一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统及方法。

背景技术

随着无人机技术的发展，无人机在社会面已经基本形成了全面普及，不管是用于普通的试飞还是搭载摄像头进行拍摄还是搭载灭火器材用作无人机灭火，都展现出了不俗的优秀性能。而在无人机执行飞行任务过程中，最重要的是无人机飞行状态的控制稳定性，从而来确保飞行任务的顺利完成以及无人机本身的安全性。

目前对于无人机的控制，一般均是设置一个统一的控制基站，无人机在基站完成日常维护，并通过预定的飞行路线完成飞行任务，而一旦无人机在执行任务过程中离基站太远，一方面会影响到无人机的控制，另一方面对无人机的续航能力也是一个极大的挑战。因此，目前市场上也逐渐出现了许多专门为无人机设置的移动式地面控制站，从而使无人机能够在户外进行电能补充和中途停机，因此也使无人机的应用有了更多的可能性。

而基于无人机的地面站，无人机的飞行控制方法也需要进行相应的改变，从而应对更复杂多变的飞行环境。

发明内容

本发明意在提供一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统及方法，以提高无人机执行户外飞行任务的适应性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统，包括中控模块，以及分别与中控模块连接的数据采集模块、数据分析模块和飞行策略模块；

所述数据采集模块，用于实时采集无人机周围的环境数据以及飞行数据，并形成数据集合后发送至数据分析模块；

所述数据分析模块，对接收到的数据集合进行综合分析，得到无人机的飞行环境允许度以及综合飞行状态，并将之反馈至飞行策略模块；

所述飞行策略模块，用于根据所述数据分析模块得到的分析结果控制无人机的飞行状态和制定无人机的飞行策略；

所述中控模块，包括存储单元和控制单元，所述存储单元用于存储系统中的各项数据；所述控制单元用于对系统中的各模块的运行状态进行综合管理控制。

本方案的原理及优点是：实际应用时，将无人机地面站作为无人机的户外控制基站，通过无人机地面站与无人机双重采集数据从而提供全面、真实的飞行数据，便于制定更详尽的飞行任务计划，使无人机的飞行任务执行地更顺利，同时，无人机地面站可随意移动，便于在户外执行多处位置的飞行任务，另一方面将无人机地面站作为中转站，可供无人机停飞休息且为无人机进行电能补充，从而提高无人机的续航能力。相较于现有技术，本方案的优点在于在无人机地面站的基础上，实现了将无人机基站从固定点到户外多点随意设置的重大突破，可基于无人机地面站进行更广域面积的无人机飞行任务，且通过无人机地面站与无人机进行信息通讯，能够确保无人机控制信号的连续性和稳定性，从而提高无人机飞行任务的安全性，更重要的是，能够通过无人机地面站同时进行多个无人机的控制飞行，从而实现多机循环运行，适合长时间巡航任务，且一定程度上提高了自动控制能力，减少了人工干预。

优选的，作为一种改进，数据采集模块包括安装在无人机上的速度传感器、高度传感器和风向传感器，以及安装在无人机地面站的角速度传感器、光照传感器、风速传感器和温湿度传感器。

优选的，作为一种改进，数据采集模块还包括用于检测无人机的上方障碍物情况以及检测当前白天和黑夜情况的Openmv模块。

优选的，作为一种改进，还包括用于在紧急情况下控制无人机完成应急避险的应急模块，当检测到无人机在飞行区域内无法继续完成飞行任务的紧急情况时，所述应急模块直接介入控制无人机直接返航降落至无人机地面站。

优选的，作为一种改进，紧急情况包括风速超过最大安全等级、暴雨天气和冰雹天气。

优选的，作为一种改进，应急模块还包括用于实时监测无人机剩余电量的电量监测单元，当检测到当前无人机的剩余电量即将低于安全电量时，则控制当前无人机按照直线路径返航至无人机地面站，同时控制替补无人机飞行至当前无人机最后执行飞行任务的位置开始继续执行飞行任务。

优选的，作为一种改进，当同时存在多个无人机执行任务时，通过所述飞行策略模块智能规划所有无人机执行飞行任务的飞行顺序和飞行区域进行多无人机的协同配合飞行。

优选的，作为一种改进，无人机在接收到飞行任务后从无人机地面站起飞时，先检测起飞条件是否满足，若是则打开无人机地面站舱门，无人机在预定时间后起飞；若不满足起飞条件，则继续等待，并将当前环境情况上报。

优选的，作为一种改进，还包括远程控制模块，所述远程控制模块与移动设备端连接，用于操作员远程实时接收无人机的飞行信息以及对无人机进行远程操控。

本方案还提供了一种基于无人机地面站的无人机飞行控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，采集无人机周围的环境数据以及飞行数据，并对采集到的数据进行综合分析处理；

步骤S2，通过对采集到的数据进行分析后，对无人机执行的飞行任务进行综合评估和规划，并通过无人机地面站向无人机发送飞行任务指令；

步骤S3，通过无人机地面站与无人机完成信息通讯，并以无人机地面站为中心控制无人机执行飞行任务，并在任务空档时间控制无人机返回至无人机地面站进行休息补给。

附图说明

图1为本发明一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统实施例一的结构示意图。

图2为本发明一种基于无人机地面站的无人机飞行控制方法实施例一的流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：中控模块1、数据采集模块2、数据分析模块3、飞行策略模块4、存储单元5、控制单元6、远程控制模块7。

实施例一：

本实施例基本如附图1所示：一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统，包括中控模块，以及分别与中控模块连接的数据采集模块、数据分析模块和飞行策略模块；

数据采集模块，用于实时采集无人机周围的环境数据以及飞行数据，并形成数据集合后发送至数据分析模块；

数据分析模块，对接收到的数据集合进行综合分析，得到无人机的飞行环境允许度以及综合飞行状态，并将之反馈至飞行策略模块。

飞行策略模块，用于根据所述数据分析模块得到的分析结果控制无人机的飞行状态和制定无人机的飞行策略。

中控模块，包括存储单元和控制单元，所述存储单元用于存储系统中的各项数据；所述控制单元用于对系统中的各模块的运行状态进行综合管理控制；具体的，中控模块起到控制中枢的作用，对系统中各功能模块的运转进行综合调控，从而保证其功能的正常运转。

具体的，数据采集模块包括多种传感器，包括安装在无人机上的速度传感器、高度传感器和风向传感器，以及安装在无人机地面站的角速度传感器、光照传感器、风速传感器和温湿度传感器，同时，无人机地面站上还安装有Openmv模块，该模块用于检测无人机的上方障碍物情况以及检测当前白天和黑夜情况，从而为无人机的起飞进行先决条件检测。

还包括远程控制模块，所述远程控制模块与移动设备端连接，例如手机、平板等，用于操作员远程实时接收无人机的飞行信息以及对无人机进行远程操控。

在无人机地面站的侧板上安装有合页，能够使地面站的侧板均打开，便于将无人机放置在地面站内部，从而将无人机和地面站能够轻松移动，便于将无人机在户外移动位置进行多处位置的飞行任务巡查，也便于在下雨、下雪等天气将无人机收回地面站的机舱，防止其进水导致内部电路损坏，另一方面，也能够对无人机起到装载的作用，让其在地面站内进行短期存放，避免无人机在无任务时还要返回至总基站，耗时耗力。

当无人机停在无人机地面站时，地面站会将无人机进行复位，将无人机推送到机舱的正中并进行固定，然后从无人机地面站的侧面推出充电口，插入无人机脚架的充电口中为无人机充电的同时也与无人机进行信息交流。

无人机要执行飞行任务时，无人机地面站先处于关闭状态，首先通过无人机地面站上安装的角速度传感器判断地面站是否处于水平位置，同时光照传感器和温湿度传感器判断当前外部环境是否下雨，另一方面，通过Openmv模块检测无人机上方是否存在障碍物以及检测判断白天和黑夜，起飞条件满足后，则控制无人机地面站打开舱门，并拔出充电口、取消固定控制，无人机在10秒后起飞执行飞行任务；若是不满足起飞条件，例如遇到下雨，则继续等待，并将当前环境情况上报发送至操作员手机，而若是无人机地面站上方有障碍物影响无人机起飞，则向操作员的手机发送报警信息，等待后续处理。

当无人机执行完飞行任务后返航无人机地面站降落时，首先控制无人机飞行至距离无人机地面站10米范围内，无人机地面站首先判断是否符合降落要求，即有无障碍物，若符合，则开启无人机地面站舱门，并控制无人机缓慢降落至停放平台，无人机地面站进行复位，并固定好无人机，同时插上充电口为无人机进行电能补充，最后关闭舱门，无人机与无人机地面站进行信息传输，并向操作员的手机发送已降落信息。

如附图2所示，本方案还提供了一种应用于上述系统中的一种基于无人机地面站的无人机飞行控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，采集无人机周围的环境数据以及飞行数据，并对采集到的数据进行综合分析处理；

步骤S2，通过对采集到的数据进行分析后，对无人机执行的飞行任务进行综合评估和规划，并通过无人机地面站向无人机发送飞行任务指令；

步骤S3，通过无人机地面站与无人机完成信息通讯，并以无人机地面站为中心控制无人机执行飞行任务，并在任务空档时间控制无人机返回至无人机地面站进行休息补给。

本实施例的具体实施过程如下：

获取无人机地面站的控制信号，同时向无人机发送任务指令，无人机在接收到飞行任务后开始启动飞行条件检测，利用设置的多个传感器检测周围环境情况，先检测无人机上方是否有影响飞行的障碍物，若没有，则检测当前的天气，若天气良好不影响飞行，则向无人机发送起飞指令，无人机则从无人机地面站起飞正式开始执行飞行任务，按照预设的巡航路线完成飞行巡检任务。

在无人机飞行过程中，若需要更换飞行巡检区域，则控制无人机继续向目标区域飞行，同时操作员整理无人机地面站后将地面站移动至下一目标地点。

在无人机的飞行任务执行结束后，则控制无人机向无人机地面站返航，返航至无人机地面站则开始降落，首先控制无人机停留在无人机地面站周围10米范围内，同时通过传感器检测地面站上的停机环境是否合适，若没有其他障碍物，则控制无人机飞行到地面站正上方，然后控制其缓慢下降，直至无人机稳定停靠在地面站上。

随着无人机技术的提升，目前市面上无人机的应用范围非常广泛，而不管什么类型的无人机在使用时，一般均会配备一个统一的控制基站，无人机在基站完成日常维护，并通过预定的飞行路线完成飞行任务，而一旦无人机在执行任务过程中离基站太远，一方面会影响到无人机的控制，另一方面对无人机的续航能力也是一个极大的挑战。因此，目前市场上也逐渐出现了很多无人机的地面控制站，便于无人机在户外进行巡航任务，而目前基于地面控制站，无人机的整体控制也仅是通过地面控制站完成无人机的短时间停靠或者电池的更换，并没有针对无人机整体的控制方法或者策略方面进行针对性改进，导致目前无人机在执行户外飞行任务时与地面控制站的适应性较低。

而本方案则是特地针对上述问题研发了一种基于无人机地面站的无人机飞行控制系统，通过将无人机地面站作为移动式的控制基站与无人机进行信息通讯，不仅提高无人机飞行相关数据采集的广度和精度，从而提高飞行任务的精准性，同时基于无人机地面站的特殊结构设计，针对性改动无人机的起飞以及降落方式，在保障飞行安全的基础上提高起飞和降落效率，进而提高整体的飞行效率；另一方面，无人机地面站可任意移动，便于在无人机执行户外飞行任务时灵活更改飞行区域，从而提高无人机巡航区域的广度，同时无人机地面站还能够为无人机提供中间修整平台，避免无人机在户外工作时找不到合适的地点临时降落停靠，同时避免无人机每次任务都需返回至总控制基站，提高无人机执行任务的效率，也能够在休息间隙为无人机充电，从而提高无人机的续航能力，使无人机在户外飞行时有了更多的灵活性变化，进而有效提高了无人机执行户外飞行任务的适应性。

特别的，本方案中无人机的户外飞行环境并不是常规来说广场、草坪等地点的领空，而且特地针对于山林野外的飞行领域，例如对横跨在偏远山区等地带的电网线路进行巡检，因为这部分地点环境的特殊性、复杂性，使无人机与基站的距离较远，因此才会转由便携式的无人机地面站对无人机进行控制以及提供停靠场地，并且还能够为无人机充电，提高无人机的续航能力，进而提高任务执行时间长度和完成度，从而大幅提高无人机执行户外飞行任务的适应性。

实施例二：

本实施例基本与实施例一相同，区别在于：当同时存在多个无人机执行任务时，通过飞行策略模块智能规划所有无人机执行飞行任务的飞行顺序和飞行区域进行多无人机的协同配合飞行。具体的，若单次巡检的区域太大需要用到多个无人机，则可以通过无人机地面站作为中间控制站，统一控制多个无人机一起执行飞行任务，并且还能够通过规划其巡检路线起到控制无人机耗电量的作用，便于无人机地面站有序为所有无人机进行二次电能补充。

基于无人机地面站，使无人机的户外控制、飞行有了更多的可能，也使对无人机的控制更方便，因此，在有需要时能够同时控制多个无人机进行统一巡检飞行，也可将多个无人机按顺序实现多机循环运行，进而使无人机能够执行长时间的巡航任务，也一定程度了减少了人工干预，提高了无人机的智能运行程度。

实施例三：

本实施例基本与实施例一相同，区别在于：上述系统还包括用于在紧急情况下控制无人机完成应急避险的应急模块，当检测到无人机在飞行区域内无法继续完成飞行任务的紧急情况时，所述应急模块直接介入控制无人机直接返航降落至无人机地面站。具体的，紧急情况包括风速超过最大安全等级、暴雨天气和冰雹天气等，具体的，风速在低于3.3米/秒的时候，均视为安全风速，7.9米/秒的风速定义为最大安全等级风速；暴雨天气包括三个等级，分别为暴雨、大暴雨和特大暴雨，暴雨是24小时的降水量在50毫米到100毫米，大暴雨是24小时的降水量在100毫米到250毫米，特大暴雨是24小时的降水量在250毫米以上；冰雹包括橙色预警和红色预警两个等级，橙色预警为6小时内可能会出现冰雹天气，并可能造成灾害，红色预警为2小时内出现冰雹的可能性极大，并可能造成重大灾害。

具体的，若是通过检测得知天气即将变恶劣，例如即将下暴雨或者下冰雹，又或者通过风速检测得知即将刮大风，则判断无人机无法继续执行飞行任务，控制无人机中断任务并立即返航回无人机地面站，通过无人机地面站将无人机保护起来，避免无人机受到损伤。

通过设置应急模块来预防无人机在执行飞行任务时突然遇到极端情况导致无人机损伤甚至坠毁，不仅使无人机执行任务的安全性得到可靠保障，同时也一定程度上保障了飞行任务的完成效率和完整度。

实施例四：

本实施例基本与实施例三相同，区别在于：应急模块还包括用于实时监测无人机剩余电量的电量监测单元，当检测到当前无人机的剩余电量即将低于安全电量时，则控制当前无人机按照直线路径返航至无人机地面站，同时控制替补无人机飞行至当前无人机最后执行飞行任务的位置开始继续执行飞行任务。

具体的，无人机地面站存储有备用的替补无人机，当检测到当前无人机因为电量原因无法继续执行飞行任务时，则在保证无人机有充足的电量返航无人机地面站的基础上，快速启动替补无人机继续执行当前飞行任务，当前无人机返回至地面站后进行电能补充，以备后续飞行任务所需。

通过监控无人机的实时电量，并设置替补无人机来进行搭档配合，既能保证飞行任务不中断继续执行下去，又能避免无人机因电量消耗过大无法正常返航甚至坠毁，从而提高了无人机执行飞行任务的机动性和智能性，也有效提高了飞行效率。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。