一种操作无人驾驶飞行器的方法

文献发布时间：2024-04-18 19:58:26

技术领域

本发明涉及无人驾驶飞行器技术领域，具体为一种操作无人驾驶飞行器的方法。

背景技术

无人驾驶飞行器Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV，也被称为无人机UnmannedAircraft System，简称UAS或无人飞行器，是一种可以在没有人员操控的情况下自主飞行的飞行器。无人驾驶飞行器通过使用各种传感器、GPS、计算机系统和自动化技术，能够实现自主导航、执行任务、采集数据和执行操作等功能。

无人驾驶飞行器有多种用途，包括但不限于，军事用途：用于侦察、监视、侦查、打击等军事任务，可以减少军事人员的风险；民用用途：在农业、测绘、矿业、环保等领域应用广泛，可用于植保喷雾、地图绘制、资源勘测和监测等任务；用于快递、货运和医疗物资运输等，可在紧急情况下提供快速和高效的交付服务；媒体和拍摄：用于拍摄航拍视频、电影镜头、新闻报道等，为媒体行业带来新的创作方式；科学研究：用于环境监测、气象预测、野生动物追踪等，为科学家提供更全面的数据。

然而传统的无人驾驶飞行器使用方法使用遥控器进行控制，其遥控距离受到限制，超出范围后飞行器可能失去控制，同时需要操作员实时监控飞行器的状态，需要保持稳定的遥控信号，这也就限制了操作员的活动范围和时间，此外传统飞行器的自主飞行能力较弱，通常依赖于操作员的指令来完成航线规划和导航，因此亟需一种操作无人驾驶飞行器的方法来解决此类问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种操作无人驾驶飞行器的方法，解决现有技术中存在的无人驾驶飞行器遥控距离受到限制，超出范围后飞行器可能失去控制，同时自主飞行能力较弱，通常依赖于操作员的指令来完成航线规划和导航的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现，本发明提供了一种操作无人驾驶飞行器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

飞行器通信连接布置，飞行器上步骤信息采集系统，包括GPS模块、加速度计、陀螺仪、气压计，飞行器内置飞行控制系统，将无线数据链路设备安装在飞行器上，并与飞行控制系统进行连接；

设置地面站，准备地面站，并将其与飞行器进行连接；

传输距离和信号强度计算，确定当前的极限通信距离；

检查通信连接，检测无人驾驶飞行器和地面站之间的无线数据链路和GPS连接正常工作；

设定预设飞行计划，根据飞行任务的需求，设定飞行器的预设飞行计划，确定飞行器需要到达的目标位置、航线、飞行高度和速度；

启动飞行器，启动飞行器，飞行器开始自主飞行，并依据设定的飞行计划进行飞行；

GPS辅助定位，采用GPS辅助定位技术来确定飞行器的位置和导航信息；

实时监控和控制，通过地面站实时监控飞行器的位置、高度、速度。

本发明进一步地设置为：所述飞行器通信连接布置步骤中，GPS模块用于定位信息、加速度计和陀螺仪用于测量加速度和角速度、气压计用于测量高度；

将无线数据链路设备安装在飞行器的机身上；

将无线数据链路设备与飞行控制系统进行连接；

选择5.8GHz无线模块，采用SPI通信协议；

本发明进一步地设置为：所述传输距离和信号强度计算步骤中，传输距离和信号强度计算具体公式为：

其中，d是通信距离，f是通信频率，c是光速；

本发明进一步地设置为：所述GPS辅助定位步骤中：

GPS模块将获取卫星信号，从中获取位置和导航信息；

在飞行过程中，GPS模块持续获取卫星信号，通过三角测量算飞行器的经纬度坐标；

使用GPS定位信息，飞行控制系统持续更新飞行器的当前位置，并将其与预设航点进行比较；

根据预设的航点，飞行控制系统采用Dijkstra算法确定航线；

根据航线规划和当前位置，飞行控制系统使用姿态控制算法来调整飞行器的飞行方向和姿态，以使其沿着预设航线飞行；

本发明进一步地设置为：所述采用Dijkstra算法确定航线具体步骤包括：

将飞行区域划分为节点，并在节点之间建立连接，节点代表地图上的固定点；

节点之间的连接代表飞行器直接从一个节点飞行到另一个节点的可能路径，连接的权重是两个节点之间的距离；

将所有节点的初始距离设为无穷大，起点距离设为0；

步骤1、从起点开始，对每个节点进行遍历，选择未被访问且具有最小距离的节点作为当前节点；

步骤2、对于当前节点的相邻节点，计算从起点经过当前节点到相邻节点的距离；

步骤3、如果这个距离比相邻节点当前的距离小，则更新相邻节点的距离，并将当前节点设为相邻节点的前驱；

步骤4、将当前节点标记为已访问，意味着已经找到从起点到该节点的最短路径；

步骤5、重复步骤2至4，直到所有节点都被标记为已访问，生成航线；

本发明进一步地设置为：所述Dijkstra算法确定航线具体步骤中，具体的：

节点列表用于存储所有未被访问的节点及其当前的最短距离；

前驱列表用于存储每个节点的前驱节点；

设有n个节点，节点集合为V，边的集合为E，起点为节点s，目标位置为节点t；

对于所有节点v∈V:

距离d

前驱pre

将起点的距离d

a.选取一个未被访问的节点u，使得d

b.将节点u标记为已访问；

c.对于节点u的所有相邻节点v，计算从起点经过节点u到节点v的距离d

其中w(u，v)表示节点u到节点v之间的权重，重复步骤a-c，直到所有节点都被标记为已访问；

从目标位置t开始，通过回溯前驱列表pre，一直回溯到起点s，即可得到从起点到目标位置的最短航线；

本发明进一步地设置为：所述姿态控制算法具体实施步骤为：

从预设航线中获取目标航向角，通过陀螺仪实时测量飞行器当前的航向角；

计算当前航向角与目标航向角之间的航向误差，作为姿态控制算法的输入；

γ＝β-δ，

其中γ为航向误差，β为目标航向角，δ为当前航向角；

根据航向误差，调整飞行器的姿态，使其朝向目标航向角；

采用PID控制算法，设航向误差为e，则PID控制器的输出U：

其中K

根据PID控制器的输出U，控制飞行器的姿态，使其朝向目标航向角。

(三)有益效果

本发明提供了一种操作无人驾驶飞行器的方法。具备以下有益效果：

本发明所提供的操作无人驾驶飞行器的方法通过无线数据链路，飞行器与地面站之间可以建立实时的通信连接，从而实现对飞行器的实时监控和控制，无线数据链路可以传输飞行器的位置、速度、高度关键数据，同时也能够接收地面站发送的指令，让操作员对飞行器进行远程控制，而基于GPS辅助定位技术，飞行器可以获取准确的位置和导航信息，GPS定位可以帮助飞行器自主进行定点飞行和航线规划，无需完全依赖遥控器的信号，这就意味着飞行器在GPS信号范围内，即使超出了遥控器传输范围，也可以继续安全稳定地进行飞行。

综上，通过采用无线数据链路和GPS辅助定位，飞行器与地面站之间建立实时通信连接，消除传统遥控距离的限制，使飞行器可以在更远距离内实时传输飞行数据和指令，实现远程监控和控制，无线数据链路和GPS辅助定位使操作员能够实时监控飞行器的位置、速度和高度，同时能够发送指令进行远程控制，同时GPS辅助定位技术将帮助飞行器实现自主飞行能力，飞行控制系统可以根据预设的航点，使用导航算法计算出一条航线，并通过姿态控制算法调整飞行器的飞行方向和姿态，使其沿着预设航线飞行，飞行器的操作范围不再受限于遥控器和飞行器之间的直接信号传输距离，两种技术相对独立地工作，分别实现远程通信和自主飞行，大大增强了对飞行器的控制能力和飞行范围，使其可以在更广阔的区域内执行任务，同时减少了飞行器失去控制的风险。

解决了现有技术中心存在的无人驾驶飞行器遥控距离受到限制，超出范围后飞行器可能失去控制，同时自主飞行能力较弱，通常依赖于操作员的指令来完成航线规划和导航的问题。

附图说明

图1为本发明的操作无人驾驶飞行器的方法流程图。

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、完整的描述，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。

实施例

请参阅图1，本发明提供一种操作无人驾驶飞行器的方法，包括如下步骤：

S1、飞行器通信连接布置，飞行器上步骤信息采集系统，包括GPS模块、加速度计、陀螺仪、气压计，飞行器内置飞行控制系统，将无线数据链路设备安装在飞行器上，并与飞行控制系统进行连接；

GPS模块用于定位信息、加速度计和陀螺仪用于测量加速度和角速度、气压计用于测量高度；

飞行器通信连接布置步骤中：

将无线数据链路设备安装在飞行器的机身上；

将无线数据链路设备与飞行控制系统进行连接；

选择5.8GHz无线模块，采用SPI通信协议；

S2、设置地面站，准备地面站，并将其与飞行器进行连接，地面站设备能够实时接收飞行器传输的数据，并能够发送指令给飞行器；

设置地面站步骤中：

配置无人机和地面站通信设备的参数，包括波特率、通信频率、数据格式，确保两端的通信参数匹配，以确保可靠的数据传输；

在地面站设备中，波特率设置为与飞行器通信设备相匹配的数值；

在地面站设备中，频率设置为与飞行器通信设备相匹配的频率数值；

在地面站设备中，数据格式设置为与飞行器通信设备相匹配的格式；

在飞行器一侧，通过传感器获取飞行器的位置、速度、高度数据，并将其格式化成数据包，使用通信设备将数据包发送到地面站；

通过传感器获取的飞行器数据格式化成数据包具体步骤为：

通过选取的传感器，获取飞行器的位置、速度和高度数据；

将传感器获取的数据格式化成数据包，数据包具有固定结构和字段的格式，同时包含飞行器ID、时间戳、位置信息、速度信息、高度信息；

将格式化后的数据打包，并通过无线数据链路，将打包后的数据包发送到地面站；

在地面站一侧，接收从飞行器传输的数据包，并进行解析，根据数据包中的信息，地面站可以得知飞行器的状态，并可以发送指令给飞行器。

S3、传输距离和信号强度计算，确定当前的极限通信距离；

传输距离和信号强度计算具体公式为：

其中，d是通信距离，f是通信频率，c是光速；以此来评估在特定频率下，信号在一定距离内的衰减情况；

S4、检查通信连接，检测无人驾驶飞行器和地面站之间的无线数据链路和GPS连接正常工作；

S5、设定预设飞行计划，根据飞行任务的需求，设定飞行器的预设飞行计划，确定飞行器需要到达的目标位置、航线、飞行高度和速度；

S6、启动飞行器，启动飞行器，飞行器开始自主飞行，并依据设定的飞行计划进行飞行；

S7、GPS辅助定位，采用GPS辅助定位技术来确定飞行器的位置和导航信息；

通过GPS辅助定位实现自主飞行，即使在无线数据链路的范围之外，GPS辅助定位能够让飞行器继续在设定范围内进行飞行，减少对遥控信号的依赖；

GPS辅助定位步骤中：