CN109032179A - 基于激光光强检测的无人机飞控设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光光强检测的无人机飞控设备，主要解决现有无人机控制过程中因电磁干扰造成的稳定性与安全性差的问题。其包括地面端装置和无人机端装置。无人机端装置通过感应地面装置发射的引导光束控制无人机飞行在激光光束内；地面装置利用激光测距获得地面端装置与无人机端装置之间的距离，并对该距离进行处理后通过激光通信发送控制信息给无人机端装置。无人机端装置接收该控制信息后控制无人机与地面端装置之间的距离,从而实现对无人机的控制。本发明避免使用传统无线电通信方式，而是通过激光光束实现对无人机飞行的控制，提高了无人机控制过程的可靠性与安全性，可用于视距范围内无人机的精确飞行控制。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及一种无人机飞行控制设备，可用于视距范围内无人机的精确飞行控制，提高无人机飞行轨迹的精确度。
背景技术
随着无人机技术的快速发展，无人机在生产生活的各个领域得到了广泛的应用。在无人机的飞行过程中，需要地面操作人员对无人机的飞行进行控制。
传统的无人机系统的操控首先是利用无线电通信方式实现地面控制端与无人机端的通信，然后进一步向无人机发送相应的控制指令。如现有的基于2.4GHz频段的无人机飞行控制方法就是利用2.4GHz频段通信方式实现对无人机飞行控制。
然而由于当前城市环境中电磁环境复杂，且现有技术中采用的2.4GHz通信波段对所有用户开放，各类电子产品都会使用该频段，导致该波段越来越拥挤，从而出现了众多干扰问题。这些干扰使得无人机地面控制设备对无人机的控制距离变短以及可靠性降低，无人机因干扰而失控事件常有发生，造成许多不必要的损失。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于激光光强检测的无人机飞控设备，以避免电磁干扰对无人机控制的干扰，提高控制的可靠性与安全性。
为实现上述目的，本发明基于激光光强检测的无人机飞控设备，包括地面装置和无人机端装置，特征在于：
地面装置包括：
激光光束发射枪1，用于为无人机端装置发射调整姿态的飞行引导光束，并分别为激光通信模块2和激光测距处理模块4发射激光光束测距光束，这些激光光束均为半径为50cm至100cm的平行光束；
激光通信模块2，用于对需要发送给无人机端的信息进行编码调制，并通过激光光束发射枪1发送给无人机端；
激光测距回波接收头3，用于接收测距光束打在无人机装置上时被反射的回波，并将该回波传给激光测距处理模块4；
激光测距处理模块4，用于通过激光光束发射枪1和激光测距回波接收头3测量地面控制装置与无人机端之间的距离，并将该距离信息上传给主控单元6；
操作面板5，用于录入操作人员的控制指令，并发送给主控单元6。
主控单元6，用于处理操作面板5输入的指令，并协调整个系统的运行；
无人机端装置包括：
激光光强感应面板7，用于感应地面控制设备发射的激光光束，并将接收到的模拟信号发送到ADC转换模块8和无人机端的激光通信模块9；
ADC转换模块8，用于将激光光强感应面板7的模拟信号转换成数字信号，并发送给处理单元10；
激光通信模块9，用于接收激光光强感应面板7的信号，判断光束中是否有激光通信信息，若有，则对其进行译码，并将译码后结果发送给处理单元10；
处理单元10，用于根据ADC转换模块8发送的转换后激光光强信号，以及激光通信模块9译码后的数据，向无人机发送控制指令，以使无人机飞行在引导光束内。
作为优选，所述激光光束发射枪1，由U形支架，激光发射器和底部基座构成，激光发射器通过一根横轴固定在U形支架上，并绕该横轴能进行180度转动，U形支架通过一根竖轴固定于底部基座，并绕该竖轴能进行360度转动，激光发射器发射出的激光光束为半径为50cm至100cm的平行光束。
作为优选，所述操作面板5由显示屏和m个按键构成，显示屏用于显示操作过程中的信息，按键用于用户数据的输入，m大于等于5且小于等于20。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明中地面端装置与无人机端装置间采用激光通信，整个控制过程不采用无线电通讯方式,从而避免了电磁干扰,保证了无人机飞行控制的稳定性与安全性。
2.本发明中通过激光光束来引导无人机的飞行,使得操作人员能够实时观察到激光光束与无人机的相对位置情况。
3.本发明中引导光束为50cm至100cm的平行光束，无人机端装置保证无人机始终在光束内飞行，控制精度高。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中的激光光强感应面板示意图；
图3是本发明中无人机端装置根据引导光束进行姿态调整的示意图；
图4是本发明中控制无人机端装置与地面端装置距离的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细描述。
本发明包括地面端装置和无人机端装置两部分，其中：
地面端装置，用于为无人机端设备发射用于姿态控制引导光束，同时通过激光测距获得地面端设备与无人机端装置之间的距离，再经过对该距离处理后，利用激光通信方式向无人机端装置发送控制信息；
无人机端装置，用于接收地面端装置发射的引导光束和激光通信光束，再经过对该光束的接收处理，向无人机发送控制指令，以使无人机飞行在激光光束内。
参考图1,本发明的结构如下：
所述地面端装置，包括激光光束发射枪1、激光通信模块2、激光测距回波接收头3、激光测距处理模块4、操作面板5和主控单元6。操作面板5与主控单元6双向连接。主控单元6与激光通信模块2单向相连,与激光测距处理模块4双向相连。激光通信模块2与激光光束发射枪1单向相连。激光测距处理模块4与激光光束发射枪1单向相连。激光测距回波接收头3与激光测距处理模块4单向相连。其中：
激光光束发射枪1，由U形支架11，激光发射器12和底部基座13构成，激光发射器12通过一根横轴固定在U形支架11上，并绕该横轴能进行180度转动，U形支架11通过一根竖轴固定于底部基座13，并绕该竖轴能进行360度转动，激光发射器12发射出的激光光束为半径为50cm至100cm的平行光束。
操作面板5，由显示屏51和m个按键52构成，显示屏51用于显示操作过程中的信息，按键52用于用户数据的输入，m大于等于5且小于等于20。
所述无人机端装置，包括激光光强感应面板7、ADC转换模块8、激光通信模块9和处理单元10。激光光强感应面板7分别与ADC转换模块8、激光通信模块9单向相连。ADC转换模块8与处理单元10单向相连。激光通信模块9与处理单元10单向相连。处理单元10对无人机平台提供一个控制接口。其中，激光光强感应面板7，如图3所示。
参考图2,激光光强感应面板7由PCB板71和n个光电二极管72构成，这些光电二极管72安装于PCB板71上的不同位置，用于感应激光照射情况，n大于等于4。
本实例基于激光光强检测的无人机飞控设备,对无人机的控制分为两个过程：
一是地面端装置发射引导激光光束，无人机端装置控制无人机飞行于引导光束内，以使无人机相对于地面端装置的方向与引导光束一致；
二是地面端装置检测其与无人机的距离，并通过激光通信发送指令进行调整，确定无人机端与地面端的距离。
通过以上两个过程可确定无人机在以地面端装置为原点的球坐标中的坐标，即确定了无人机的三维空间位置。下面分别对两个过程进行进一步说明：
过程1：控制无人机相对于地面端装置的方向。
1.1)地面端装置通过激光光束发射枪1中的激光发射器12发射半径为50cm至100cm的引导光束，该光束所在方向即为无人机相对于地面端装置的方向；
1.2)无人机端装置的激光光强感应面板7接收引光束的照射，其上的n个光电二极管72将激光光强信号转换成n路模拟电信号，该n路模拟信号再经过ADC转换模块8转换成n路数字值送至处理单元10；
1.3)处理单元10先计算n路数字值的均值与方差；然后根据该均值与方差确定无人机相对引导光束的偏离情况：
1.4)根据该n路数字值中的最大值的10％设定方差阈值a，另再根据该n路数字值中的最大值的80％设定均值阈值b；
1.5)将计算得到的n路数字值方差与阈值比较，确定无人机飞行是否偏离激光光束：
当处理单元10对该n路数字值计算后得到的方差小于等于a，且均值大于等于b时，说明激光光强感应面板7上的n个光电二极管72能够均匀地被引导光束照射,即无人机完全飞行于激光光束内，未发生偏离；
当处理单元10对该n路数字值计算后得到的方差大于a时，激光光强感应面板7上的n个光电二极管72未能全部被激光光束照射,说明无人机在飞行过程中偏离了引导光束,即该n个光电二极管72中经过ADC转换模块8转换后输出值较小部分所在方向为无人机相对引导光束的偏离方向，如图3所示。在此种情况下，处理单元10给无人机发送向相对引导光束偏离方向相反方向飞行的控制指令,以使无人机向光束内飞行。
过程2：调整无人机相对于地面端装置的距离。
2.1)操作人员首先通过操作面板5上的按键52向地面端装置输入无人机端装置与地面端装置之间的设定距离；
2.2)地面端装置测量与无人机端之间的距离并发送控制信息：
参照图4，本过程的实现如下：
地面端装置的激光测距处理模块4控制激光光束发射枪1的激光发射器12发射一束测距光束,该测距光束打在无人机端装置上后反射回激光回波信号；
激光测距回波接收头3接收该回波信号,并将该信号送至激光测距处理模块4；
激光测距处理模块4对该回波信号进行脉冲恢复处理，得到无人机距地面端装置的实测距离，并将距离信息传给主控单元6；
主控单元6将实测距离与设定的距离进行比较：若实测距离小于设定距离，则生成让无人机增加与地面端装置之间距离的控制信息，发送给激光通信模块2；若实测距离大于设定距离，则生成让无人机减小与地面端装置之间距离的控制信息，发送给激光通信模块2；
激光通信模块2接收主控单元6发送的控制信息，将该控制信息编码调制后，通过激光光束发射枪1的激光发射器12以激光光束形式发送出去；
2.3)无人机端装置接收地面端装置发送的信息并控制无人机飞行
2.3.1)通过无人机端装置的激光光强感应面板7接收引光束的照射，使其上的n个光电二极管72将激光光强信号转换成n路模拟电信号，并将该n路模拟电信号发送给ADC转换模块8和激光通信模块9；
2.3.2)激光通信模块9取该n路模拟电信号中来源于激光光强感应面板7中心位置光电二极管的一路，并对该路模拟电信号进行时域采样，计算采样值的方差；
2.3.3)根据该路采样值中最大值的20％设定方差阈值c；
2.3.4)将计算得到的方差与阈值c进行比较，确定光束中是否有激光通信信息：
当方差小于阈值c时，则激光光束中不存在通信信息，无需对激光光强感应面板7发送的模拟信号进一步处理，返回2.3.1)；
当方差大于阈值c时，激光光束中存在通信信息，激光通信模块9将接收激光光强感应面板7发送的模拟信号恢复成处理单元10能处理的晶体管-晶体管逻辑电平TTL数字信号，并把该数字信号发给无人机端设备的处理单元10；处理单元10读取该TTL数字信号中控制信息，向无人机发送控制指令，以控制无人机与地面端装置的距离。
主控单元6协调整个系统的工作，使上述两个过程交替运行，且两个过程运行都用到了激光光束发射枪1，激光测距处理模块4与激光通信模块2共用激光光束发射枪1，并以时分复用的方式对激光光束发射枪1进行占用。过程2中地面端装置与无人机端装置之间的通信为单向通信，地面端装置通过激光光束发射枪1向无人机端的激光光强感应面板7发送控制信息。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原来后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于激光光强检测的无人机飞控设备，包括地面装置和无人机端装置，特征在于：
地面装置包括：
激光光束发射枪(1)，用于为无人机端装置发射调整姿态的飞行引导光束，并分别为激光通信模块(2)和激光测距处理模块(4)发射激光光束；
激光通信模块(2)，用于对需要发送给无人机端的信息进行编码调制，并通过激光光束发射枪(1)发送给无人机端；
激光测距回波接收头(3)，用于接收测距光束打在无人机装置上时被反射的回波，并将该回波传给激光测距处理模块(4)；
激光测距处理模块(4)，用于通过激光光束发射枪(1)和激光测距回波接收头(3)测量地面控制装置与无人机端之间的距离，并将该距离信息上传给主控单元(6)；
操作面板(5)，用于录入操作人员的控制指令，并发送给主控单元(6)。
主控单元(6)，用于处理操作面板(5)输入的指令，并协调整个系统的工作；
无人机端装置包括：
激光光强感应面板(7)，用于感应地面控制设备发射的激光光束，并将接收到的模拟信号发送到ADC转换模块(8)和无人机端的激光通信模块(9)；
ADC转换模块(8)，用于将激光光强感应面板(7)的模拟信号转换成数字信号，并发送给处理单元(10)；
激光通信模块(9)，用于接收激光光强感应面板(7)的信号，判断光束中是否有激光通信信息，若有，则对其进行译码，并将译码后结果发送给处理单元(10)；
处理单元(10)，用于根据ADC转换模块(8)发送的转换后激光光强信号，以及激光通信模块(9)译码后的数据，向无人机发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光光束发射枪(1)，由U形支架，激光发射器和底部基座构成，激光发射器通过一根横轴固定在U形支架上，并绕该横轴能进行180度转动，U形支架通过一根竖轴固定于底部基座，并绕该竖轴能进行360度转动，激光发射器发射出的激光光束为半径为50cm至100cm的平行光束。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激光测距处理模块(4)与激光通信模块(2)共用激光光束发射枪(1)，并以时分复用的方式对激光光束发射枪(1)进行占用。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光光强感应面板(7)，由PCB板和n个光电二极管构成，这些光电二极管安装于PCB板上不同位置，用于感应激光照射情况，n大于等于4。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，地面端装置与无人机端装置之间的通信为单向通信，地面端装置通过激光光束发射枪(1)向无人机端的激光光强感应面板(7)发送控制信息。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，操作面板(5)由显示屏和m个按键构成，显示屏用于显示操作过程中的信息，按键用于用户数据的输入，m大于等于5且小于等于20。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激光通信模块(9)对激光通信信息进行译码，是将接收激光光强感应面板(7)发送的模拟信号恢复成处理单元(10)能处理的晶体管-晶体管逻辑电平TTL数字信号。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激光通信模块(9)判断光束中是否有激光通信信息，是先对接收激光光强感应面板(7)发送的模拟信号进行采样，再计算该采样值的方差，最后比较该方差与最大采样值，若方差大于最大采样值的百分之二十，则认为激光光束中存在通信信息，否则，不存在通信信息。
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