行高度較低，同時相對大型偵察機較為靈活，因此在短程的偵察中有著先天的 優(yōu)勢。美軍已經(jīng)提出21世紀的空中偵察系統(tǒng)應主要由無人機組成。
[0003] 無人機飛行，往往需要有一名操控手對著飛機上攝像頭實時傳回的畫面持續(xù)控制 才能進行，對飛行的環(huán)境要求非?？量蹋麸w行距離過遠或有信號干擾，極易造成飛機墜 毀。而自動巡航無人機只需要在地面站設置航點，飛機就能夠自動飛行前往偵察目標，其間 不需要實時的畫面?zhèn)鬏敚踔量刂菩盘杹G失后飛行器也能繼續(xù)完成偵察任務，并自動返航。 這一特性能夠大大降低操控手的培訓成本，增加了偵察半徑，同時一名操控手可以同時駕 駛多架無人機進行偵察，提高了偵察效率和偵察成功率。因此，能夠使無人機進行穩(wěn)定自動 巡航的系統(tǒng)是本領域技術人員亟需解決的技術問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決目前技術的不足，本發(fā)明結合現(xiàn)有技術，從實際應用出發(fā)，提供一種基于 Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)及其巡航方法，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠使無人機在設定 路線上進行自動巡航。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] 基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)，包括Pixhawk飛行控制器、傳感器系統(tǒng)、 飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，
[0007] 傳感器系統(tǒng)，用于測量無人機飛行時方向、速度、加速度、位置、高度的飛行信息和 圖像信息，并將飛行信息傳輸至Pixhawk飛行控制器，圖像信息傳輸至數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；
[0008] 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用于接收遙控器的控制信息并傳送至PiXhawk飛行控制器對無人 機進行控制，用于從Pixhawk飛行控制器及傳感器系統(tǒng)中讀取無人機飛行信息、圖像信息并 實時傳輸至地面站；
[0009] 飛行控制系統(tǒng)，用于接收Pixhawk飛行控制器的控制信息，并對無人機的油門、副 翼舵機、方向舵機、升降舵機進行控制。
[0010] 傳感器系統(tǒng)包括GPS傳感器、陀螺儀、高度傳感器、電子羅盤、攝像頭、光流相機， GPS傳感器用于測量無人機位置信息，陀螺儀、電子羅盤用于測量無人機飛行方向、速度、加 速度信息，高度傳感器采用氣壓計并與光流相機結合測量無人機飛行高度，攝像頭用于采 集無人機飛行時畫面的圖像信息。
[0011]數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括接收機、數(shù)傳模塊、圖傳模塊，接收機與遙控器配對，并將遙控 器信息傳送至Pixhawk飛行控制器，數(shù)傳模塊從Pixhawk飛行控制器中讀取無人機飛行時的 方向、速度、加速度、位置、高度信息并傳輸?shù)降孛嬲?，圖傳模塊用于接收攝像頭采集的圖像 信息并傳輸?shù)降孛嬲尽?br>[0012] 傳感器系統(tǒng)還包括空速儀，用于測量無人機的空速狀態(tài)。
[0013] 本無人機通過高度控制油門、空速控制升降舵的方式保持預定高度和空速飛行， 控制方式如下：
[0014] 無人機在飛行過程中，當高度低于目標高度時，Pixhawk飛行控制器會控制無人機 油門加大從而使空速加大，然后再拉升升降舵機，使無人機爬升；
[0015] 無人機在飛行過程中，當高度處于目標高度但空速高于目標空速時，Pixhawk飛行 控制器直接控制拉升升降舵機，使無人機爬升降低空速，當空速低于目標空速后，Pixhawk 飛行控制器推動升降舵機使無人機降低高度。
[0016] 本無人機通過目標航向角和偏航距相結合的方式飛往目標，其具體方式如下：
[0017] 通過GPS傳感器提供的信息，利用程序解算無人機當前位置和目標位置的關系，得 到航向角，利用程序解算無人機當前位置點到航線的距離得到偏航距，把航向角和偏航距 組成導航航向角提供給Pixhawk飛行控制器，Pixhawk飛行控制器將控制信息傳輸至飛行控 制系統(tǒng)控制無人機飛往目標。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] 本發(fā)明采用Pixhawk飛行控制器可以使無人機實現(xiàn)飛行增穩(wěn)的功能，Pixhawk飛行 控制器具有開源性可以自由的搭載不同的傳感器模塊對無人機進行監(jiān)測，通過一定的算 法，使無人機能夠在地面站的監(jiān)控下實現(xiàn)自動飛行，自主避障礙；自動導航前往確定目標， 進行拍照、錄像等偵查活動，并將視頻實時傳輸?shù)降孛嬲?任務完成后自動返航等功能，在 無人機執(zhí)行任務時，通過地面站可以方便的對無人機位置、速度、高度、電量等信息進行監(jiān) 控，并能實現(xiàn)任務目標更改、任務中斷等操作。
【附圖說明】
[0020] 附圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)總體框架圖。
【具體實施方式】
[0021] 結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。應理解，這些實施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域 技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書 所限定的范圍。
[0022] GPS傳感器、陀螺儀、高度傳感器、電子羅盤、攝像頭、光流相機 [0023]本發(fā)明中使用的Pixhawk飛控是一款使用NuttX實時操作系統(tǒng)的兼容Arduino平臺 的開源的，多功能的車、船、航空模型控制器，可以實現(xiàn)飛行增穩(wěn)等功能。由于飛控的開源 性，因此可以相對自由的搭載不同的傳感器模塊，通過不同的程序和算法，實現(xiàn)不同的功 能。Pixhawk內(nèi)置3軸數(shù)字16位陀螺儀、電子羅盤、高度傳感器、能夠對飛行器的運動狀態(tài)，飛 行方向，速度，加速度等數(shù)據(jù)進行測量，這些數(shù)據(jù)對于飛行操控相當重要，集成在飛控之中 能夠增加集成度，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和發(fā)生錯誤的幾率。GPS傳感器用于對本無人機進行定 位。本發(fā)明中的高度傳感器采用的是高精度氣壓計，內(nèi)置在Pixhawk飛行控制器中，由于不 同海拔高度氣壓不同，因此通過對氣壓的測量，可以對無人機飛行的海拔高度進行估算。然 而由于空氣流動會造成氣壓的輕微變化，加上地面地形會有起伏變化，因此氣壓計無法得 到無人機相對于地面的準確高度。本發(fā)明采用增加光流相機的方法(配備聲納儀）以輔助無 人機定高，其主要在無人機起飛、降落階段精確測量對地高度，確保無人機正常、起飛降落。
[0024] 本發(fā)明中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括接收機、數(shù)傳模塊、圖傳模塊，其中接收機遙控器配 對，可以對無人機進行控制，當自動飛行程序出錯時可以直接對無人機進行控制，防止發(fā)生 墜機;數(shù)傳模塊可以從飛控中讀取飛機的航向、速度、位置，高度，等信息，并實時傳輸?shù)降?面站。可以在地面站上對無人機的飛行狀態(tài)進行監(jiān)控；圖傳模塊可以將無人機機載攝像頭 拍攝到的畫面實時傳輸回地面站，并顯示出來。
[0025] 要想讓無人機在預定高度飛行，飛控必須控制好無人機的升降舵和油門，固定翼 的升降舵和油門控制方式主要有兩種:高度控制油門，空速控制升降舵，另一種是高度控制 升降舵，空速控制油門。由于飛行器在高空時由氣壓計計算得到，并不是十分準確，而空速 可以由GPS、空速儀分別測得，因此本發(fā)明采用的是高度控制油門，空速控制升降舵的方式。 在無人機飛行過程中，如果高度低于目標高度，飛控就會控制油門加大，從而導致空速加 大，然后才導致拉升降舵，無人機爬升;若是無人機在目標高度，但是空速高于目標空速，這 種情況飛控會直接拉升降舵，使無人機爬升，降低空速，但是高度增加后，飛控會減小油門， 導致空速降低，空速低于目標空速后，飛控推動升降舵機，導致無人機降低高度。這種控制 方式的好處是，無人機始終以空速為第一因素來進行控制，因此保證了飛行的安全，特別是 當發(fā)動機熄火等異常情況發(fā)生時，使無人機能繼續(xù)保持安全，直到高度降低到地面。
[0026] 要使飛機飛往目標，那就必須知道飛機當前位置、目標位置和當前航向等問題， GPS模塊能夠提供飛機當前經(jīng)煒度信息，航跡方向和地速信息。根據(jù)這些信息，再用程序解 算飛機當前位置和目標位置的關系，就能知道目標航向角，知道了目標航向角后就可以用 于引導飛機飛向目標。但是僅用目標航向角進行導航，不能壓航線飛行，為了解決這個問 題，本發(fā)明中又增加了偏航距的計算，并且根據(jù)偏航距，計算出需要的偏航修正量 crosstrack_error*g. crosstrack_gain，使飛機能盡快飛到航線上，最后把目標航向角和 偏航修正量組成導航航向角，提供給控制級PID。
[0027] 一般GPS信息的刷新率為10~15HZ。所以，計算目標航向角和偏航修正量的程序都 在每秒大約執(zhí)行10次的medium_loop()中。在medium_loop()的case 1中會執(zhí)行navigate O，正是在這個函數(shù)中，執(zhí)行了導航航向角nav_bearing的計算。
[0028]首先計算的是目標航向角，在navigateO中有： { target_bearing= get_bearing(&current_1oc, &next_WP);
[0029] nav_bearing = target_bearing; }
[0030] 接下來，要計算偏航修正量，navigateO調(diào)用update_navigation()調(diào)用
[0031 ] verify_commands()調(diào)用verify_nav_wp()調(diào)用update_crosstrack()，這個函數(shù) 中有：
[0032] { crosstrack-eiToi. = sin(ratlians((Uu'.get_bearing - cTosstrack-bearing) / K)0)) * wp_di stance; nav-bearing += c〇iistrain(ciOSStrack_error * g.crosstrack_gain. -g.crosstrack_entry_aiigle.get(), g,crosstraek_eHtry_an：gle.get()); }
[0033] 第一句是計算偏航距的，偏航距是飛機當前位置點到航線的距離，事實上就是求 一個點到一條線之間的距離。wp_di stance是這個直角三角形的斜邊，target_bearing_ (31'08 81：抑〇1〇3631'；[叫正是偏航距對應的邊相對的那個銳角。第二句中(31'0 881^301<_61'1'01·* g. cros S track_ga in使用偏航距乘以偏航修正增益就得出需要的偏航距修正量，然后使用 constrain ()函數(shù)將偏航距修正量限制在-g · crosstrack_entry_angle · get ()與 g · crosstrack_entry_angle · get()之間。g · crosstrack_entry_angle · get()其實京尤是最大 的偏航距修正量。在上一段中targe t_bearing計算時已經(jīng)有nav_bearing = target- bearing，現(xiàn)在又 nav_bearing+= cons train (cros s track_error*g · cros s track_ga in，-g. crosstrack_entry_angle·get()，g· crosstrack_entry_angle ·get())，這樣其實京尤把目 標航向角和偏航距修正都加到了導航航向角nav_bearing中。根據(jù)導航航向角，飛控即可控 制無人機往正確的方向飛行。
[0034] 本發(fā)明中的無人機自動巡航系統(tǒng)和方法可改善小型無人機難以操縱的現(xiàn)狀，實現(xiàn) 了無人機的自動飛行、自動導航、自動返航，降低了無人機操控手的培訓成本和利用無人機 進行偵查的難度。
【主權項】
1. 基于P i xhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)，包括P i xhawk飛行控制器、傳感器系統(tǒng)、飛 行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其特征在于： 傳感器系統(tǒng)，用于測量無人機飛行時方向、速度、加速度、位置、高度的飛行信息和圖像 信息，并將飛行信息傳輸至Pixhawk飛行控制器，圖像信息傳輸至數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用于接收遙控器的控制信息并傳送至Pixhawk飛行控制器對無人機進 行控制，用于從Pixhawk飛行控制器及傳感器系統(tǒng)中讀取無人機飛行信息、圖像信息并實時 傳輸至地面站； 飛行控制系統(tǒng)，用于接收Pixhawk飛行控制器的控制信息，并對無人機的油門、副翼舵 機、方向舵機、升降舵機進行控制。2. 如權利要求1所述的基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)，其特征在于：傳感器 系統(tǒng)包括GPS傳感器、陀螺儀、高度傳感器、電子羅盤、攝像頭、光流相機，GPS傳感器用于測 量無人機位置信息，陀螺儀、電子羅盤用于測量無人機飛行方向、速度、加速度信息，高度傳 感器采用氣壓計并與光流相機結合測量無人機飛行高度，攝像頭用于采集無人機飛行時畫 面的圖像信息。3. 如權利要求2所述的基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)據(jù)傳 輸系統(tǒng)包括接收機、數(shù)傳模塊、圖傳模塊，接收機與遙控器配對，并將遙控器信息傳送至 Pixhawk飛行控制器，數(shù)傳模塊從Pixhawk飛行控制器中讀取無人機飛行時的方向、速度、加 速度、位置、高度信息并傳輸?shù)降孛嬲?，圖傳模塊用于接收攝像頭采集的圖像信息并傳輸?shù)?地面站。4. 如權利要求3所述的基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航系統(tǒng)，其特征在于：傳感器 系統(tǒng)還包括空速儀，用于測量無人機的空速狀態(tài)。5. 基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航方法，采用上述系統(tǒng)操作，其特征在于:本無人 機通過高度控制油門、空速控制升降舵的方式保持預定高度和空速飛行，控制方式如下： 無人機在飛行過程中，當高度低于目標高度時，Pixhawk飛行控制器會控制無人機油門 加大從而使空速加大，然后再拉升升降舵機，使無人機爬升； 無人機在飛行過程中，當高度處于目標高度但空速高于目標空速時，Pixhawk飛行控制 器直接控制拉升升降舵機，使無人機爬升降低空速，當空速低于目標空速后，Pixhawk飛行 控制器推動升降舵機使無人機降低高度。6. 如權利要求5所述的基于Pixhawk飛控的無人機自動巡航方法，其特征在于:本無人 機通過目標航向角和偏航距相結合的方式飛往目標，其具體方式如下:通過GPS傳感器提供 的信息，利用程序解算無人機當前位置和目標位置的關系，得到航向角，利用程序解算無人 機當前位置點到航線的距離得到偏航距，把航向角和偏航距組成導航航向角提供給 Pixhawk飛行控制器，Pixhawk飛行控制器將控制信息傳輸至飛行控制系統(tǒng)控制無人機飛往 目標。
【文檔編號】G05D1/10GK105843249SQ201610173629
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】任霞, 王強, 朱元軍
【申請人】安徽大學, 任霞