基于姿态同步的超视距无人机遥控系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，包括无人机远程集控系统(1)、超视距通信系统(2)、无人机系统(3)和异常处理模块(4)；所述无人机远程集控系统(1)通过所述超视距通信系统(2)和无人机(3)数据通信连接。本发明专利技术的采用所述系统自主智能控制为主，减少了由于信号传送的控制的延时性，利用所述无人机系统自主控制为主，保证无人机的自主安全飞行，同时，实时接收所述无人机远程集控系统发出控制信号，以便去执行指令完成相应的任务和执行相应的飞行动作，以便更好的实现姿态同步，减少时延。减少时延。减少时延。

【技术实现步骤摘要】
基于姿态同步的超视距无人机遥控系统


[0001]本专利技术涉及无人机遥控
，具体为一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统。

技术介绍

[0002]人的视力范围有一定限度，在空中看到一架战斗机的平均距离是8千米左右，这是天气晴朗时的平均值。如果有雾、雨天、黄昏时候，由于雾灯水汽导致能见度很差，同时光线不足，导致看见的距离要大为减小。而且每个人的视力差别很大，有的飞行员可在20千米以外看到飞机，有的近到8千米也看不见。此外，人的肉眼还有一个特点，如果已看到飞机，一直盯住让飞机逐渐飞远则可在10多千米后才看不见。相反，在天空中找飞机，有时已飞到5千米距离还找不到，8千米是一个一般公认的数值。两架飞机在这一距离内空战称为目视格斗空战。而为了观察的更加远，或者操纵视距之外的设备，通常会突破视距范围以内，实现视距之外的操纵控制，即超视距通信或超视距控制。
[0003]而在石油勘探中，由于石油资源通常分别范围广泛，而且多半分别在荒野等地段，受限于地理和地质条件，通常不容易直接进入相关区域进行投送震源设备，或者探测震源设备引发的地震数据，为此通常会利用无人机设备进行地震震源设备的投递，而为了实现远程的控制无人机投递地震震源设备，需要实现超视距的通信和操纵控制；但是，由于石油勘探的过程中，通常缺乏基础通信设施，为此，在进行石油勘探时，通常会利用自身的通信设备进行远程控制和操纵，这就是涉及到超视距的无人机控制的技术问题，在超视距的无人机控制中，一方面，因此，通常需要超视距的无人机控制，另外一方面，需要实现姿态同步的无人机的遥控；在现有技术中，也存在相应的超视距无人机的姿态控制；如
[0004]专利申请CN11650594A公开了一种基于无人机的超视距目标定位系统及方法，将无人机光电载荷的操控及视频显示都集成在综合头戴设备中，操控光电载荷的搜索、变焦等动作，并且能够自动识别目标，然后对选择的目标自动进行位置解算。无人机的观测视频以画中画的形式在综合头戴设备的显示器中显示，测得目标相对的方位和距离等信息显示在显示器的上部，同时透过显示器能够观察真实的世界，保持较好的环境观察能力。该专利技术减少了使用无人机观测、定位的操作步骤，简化了交互过程，降低了操作员的负荷，强化了对重点目标和远距离目标的探测能力，也能保持较好的近距离环境观察能力，形成纵深感知。
[0005]专利申请CN 109901603A公开了一种输入时延下多空间飞行器姿态协同控制方法，其基于模糊理论的多空间飞行器分布式姿态协同控制，并考虑控制器中存在输入时延；利用T
–
S模糊理论将多飞行器姿态动力学系统构建为由一系列模糊逻辑组成的模糊系统；针对构建出的模糊系统设计分布式控制器，得到闭环系统，并将该闭环系统进行等价转化；针对转化后的等价系统，利用时延依赖李雅普诺夫稳定性理论给出保证系统稳定的充分条件，并利用线性矩阵不等式方法设计控制器参数。与传统的非线性补偿控制方法相比，该专利技术设计的基于模糊理论的控制方法结构更加简单、针对输入时延的鲁棒性更强、保守性更
低。
[0006]专利申请CN107589738A公开了一种应用于无人机网络运行及操作管理的手段，其提出了网络传输控制的基本方法，即以无线网络或蜂窝系统建立替代传统点对点的遥控通道，由此可以大大延长无人机的操作距离。该专利技术重点解决了将传统遥控指令转换为数据包的形式以通过网络进行传输。其次，专利技术将机载传感器采集的飞行姿态数据传送到地面控制台，以图形化显示出飞行高度、位置、速度、加速度、偏航角等信息，并以前庭感知，人在回路的方式再现飞行状态，使操作员身体直接感受到驾驶的效果。其方法有助于操控手准确把握驾驶情况，使飞行操控更准确，尤其适用于完成无人机各种任务的精准操作，克服了传统基于位置操作的盲目性，对未来发展大型飞机无人化驾驶具有重要的基础作用。
[0007]专利申请CN107357301A公开了一种基于随机时延的无角速度测量的无人机姿态同步方法，属于无人机姿态同步方法领域，其包括以下步骤：步骤1：建立n个刚体系统群的姿态动力学模型；步骤2：建立刚体的虚拟系统动力学模型；步骤3：设计力矩输入使得每个刚体在无角速度测量的情况下跟踪其相应虚拟系统的状态；步骤4：确定一个虚拟角速度，使得所有虚拟系统实现它们的姿态同步；该专利技术的优点是在刚体间信息传递存在时延或信息丢失的情况下仍能实现刚体群免速度测量下的无主式和主从式姿态同步。
[0008]专利CN110032204A公开了一种输入时延下多空间飞行器姿态协同控制方法，用于解决现有多空间飞行器姿态协同控制方法对输入时延的鲁棒性较弱的技术问题。技术方案是利用模糊理论将多飞行器姿态动力学系统构建为由一系列模糊逻辑组成的模糊系统，针对构建出的模糊系统设计分布式控制器，得到闭环系统，并将该闭环系统进行等价转化，针对转化后的等价系统，利用时延依赖李雅普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法给出保证系统稳定的充分条件，并设计控制器参数。该专利技术方法针对输入时延的鲁棒性更强，在较大时延下仍能保证系统具有较好的性能。
[0009]专利申请CN107450109A公开了一种地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置，所述装置由是由外设驱动模块1、同步时钟脉冲发生模块2、电源模块3和上位机4四部分构成，主要功能包括：获取载体姿态信息的MEMS传感器模块通过STM32控制器驱动并对姿态数据解算，依次输出相对于初始位置的x、y、z三轴的加速度、角速度及角度信息；同时采用FPGA芯片对频率输出稳定的恒温晶振倍频并分频，通过CW25
‑
TIM型号的GPS模块产生的秒脉冲信号同步触发产生稳定的时钟脉冲。经过测试，本装置姿态测量精度0.1
°
，时钟同步精度1ms，姿态数据输出频率100Hz。借助于本系统及装置，可以完成地空电磁探测中对接收线圈的实时且与电磁发射系统同步的姿态测量工作。
[0010]可见，目前，在无人机的姿态控制方面，已经出现了不少现有技术研究无人机的姿态控制方面，但是，还存在以下缺陷：
[0011]1.现有技术中，无人机的控制通常都是利用集成控制系统和无人机直接进行通信并进行控制，从而实现远程控制，由于无线通信距离和功率的限制，导致这只能实现具体不太远的远程操纵控制，而在进行远距离的远程无线操作控制时，必须借助通信基站或卫星通信系统进行通信，导致这通常会导致通信的延迟，而不能及时操作，可能不能及时处理危险，导致发生坠机等事故。
[0012]2.现有技术中，为了实现远程的实时控制通信，也存在利用中继通信设备实现通信的情况，即进行通信的两个设备利用第三通信设备进行通信，通信信号先发送至第三通
信设备，然后在第三通信设备中处理后再发送至目标通信设备，但是信号在经过发送、接收和处理的过程中，会导致信号的延迟，这不利于姿态同步控制，而作为无人机的控制来说，控制信号的延迟，会导致无人机的控制失败，进而发生坠机的现象，这是十分不利的，因此，如何解决该中继通信带来的危机是亟待解决的。
[0013]3.现有的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，包括无人机远程集控系统(1)、超视距通信系统(2)、无人机系统(3)和异常处理模块(4)；所述无人机远程集控系统(1)通过所述超视距通信系统(2)和无人机(3)数据通信连接；所述无人机系统(3)包括无人机本体(5)、监视传感模块(6)、机载数据存储模块(7)、无人机自主控制模块(8)；所述监视传感模块(6)用于获取无人机的自身姿态数据和监视的外界环境数据，所述监视传感模块(6)包括姿态信息采集模块(9)、视频图像采集模块(10)，所述姿态信息采集模块(9)用于采集所述无人机本体(5)的飞行姿态，所述视频图像采集模块(10)用于获取无人机本体(5)所处外环境的视频图像；所述无人机自主控制模块(8)、所述姿态信息采集模块(9)、视频图像采集模块(10)安装于所述无人机本体(5)上，所述机载数据存储模块(7)用于存储所述监视传感模块(6)获取的数据和所述无人机本体(5)的飞行信息数据；所述无人机远程集控系统(1)包括头戴式VR/AR设备(11)、3D动感座椅(12)、远程集控平台(13)数据和集控数据存储模块(14)；所述头戴式VR/AR设备(11)佩戴于所述无人机的远程操纵人员头上，从而将所述无人机的视频图像采集模块(10)采集的图像进行显示；所述3D动感座椅(12)供3D动感座椅(12)乘坐，从而将无人机的飞行姿态状态在所述3D动感座椅(12)中体现，以便操纵人员处于无人机的虚拟姿态中；所述集控数据存储模块(14)存储有所述无人机系统(3)的飞行信息数据和执行任务的任务数据；其特征在于：所述超视距无人机遥控系统运行时，操纵人员利用所述远程集控平台(13)通过所述超视距通信系统(2)和所述无人机实现通信连接，并且所述远程集控平台(13)发出操纵控制指令，控制所述无人机起飞执行任务，同时，所述无人机本体(5)的所述姿态信息采集模块(9)采集所述无人机本体(5)的飞行姿态，所述视频图像采集模块(10)获取无人机本体(5)所处外环境的视频图像，并将所述飞行姿态和所述视频图像数据通过所述超视距通信系统(2)发送至所述无人机远程集控系统(1)，从而所述头戴式VR/AR设备(11)给所述操纵人员显示所述无人机的视频图像采集模块(10)采集的图像，所述3D动感座椅(12)基于所述无人机的姿态状态数据实现3D动感座椅(12)的运动，从而使得所述操纵人员以姿态同步的沉浸式操纵；在无人机系统(3)工作时，所述无人机系统(3)产生自身的飞行信息数据和执行任务时产生的任务数据以及所述无人机远程集控系统(1)产生的操纵控制指令数据存储于所述集控数据存储模块(14)；所述异常处理模块(4)实时读取所述飞行信息数据、任务数据和操纵控制指令数据，并进行无人机飞行安全监测、任务数据的判断、操纵控制指令数据和无人机的飞行信息数据的匹配关系的监测，当检测到异常时，所述异常处理模块(4)进行报警，并将相应的异常发生给所述无人机系统(3)操纵者以便处理所述异常。2.根据权利要求1所述的一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，其特征在于：所述超视距通信系统(2)为基于5G的通信网络，所述无人机本体(5)和所述无人机远程集控系统(1)均配置有5G通信终端模块，所述无人机本体(5)和所述无人机远程集控系统(1)之间直接进行通信连接，或者所述无人机本体(5)和所述无人机远程集控系统(1)之间通过5G中继通信基站进行通信连接，从而使得实现低延时通信。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，其特征在于：所述无人机本体(5)和所述无人机远程集控系统(1)之间通过多个所述无人机本体(5)进行中继通信，所述无人机本体(5)搭载有5G信号强度检测模块(14)，所述无人机本体(5)在进行探测任务时，随着执行探测任务的所述无人机本体(5)起飞并远离所述无人机远程集控系统(1)，两者之间5G通信连接的通信信号强度减弱，当所述5G信号强度检测模块(14)检测到信号强度低于一定值时，一架所述无人机本体(5)起飞至合适的距离以便使得利用其进行中继通信的两个设备都具备信号强度高于所述一定值，并且随着通信连接的通信信号强度的降低，持续增加所述无人机本体(5)。4.根据权利要求3所述的一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，其特征在于：所述超视距通信系统(2)还包括通信测速模块(15)，所述通信测速模块(15)获取所述执行探测任务的所述无人机本体(5)到所述无人机远程集控系统(1)之间的通信链路的通信延时t，同时获取所述5G信号强度检测模块(14)监测的通信强度d，当通信延时t超过一定值，则选择通过减少一个中继通信用的无人机或基站的通信链路，并对相应通信信号发射设备的进行信号强度增大，且不超过该设备的最大通信信号强度发射能力的方式实现；或者对减少一个所述中继通信无人机，同时使其他所有所述中继通信无人机与所述执行探测任务的所述无人机本体(5)之间的距离，以便维持相邻的所述中继无人机之间或与所述执行探测任务的所述无人机本体(5)之间的距离合适，以保证通信信号强度超过一定值，符合通信要求。5.根据权利要求1所述的一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，其特征在于：所述无人机自主控制模块(8)依据所述姿态信息采集模块(9)采集的姿态数据和所述无人机远程集控系统(1)发出的控制指令进行神经网络的模拟，训练得出所述控制指令和所述姿态数据的映射关系，在所述无人机系统(3)未接收到控制信号时，所述无人机自主控制模块(8)基于所述映射关系自主操作所述无人机本体(5)，而在接收到所述无人机远程集控系统(1)发出的控制指令的控制信号时，则执行接收到所述无人机远程集控系统(1)发出的控制指令。6.根据权利要求1所述的一种基于姿态同步的超视距无人机遥控系统，其特征在于：所述无人...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘德斯，曾卫华，侯胜利，钱荣毅，马振宁，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：