一种松耦合无人机控制系统
技术领域
本发明涉及无人机控制技术的领域，具体而言，涉及一种松耦合无人机控制系统。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”(“UAV”)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、操作灵活的特点，现已广泛应用于民用与军事，在民用方面使用无人机进行电力巡检与观测环境空气、土壤、植被和水质状况能够有效地提高工作效率；在军用方面可用无人机进行战场侦察和监视、定位校射、毁伤评估、电子战等能够有效地减少人员和费用的投入。
目前，随着无人机的用途越来越广泛，功能越来越复杂，无人机需要采集的外部环境信息会越来越多，在现有技术中无人机多采用单独机载控制系统或机载控制系统配备地面站的控制方式，但是配备的地面站都只有数据显示的功能，不能对控制进行反馈；并且大部分的控制系统都采用的是全局数据无差别处理的方式，所有的数据信息都会在主处理器中进行一一处理与传递，这会大大增加处理器的处理时间；本发明提出的一种松耦合无人机控制系统采用的是机载控制系统外加地面控制系统同时控制无人机的方式，在地面控制系统中能在线调试与修改软件，极大地提高了软件系统的伸缩能力。并且数据处理采用的是需求式处理方式，对功能需求调配订阅需要的数据进行处理，有效地提高了数据处理的效率。
发明内容
本发明针对背景技术中的不足之处，提供的一种松耦合无人机控制系统能，在保证系统实时性能的同时提高处理器处理效率并实现软件系统较高的灵活性和较强的系统伸缩能力，满足无人机系统通用性需求。
本发明提供一种技术方案：一种松耦合无人机控制系统，包括无人机机载系统和地面控制系统；所述无人机机载系统包括：惯性系统模块、摄像头、机载控制器和无线通信模块；所述惯性系统模块、摄像头和无线通信模块均与机载控制器电连接；所述地面控制系统包括地面控制器和无线通信模块，所述地面控制器与无线通信电连接；所述无人机机载系统与地面控制系统通过各自的无线通信模块实现数据交互；所述惯性系统模块包括：加速度计、陀螺仪、地磁计；通过摄像头获取环境数据，计算出无人机的姿态和无人机周围环境状态，通过惯性系统模块获得数据也计算无人机的姿态，将两者无人机姿态进行融合，结合无人机周围的环境状态对无人机进行控制；
所述地面控制器与机载控制器均采用松耦合方式控制无人机；该松耦合方式控制无人机的控制方法为：
无人机机载系统端：
机载控制器将得到的数据以不同类别进行分类处理，包括有动力类别数据、位置类别数据与摄像头类别数据，每一个类别中都包括：自身类别测量的原始数据、机载控制器的控制输出期望数据与地面控制器的控制输出期望数据；
当无人机在起飞的情况下或者不需要追踪目标的情况下，机载控制器需要订阅无人机的定位类数据与动力类数据，机载控制器对无人机的加速度数据、姿态数据、地磁计数据与环境气压数据进行分析计算，将数据融合转换为无人机在环境中的坐标数据，由无人机的实际坐标信息计算出无人机接下来需要实现的运动特性，在对运动特性进行分析之后输出动力类脉冲调制控制数据，控制电调将输出数据转换为电机需要的交流控制信号从而控制无人机运动；当无人机需要追踪目标时，机载控制器不仅需要订阅无人的定位类数据与动力类数据还需要订阅摄像头类数据；机载控制器需要将摄像头类的目标深度数据、目标姿态数据、目标特征数据与目标测距数据进行分析计算，将目标进行提取并计算目标相对摄像头的坐标信息，然后通过坐标转换计算出目标相对无人机的坐标数据；由计算出的坐标数据计算无人机的运动特性，再将运动控制输出为电机的控制信息从而实现无人机对目标的追踪；
地面控制系统端：
地面控制器将得到的数据也以不同类别进行分类处理，包括有动力类别数据、位置类别数据与摄像头类别数据。地面控制器会在地面机上按照机载控制器的处理方式实时处理无人机运动需要处理的订阅数据，然后将处理的计算输出结果与类别中存储的机载控制输出进行比较，由多次的比较结果判断机载控制系统的运行状况；地面控制器能保存无线通信传回的所有数据，并将运行情况显示在界面中，还能通过界面中指令修正方式实时对控制中存在的偏差进行修正，并且还能在线实时分析或离线分析数据处理过程从而分析功能软件设计中存在的问题，方便对软件进行调整优化与二次开发；
所述摄像头是英特尔RealSense D435i深度摄像头，其能够通过视觉识别最小0.1m的距离，利用该摄像头能够有效快速地计算出摄像头的姿态信息，其是采用尺度不变特征变换进行图像中的特征提取与匹配得到初步的特征匹配点集合，然后采用随机抽样一致性的方法对得到的初步特征匹配点集合进行筛除其中的匹配精度低的点以及提取图像中匹配精度高的匹配点，利用该方法对当前帧与下一帧的图像中提取匹配精度高的匹配点，使用三角测量原理计算得到相邻两帧的旋转数据与平移数据，根据旋转数据与平移数据即可得到摄像头的姿态变化信息，然后通过摄像头与无人机的坐标关系将摄像头的姿态信息转换为无人机的姿态信息。最后再利用卡尔曼滤波的方式将视觉计算得到的无人机姿态信息与惯性系统得到的姿态信息进行融合得到准确可靠的无人机姿态信息。
本发明提供的一种松耦合无人机控制系统能在保证系统实时性能的同时，提高处理器处理效率并实现软件系统较高的灵活性和较强的系统伸缩能力，满足无人机系统通用性需求。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的一种松耦合无人机控制系统的结构示意图。
图2为本发明的惯性系统模块与摄像头的安装位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
一种松耦合无人机控制系统，包括无人机机载系统和地面控制系统。上述松耦合无人机控制系统包括无人机、惯性系统模块、摄像头、机载控制器和无线通信模块。所述惯性系统模块、所述摄像头、所述机载控制器和所述无线通信模块均设置在所述无人机上，所述惯性系统模块、所述摄像头和所述无线通信模块均与所述机载控制器电连接。所述地面控制系统包括地面控制器和无线通信，所述地面控制器与所述无线通信电连接。所述无人机机载控制系统与所述地面控制系统通信连接。
作为本发明的优选方式，无人机的惯性系统模块选用的是超核电子科技公司生产的九轴姿态传感器模块HI229，集成有三轴陀螺仪、三轴加速度与三轴地磁计。该模块内部采用最新研发的数据融合算法，该算法拥有极小的数据延时与相位失真(小于2.5ms)，其六轴零偏0°-0.5°/min，九轴无漂移，模块稳定性极好。
作为本发明的优选方式，无人机的摄像头选用的是英特尔RealSense D435i深度摄像头，其能够通过视觉识别最小0.1m的距离，对环境深度信息能够进行更好地挖掘，视觉建模地图数据也能更加可靠稳定。
作为本发明的优选方式，地面控制器与无人机之间通过高速无线通信方式进行通信，能够有效地保证无人机与地面系统间数据传输的实时高效性。无人机与机载控制器通过以太网通信方式进行通信，保证无人机与机载器之间数据传输的实时性。
作为本发明的优选方式，机载控制器的处理器为Intel Core i7-8550U；地面控制器的处理器为Intel Core i7-8700K。两者都采用了酷睿i7八代处理器，能够有效保证数据处理的实时性。
需要说明的是，在本实施例中，惯性系统模块是为获得无人机在飞行过程中的三轴加速度数据、三轴陀螺仪数据与三轴地磁计数据。摄像头是为获得无人机在飞行过程中的图像深度数据，然后使用获得的图像数据对摄像头姿态进行估计并对摄像头获得的环境数据进行视觉建模定位，其次通过将惯性系统获得的无人机姿态数据与摄像头获得的估计姿态数据进行融合得到无人机准确的姿态信息，最后再在此基础上结合建模信息对无人机进行飞行导航。
需要说明的是，在本实施例中，惯性系统模块是安装在无人机底部支承平台的几何中心位置，并以此建立无人机的三轴坐标系。摄像头则是通过安装装置固定安装在惯性系统模块的正下方15厘米处，从而保证无人机的自身坐标系与相机坐标系之间的吻合性，减少惯性系统姿态数据与相机姿态数据融合时的坐标变化运算。
在本实施例中，地面控制器与机载控制器均是采用松耦合方式控制无人机，即无人机先将自身测量得到的所有数据以不同类别进行分类处理，然后将每一种类别的数据封装为一个消息类别，在每一个消息类别中都包含有无人机获得的原始数据、机载控制器的控制输出期望数据与地面控制器的控制输出期望数据。机载控制器与地面控制器中功能任务的设计都是根据自身需要完成的任务功能订阅相关的消息数据进行数据处理。
同时，在本实施例中，控制器与需要订阅的消息之间的订阅关系都是由控制器创建的管理器进行管理。先由控制器向管理器提出绑定订阅申请，管理器对需要进行绑定的消息进行记录并创建消息与提出申请的功能任务之间的映射关系，从而有效提高数据传递与控制器处理数据的效率。
同时，需要说明的是，在本实例中，地面控制器能够实现实时显示机载控制系统的运行情况，并能够根据实际运行情况通过发送消息命令的方式来越过机载控制器实现调整修改无人机的执行情况。并且地面控制器还能够对通过高速无线通信实时接收的无人机消息数据进行记录保存到地面计算机中，然后根据计算机保存的离线数据进行飞行状况的二次还原，根据对飞行状况的还原来分析功能软件设计中存在的问题，并对问题产生的原因数据进行分析调试。通过调试而发现问题从而方便对软件进行调整优化与二次开发，实现软件系统较高的灵活性和较强的系统伸缩能力。
