CN105068551B - 一种提升续航能力的双无人机控制*** - Google Patents

Abstract

一种提升续航能力的双无人机控制***，它涉及飞行器技术领域，GPS接收器和罗盘模块一、遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一、两个自动对焦摄像头模块均与母无人机CPU主板连接，光纤对接成功传感器模块、行星齿轮箱伺服电机一、电位器位置传感器均与对接/释放线性驱动器马达控制模块连接，电位器位置传感器与行星齿轮箱伺服电机一连接，红外反射位置传感器模块、行星齿轮箱伺服电机二均与无人机定向电机控制模块连接，无人机定向电机控制模块与母无人机CPU主板连接。自动化程度高，易于操控，能将无人机***的续航时间延长5‑10倍；灵活控制两架无人机的拼接与分离，实现工作过程连续且流畅的目的。

Description

一种提升续航能力的双无人机控制***

技术领域：

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种提升续航能力的双无人机控制***。

背景技术：

多旋翼飞行器简称无人机，就是一个飞行器上同时具有多个正迎角旋翼来产生升力，并按照不同方向转动来克服反扭力的飞行器，因为多个旋翼向不同方向转动，这样扭距就是零，甚至可以实现撒手悬停，手控起来也操作自如，在缩短飞行员培训时间的同时，安定性也提高了，如果加装飞控的话，那么复杂的姿态控制程序就可以忽略掉，甚至能够将到处可以买到的固定翼飞控程序移置过来。

但目前的多旋翼飞行器也存在着缺点，首先，多旋翼无人机的续航时间十分令人堪忧，这已严重制约了无人机技术的发展。不管是目前世界上占有率最高的大疆无人机，还是一些行业应用的无人机，一般民用的无人机***航时为20多分钟，行业应用的无人机***航时也仅有1-2小时。而且，目前市面上完全没有续航很长，或者是无限续航的技术。大疆无人机飞行最多维持半小时，通常出门得携带三四块电池才行，国外媒体发布文章称，无人机的商业前景受限于短暂的电池续航和失联风险；另外，目前多旋翼飞行器的任务载荷非常的小，几百克就已经到达极限了，如果要提升负重指标的话，其飞行器的尺寸就要大的惊人了。

目前有一种无人机***续航的专利技术，是让无人机在天上执行任务飞行到快要没电的时候，启动第二架无人机上天执行同样的任务，此时第一架无人机就开始自动返航到起飞地点或是到指定的充电地点，然后这一架无人机就要开始充电，充电完成之后继续起飞，接着第二架无人机再次下来充电，如此循环，达到延长续航时间的目的；当然，第一架无人机充电的时候，可以采取人工充电，也可以使用机器视觉来让无人机自动发现充电的准备位置，然后无人机返回地面停留在上面实现自动充电，可以采取接触充电或是非接触的无线充电。

但是，不管是上述提到的哪一种方式，在执行关键任务的时候，总是存在中断或者是接续性不连续的问题，因为第一架无人机和第二架无人机是脱离的，第一架无人机没电时的具***置，并非第二架无人机过来就正好对应的位置。因此，这种续航技术存在无人机***续航位置不精确的缺陷。

同时，还存在执行的任务分离的缺陷：比如，第一架无人机拍摄关键视频或是图片，此时第一架无人机没电，只能带着摄像机离开充电；第二架无人机带着另外的摄像机重新起飞执行任务；这里面的细节存在中断，或是回来之后必须进行合并处理，非常繁琐，容易遗漏关键信息。

另外，同样的载荷，使用上述的分离的两架无人机，是无法实现长航时的；如果是同样的航时，也是无法实现更大的载荷的。因此，现有无人机的载荷和航时不能灵活变化。

发明内容：

本发明的目的是提供一种提升续航能力的双无人机控制***，它自动化程度高，易于操控，能将无人机***的续航时间延长5-10倍；灵活控制两架无人机的对接与分离，实现工作过程连续且流畅的目的；并且其载荷和航时能灵活变化。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含母无人机、子无人机、对接装置，母无人机的中部为对接控制装置，对接控制装置的下端与子无人机的上端通过对接装置连接在一起；其中，对接装置采用圆锥形插接设计，且母无人机、子无人机通过对接装置的插接、分离实现双无人机对接与脱离；子无人机的下端安装有任务执行装置，比如，相机、云台等。

本发明中，母无人机的控制***包含母无人机旋翼马达、电机速度控制模块一、电池电源一、母无人机CPU主板、电压电流传感器模块一、GPS接收器和罗盘模块一、光纤对接成功传感器模块、对接/释放线性驱动器马达控制模块、遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一、数个自动对焦摄像头模块、红外反射位置传感器模块、无人机定向电机控制模块，数个母无人机旋翼马达分别连接数个电机速度控制模块一，数个电机速度控制模块一相互并联后分别与母无人机CPU主板、电池电源一连接，电池电源一分别与母无人机CPU主板、电压电流传感器模块一连接，GPS接收器和罗盘模块一、遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一、数个自动对焦摄像头模块均与母无人机CPU主板连接，遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一分别与其相对应的天线连接，光纤对接成功传感器模块、齿轮减速箱伺服电机一、电位器位置传感器均与对接/释放线性驱动器马达控制模块连接，电位器位置传感器与齿轮减速箱伺服电机一连接，红外反射位置传感器模块、齿轮减速箱伺服电机二均与无人机定向电机控制模块连接，无人机定向电机控制模块与母无人机CPU主板连接。

本发明中，子无人机的控制***包含子无人机旋翼马达、电机速度控制模块二、电池电源二、子无人机CPU主板、电压电流传感器模块二、GPS接收器和罗盘模块二、遥测无线电收发模块二、无线电控制接收器模块二、相机万向节控制模块、摄像头模块、视频信号发送模块，数个无人机旋翼马达分别连接数个电机速度控制模块二，数个电机速度控制模块二相互并联后分别与电池电源二、子无人机CPU主板连接，电池电源二分别与电压电流传感器模块二、相机万向节控制模块、摄像头模块连接，电压电流传感器模块二、相机万向节控制模块均与子无人机CPU主板连接，摄像头模块与视频信号发送模块连接，视频信号发送模块上连接有天线，遥测无线电收发模块二、无线电控制接收器模块二均与子无人机CPU主板连接，遥测无线电收发模块二、无线电控制接收器模块二上分别连接有天线。

本发明的原理为：任务进行过程中，母无人机与子无人机均通过遥测无线电收发模块、无线电控制接收器模块与地面的无线电控制器通讯。电压电流传感器模块实时监测母无人机、子无人机的电量，若电量低时，则发出低电量警告，便于地面驾驶员作出应对。GPS接收器和罗盘模块用于定位，该定位有两种作用：一、地面驾驶员能够得知两架飞机的位置；二、对接之前，母无人机可以通过GPS接收器和罗盘模块定位子无人机，并作出位置调整。对接之前，自动对焦摄像头模块帮助寻找子无人机，红外反射位置传感器模块用于确定母无人机与子无人机之间的对接位置。光纤对接成功传感器模块、对接/释放线性驱动器马达控制模块相配合，能够实现对接成功后给出信号，并驱动伺服电机进行锁紧，当两架飞机需要分离时，对接/释放线性驱动器马达控制模块用于释放锁紧机构。

本发明具有以下有益效果：

1、控制***简单易实现、易操控，对驾驶员的培训更简单快捷。

2、控制***自动化程度高，灵活控制两架无人机的对接与分离，实现工作过程连续且流畅的目的。

3、与双无人机结构相配合，实现了无人机的载荷和航时灵活多变的目的。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中母无人机与子无人机对接的结构示意图；

图3为图2的右视图；

图4为本发明中母无人机的电路原理框图；

图5为本发明中子无人机的电路原理框图；

图6为本发明的工作流程图；

图7为实施例的电路原理图；

附图标记：

1—母无人机；2—子无人机；3—对接装置；4—对接控制装置；

S1—电位器位置传感器；M1—齿轮减速箱伺服电机一；M2—齿轮减速箱伺服电机二；n—母无人机旋翼马达；m—电机速度控制模块一；E1—电池电源一；U1—母无人机CPU主板；U2—电压电流传感器模块一；U3—GPS接收器和罗盘模块一；U4—光纤对接成功传感器模块；U5—对接/释放线性驱动器马达控制模块；U6—遥测无线电收发模块一；U7—无线电控制接收器模块一；U8—自动对焦摄像头模块一；U9—自动对焦摄像头模块二；U10—无人机定向电机控制模块；U11—红外反射位置传感器模块；T1—天线一；T2—天线二；

z—子无人机旋翼马达；y—电机速度控制模块二；E2—电池电源二；U12—子无人机CPU主板；U13—电压电流传感器模块二；U14—GPS接收器和罗盘模块二；U15—遥测无线电收发模块二；U16—无线电控制接收器模块二；U17—相机万向节控制模块；U18—摄像头模块；U19—视频信号发送模块；T3—天线三；T4—天线四；T5—天线五。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1-图3，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含母无人机1、子无人机2、对接装置3，母无人机1的中部为对接控制装置4，对接控制装置4的下端与子无人机2的上端通过对接装置3连接在一起。所述的母无人机1选用六旋翼的较大飞机，子无人机2选用四旋翼的小飞机；母无人机1、子无人机2的旋翼是旋转方向相反或者一对一错开的；所以可以同时启动，也可以单独启动。如果双层无人机同时启动，则载荷就能提高，航时也能提高；如果仅启动其中的一架无人机，则载荷和航时就会变小，起到灵活多变的功效。

参看图4，所述的母无人机1中，对接控制装置4的控制电路包含母无人机旋翼马达n、电机速度控制模块一m、电池电源一E1、母无人机CPU主板U1、电压电流传感器模块一U2、GPS接收器和罗盘模块一U3、光纤对接成功传感器模块U4、对接/释放线性驱动器马达控制模块U5、遥测无线电收发模块一U6、无线电控制接收器模块一U7、无人机定向电机控制模块U10、天线一T1、天线二T2，六个母无人机旋翼马达n分别连接六个电机速度控制模块一m，数个电机速度控制模块一m相互并联后分别与母无人机CPU主板U1、电池电源一E1连接，电池电源一E1分别与母无人机CPU主板U1、电压电流传感器模块一U2连接，GPS接收器和罗盘模块一U3、遥测无线电收发模块一U6、无线电控制接收器模块一U7、自动对焦摄像头模块一U8、自动对焦摄像头模块二U9均与母无人机CPU主板U1连接，遥测无线电收发模块一U6、无线电控制接收器模块一U7分别与天线一T1、天线二T2连接，光纤对接成功传感器模块U4、齿轮减速箱伺服电机一M1、电位器位置传感器S1均与对接/释放线性驱动器马达控制模块U5连接，电位器位置传感器S1与齿轮减速箱伺服电机一M1连接，红外反射位置传感器模块U11、齿轮减速箱伺服电机二M2均与无人机定向电机控制模块U10连接，无人机定向电机控制模块U10与母无人机CPU主板U1连接。

参看图5，所述的子无人机1的控制电路包含子无人机旋翼马达z、电机速度控制模块二y、电池电源二E2、子无人机CPU主板U12、电压电流传感器模块二U13、GPS接收器和罗盘模块二U14、遥测无线电收发模块二U15、无线电控制接收器模块二U16、相机万向节控制模块U17、摄像头模块U18、视频信号发送模块U19、天线三T3、天线四T4、天线五T5，四个无人机旋翼马达z分别连接四个电机速度控制模块二y，数个电机速度控制模块二y相互并联后分别与电池电源二E2、子无人机CPU主板U12连接，电池电源二E2分别与电压电流传感器模块二U13、相机万向节控制模块U17、摄像头模块U18连接，电压电流传感器模块二U13、相机万向节控制模块U17均与子无人机CPU主板U12连接，摄像头模块U18与视频信号发送模块U19连接，视频信号发送模块U19上连接有天线五T5，遥测无线电收发模块二U15、无线电控制接收器模块二U16均与子无人机CPU主板U12连接，遥测无线电收发模块二U15、无线电控制接收器模块二U16上分别连接有天线三T3、天线四T4。

参看图6，本具体实施方式的工作流程为：

a、任务启动之前对母无人机1、子无人机2进行检查；

b、将两个无线电控制器打开；

c、母无人机1、子无人机2均放置在地面上，并保证间距10-20m，打开母无人机1和子无人机2的电源；

d、等待并检查GPS定位LED状态指示，母无人机1、子无人机2的GPS接收器和罗盘模块均定位完成后，手动对接母无人机1和子无人机2；

e、通过主驾驶员设置飞行模式开关至双无人机飞行模式（在此模式下，只有母无人机1的电机提供飞行动力）；

f、在主驾驶员的控制下，母无人机1携带子无人机2起飞，同时，两架无人机所发送的飞行状态、GPS定位数据、取向、以及视频信号都是通过遥测无线电收发模块控制的（在任务中，副驾驶员也能使母无人机1起飞）；

g、飞行过程中，电压电流传感器模块实时监测母无人机1、子无人机2的电池电量，若子无人机2电量低，则控制人员可以选择是否让母无人机1继续工作：若让母无人机1继续工作，则待其发出低电量警告时携带子无人机1飞回发射场地，任务完成；若让母无人机1停止工作，则母无人机1直接携带子无人机1飞回发射场地，任务完成；

h、若母无人机1发出低电量警告，无需继续执行任务时，母无人机1直接携带子无人机1飞回发射场地，任务完成；若母无人机1发出低电量警告，但任务仍需继续时，主驾驶员给两架无人机发送预飞行模式信号，启动子无人机2的马达，使其得以支撑自身的重量；

i、此时，对接/释放线性驱动器马达控制模块U5处于释放位置，松开下方的子无人机2，母无人机1将迅速飞到子无人机2上方15-25m的高度，而子无人机2继续任务，母无人机1飞回发射场地，并自动切断电源；

j、副驾驶员帮助母无人机1换上新充电电池，并打开电源，等待GPS定位；

k、GPS定位成功后，主驾驶员将母无人机1设定预对接飞行模式，母无人机1接收子无人机2的GPS位置和高度数据，然后母无人机1飞往子无人机2GPS位置上方20m的位置；

l、两个自动对焦摄像头模块打开并搜索子无人机2，母无人机1一旦发现子无人机2则将其锁定，控制***会指引母无人机1慢慢飞向子无人机2，一旦控制***检测到相机焦距比预定值小，或者小于对接装置3中圆锥体的高度，则控制***调整到对接飞行模式并完成对接（对接前，母无人机1将通过子无人机2的GPS接收器和罗盘模块调整方向）；

m、光纤对接成功传感器模块U4能够检测对接是否到位，当对接到位后，发出对接成功的信号，母无人机CPU主板U1接收到该信号后通过对接/释放线性驱动器马达控制模块U5启动齿轮减速箱伺服电机一M1；若对接不到位，则重复步骤l；

n、光纤对接成功传感器模块U4发送对接成功信号至地面，主驾驶员将飞行模式变为双无人机飞行模式；

o、重复循环步骤g-步骤n即可实现双无人机***的控制。

实施例：

子无人机可以选择市面上通用的四旋翼无人机即可，母无人机控制***中，其CPU主板的主控芯片可以有多种选择，在本实施例中，选择STM32F10XCXT6型芯片作为主控芯片，参看图7。

对接位置LED一D1、对接位置LED二D2、电阻一R1、电阻二R2与一个PIC16F1824单片机一连接，组成光纤对接成功传感器模块，该PIC16F1824单片机一通过I2C总线与STM32F10XCXT6主控芯片连接；

一个有刷直流电机全桥驱动器DRV8701、一个FET驱动器H-Driver、电位器位置传感器S1、电阻三R3组合成对接/释放线性驱动器马达控制模块，有刷直流电机全桥驱动器DRV8701、电位器位置传感器S1与上述PIC16F1824单片机一相连接，一个FET驱动器H-Driver与齿轮减速箱伺服电机一M1连接；

红外线LED一D3、红外线LED二D4、电阻四R1、电阻二R2与一个PIC16F1824单片机二连接，组成红外反射位置传感器模块，PIC16F1824单片机二通过I2C总线与STM32F10XCXT6主控芯片和两个自动对焦摄像头模块连接，本实施例中的自动对焦摄像头模块选用目前市场上常见的自动对焦摄像头即可；

一个有刷直流电机全桥驱动器DRV8701、一个FET驱动器H-Driver、电阻六R6组合成无人机定向电机控制模块，该有刷直流电机全桥驱动器DRV8701与上述PIC16F1824单片机二相连接，该FET驱动器H-Driver与齿轮减速箱伺服电机二M2连接。

在本实施例中，电池电源采用LD1117AS33稳压块与PTH08080WAH电源模块以及电容、电阻等元件组成；GPS接收器和罗盘模块采用UBLOX-M8N北斗GPS模块、HMC5983三轴电子罗盘芯片相结合；遥测无线电收发模块选用3DR Radio telemetry数传模块；无线电控制接收器模块选用Futaba遥控器，由于本行业惯常采用这样的设计，因而在此不再详细赘述。

最后所应说明的是，以上具体实施方式以及实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种提升续航能力的双无人机控制***，它包含母无人机、子无人机、对接装置，母无人机的中部为对接控制装置，对接控制装置的下端与子无人机的上端通过对接装置连接在一起，其特征在于母无人机的控制***包含母无人机旋翼马达、电机速度控制模块一、电池电源一、母无人机CPU主板、电压电流传感器模块一、GPS接收器和罗盘模块一、光纤对接成功传感器模块、对接/释放线性驱动器马达控制模块、遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一、数个自动对焦摄像头模块、红外反射位置传感器模块、无人机定向电机控制模块，数个母无人机旋翼马达分别连接数个电机速度控制模块一，数个电机速度控制模块一相互并联后分别与母无人机CPU主板、电池电源一连接，电池电源一分别与母无人机CPU主板、电压电流传感器模块一连接，GPS接收器和罗盘模块一、遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一、数个自动对焦摄像头模块均与母无人机CPU主板连接，遥测无线电收发模块一、无线电控制接收器模块一分别与其相对应的天线连接，光纤对接成功传感器模块、齿轮减速箱伺服电机一、电位器位置传感器均与对接/释放线性驱动器马达控制模块连接，电位器位置传感器与齿轮减速箱伺服电机一连接，红外反射位置传感器模块、齿轮减速箱伺服电机二均与无人机定向电机控制模块连接，无人机定向电机控制模块与母无人机CPU主板连接。

2.根据权利要求1所述的一种提升续航能力的双无人机控制***，其特征在于子无人机的控制***包含子无人机旋翼马达、电机速度控制模块二、电池电源二、子无人机CPU主板、电压电流传感器模块二、GPS接收器和罗盘模块二、遥测无线电收发模块二、无线电控制接收器模块二、相机万向节控制模块、摄像头模块、视频信号发送模块，数个无人机旋翼马达分别连接数个电机速度控制模块二，数个电机速度控制模块二相互并联后分别与电池电源二、子无人机CPU主板连接，电池电源二分别与电压电流传感器模块二、相机万向节控制模块、摄像头模块连接，电压电流传感器模块二、相机万向节控制模块均与子无人机CPU主板连接，摄像头模块与视频信号发送模块连接，视频信号发送模块上连接有天线，遥测无线电收发模块二、无线电控制接收器模块二均与子无人机CPU主板连接，遥测无线电收发模块二、无线电控制接收器模块二上分别连接有天线。

3.一种提升续航能力的双无人机控制***，其特征在于它的工作流程为：

(a)、任务启动之前对母无人机、子无人机进行检查；

(b)、将两个无线电控制器打开；

(c)、母无人机、子无人机均放置在地面上，并保证间距10-20m，打开母无人机和子无人机的电源；

(d)、等待并检查GPS定位LED状态指示，母无人机、子无人机的GPS接收器和罗盘模块均定位完成后，手动对接母无人机和子无人机；

(e)、通过主驾驶员设置飞行模式开关至双无人机飞行模式，在此模式下，只有母无人机的电机提供飞行动力；

(f)、在主驾驶员的控制下，母无人机携带子无人机起飞，同时，两架无人机所发送的飞行状态、GPS定位数据、取向、以及视频信号都是通过遥测无线电收发模块控制的，在任务中，副驾驶员也能使母无人机起飞；

(g)、飞行过程中，电压电流传感器模块实时监测母无人机、子无人机的电池电量，若子无人机电量低，则控制人员可以选择是否让母无人机继续工作：若让母无人机继续工作，则待其发出低电量警告时携带子无人机飞回发射场地，任务完成；若让母无人机停止工作，则母无人机直接携带子无人机飞回发射场地，任务完成；

(h)、若母无人机发出低电量警告，无需继续执行任务时，母无人机直接携带子无人机飞回发射场地，任务完成；若母无人机发出低电量警告，但任务仍需继续时，主驾驶员给两架无人机发送预飞行模式信号，启动子无人机的马达，使其得以支撑自身的重量；

(i)、此时，对接/释放线性驱动器马达控制模块处于释放位置，松开下方的子无人机，母无人机将迅速飞到子无人机上方15-25m的高度，而子无人机继续任务，母无人机飞回发射场地，并自动切断电源；

(j)、副驾驶员帮助母无人机换上新充电电池，并打开电源，等待GPS定位；

(k)、GPS定位成功后，主驾驶员将母无人机设定预对接飞行模式，母无人机接收子无人机的GPS位置和高度数据，然后母无人机飞往子无人机GPS位置上方20m的位置；

(l)、两个自动对焦摄像头模块打开并搜索子无人机，母无人机一旦发现子无人机则将其锁定，控制***会指引母无人机慢慢飞向子无人机，一旦控制***检测到相机焦距比预定值小，或者小于对接装置中圆锥体的高度，则控制***调整到对接飞行模式并完成对接，对接前，母无人机将通过子无人机的GPS接收器和罗盘模块调整方向；

(m)、光纤对接成功传感器模块能够检测对接是否到位，当对接到位后，发出对接成功的信号，母无人机CPU主板接收到该信号后通过对接/释放线性驱动器马达控制模块启动齿轮减速箱伺服电机一；若对接不到位，则重复步骤(l)；

(n)、光纤对接成功传感器模块发送对接成功信号至地面，主驾驶员将飞行模式变为双无人机飞行模式；

(o)、重复循环步骤(g)-步骤(n)即可实现双无人机***的控制。