CN110262550A - 一种无人机空中管控黑匣子*** - Google Patents
一种无人机空中管控黑匣子*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无人机空中管控黑匣子***，包括服务器、黑匣子和飞控，黑匣子和飞控安装在无人机上，且服务器与黑匣子之间、黑匣子与飞控之间分别通过通信数据传输协议进行数据的相互传输；还包括后台程序BP和前台程序FP，后台程序BP为主流程，其依次包括***初始化程序BP1、传感器校准程序BP2、20ms定时时间到判断程序BP3和数据指令综合处理程序BP4，前台程序FP为中断服务程序，其包括对20ms定时标志置1的定时器中断服务程序FP1、用于中断接收飞控发来的数据的串口接收中断服务程序FP2以及对上位机发送的指令进行识别的串口接收中断服务程序FP3，上位机指令包括返航和紧急降落。本发明通过空中管控黑匣子***的设置能够对无人机进行更好的空中管控。
Description
技术领域
本发明属于无人机通信和控制技术领域，尤其涉及一种无人机空中管控黑匣子***。
背景技术
无人机(Unmanned Aerial Vehicle，缩写为UAV)是一种用无线电遥控或以自身程序控制飞行的不载人飞行器。无人机在飞行过程中，现需要对无人机的运行状态进行监控。
相关技术中，多通过无人机测控***对无人机的运行状态进行监控。无人机测控***对无人机运行状态的监控主要包括：获取无人机的编号、运营信息、位置信息和姿态信息；将获取到的所述位置信息和姿态信息即时传输给云端服务器或者记录在机载存储设备中。一般地，无人机与云端服务器之间通过移动网络通信。
现有设备具有以下不足：
一、现有无人机黑匣子设备仅仅有记录数据的功能，若无人机脱离了自身遥控器或者地面控制***的控制范围，或者和地面控制***的通信断开时，则现有无人机黑匣子设备无法对无人机进行控制；
二、现有黑匣子设备往往是记录无人机飞控的位置和姿态信息，而无法自身测量位置和姿态，那么在无人机的传感器受到干扰或发生损坏时，所记录的数据为错误的数据，则无法起到实际监测无人机飞行数据的作用；
三、目前市面上已有的产品仍然具有数据传输速率较低(1Hz)、高度精度较低(±1m)、最大飞行高度受限于飞行区域及移动网络信号的缺点。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无人机空中管控黑匣子***，通过空中管控黑匣子***的设置能够对无人机进行更好的空中管控。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种无人机空中管控黑匣子***，包括服务器、黑匣子和飞控，所述黑匣子和飞控安装在无人机上，且服务器与黑匣子之间、黑匣子与飞控之间分别通过通信数据传输协议进行数据的相互传输；
还包括后台程序BP和前台程序FP，所述后台程序BP为主流程，所述前台程序FP为中断服务程序；
所述后台程序BP依次包括***初始化程序BP1、传感器校准程序BP2、20ms定时时间到判断程序BP3和数据指令综合处理程序BP4；所述***初始化程序BP1用于对***时钟、中断向量、定时器、I/O口、变量、所有外设、中断服务程序的初始化；所述传感器校准程序BP2用于对陀螺仪零偏校准、加速度计零偏校准、磁罗盘校准；所述20ms定时时间到判断程序BP3用于对20ms定时时间到进行准确判断，判断是则通过数据指令综合处理程序BP4对数据指令进行综合处理，判断否则重新进行判断，且通过20ms定时时间到判断程序BP3对20ms定时时间到进行准确判断以及通过数据指令综合处理程序BP4对数据指令进行综合处理在后台无限循环；
所述数据指令综合处理程序BP4包括传感器数据采集及单位换算程序BP41、GPS数据采集及处理程序BP42、飞控数据转存程序BP43、指令分析与处理程序BP44、数据发送程序BP45和运行数据存储与记录程序BP46；所述传感器数据采集及单位换算程序BP41对陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计的各检测数据采集及单位换算；所述飞控数据转存程序BP43转存飞控发来的无人机姿态和位置信息；所述指令分析预处理程序BP44对上位机发来的指令进行解码，并进行数据命令输出；所述数据发送程序BP45采用编码形式将黑匣子测得的姿态和位置信息，以及飞控发来的姿态和位置信息，通过串口发送给上位机，或通过4G网络发送给服务器；所述运行数据存储与记录程序BP46将无人机运行中的重要参数存储到SD卡中，为故障解决服务；
所述前台程序FP包括对20ms定时标志置1的定时器中断服务程序FP1、用于中断接收飞控发来的数据的串口接收中断服务程序FP2以及对上位机发送的指令进行识别的串口接收中断服务程序FP3；上位机指令包括返航和紧急降落。
进一步地，所述通信数据传输协议分别为飞控发送数据给黑匣子的上行协议、黑匣子发送数据给服务器的上行协议、服务器对黑匣子发送指令的下行协议以及黑匣子(2)对飞控发送指令的下行协议。
进一步地，所述黑匣子包括电源模块、4G-LTE模块、微控制单元MCU、USIM卡、SD卡模块和传感器模块；所述电源模块、4G-LTE模块、USIM卡、SD卡模块以及传感器模块均集成于微控制单元MCU上，所述电源模块用于给4G-LTE模块、微控制单元MCU以及传感器模块供电；所述微控制单元MCU通过串口连接飞控；所述传感器模块包括九轴惯性测量单元和气压计，所述九轴惯性测量单元用于对无人机的飞行姿态进行检测，所述气压计用于检测无人机所处高度的气压以得出无人机的飞行高度。
进一步地，所述电源模块包括外部供电模块和飞控5V输出供电模块；所述外部供电模块具体为微控制单元MCU外接锂电池；所述飞控5V输出供电模块通过串口连接微控制单元MCU进行5V供电输入，且可为锂电池充电。
进一步地，所述4G-LTE模块的型号为EC20R2.0，其包括用于对无人机进行定位的GNSS模块。
进一步地，所述九轴惯性测量单元为MPU9250传感器，其内部包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁罗盘，以对无人机的飞行姿态进行检测。
进一步地，所述气压计为高分辨率气压传感器MS5611-01BA，其包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位∑模数转换器。
有益效果：本发明的一种无人机空中管控黑匣子***，有益效果如下：
1)本发明技术方案中采用了多种供电方式，既可以通过飞控输出的5V供电，也可以通过配备锂电池进行供电。实际使用时，锂电池和飞控5V输出可以同时接到黑匣子上，此时优先使用飞控的5V输出进行供电，并且可以对锂电池进行充电，若飞控输出的电量较低，则可以通过黑匣子配备的锂电池供电，提供了一种备用电源的方案，保证黑匣子工作的可靠性，即时在飞控低电时仍然能够记录飞机的运行数据；
2)一次后台循环需要20ms，则数据传输的频率最大可达到50Hz，因此数据传输速率在1～50Hz之间可以调节，在不需要特别精确得知无人机运行数据的情况下，可降低数据传输速率，从而降低功耗，在需要更为精确地监控无人机运行情况时，本***也可满足要求；
3)本***可以接收上位机或服务器的指令，经过解析后，可以转发给无人机，实现对无人机的控制。在实际使用过程中，如果无人机和地面控制端失去了连接，那么仍然可以通过和黑匣子配套的上位机或服务器，对无人机进行间接控制，命令无人机返航或者紧急降落，可以在一定程度上减少因为无人机失联造成的损失。
附图说明
附图1为数据在服务器——黑匣子——飞控之间传输的结构示意图；
附图2为本发明的***控制流程图；
附图3为电源模块的外部5V输入供电的电路示意图；
附图4为电源模块给锂电池充电的电路示意图；
附图5为电源模块3.3V供电的电路示意图；
附图6为电源模块3.8V供电的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示，一种无人机空中管控黑匣子***，包括服务器1、黑匣子2和飞控3，所述黑匣子2和飞控3安装在无人机上，且服务器1与黑匣子2之间、黑匣子与飞控3之间分别通过通信数据传输协议进行数据的相互传输。
如附图2所示，还包括后台程序BP和前台程序FP，所述后台程序BP为主流程，所述前台程序FP为中断服务程序。
所述后台程序BP依次包括***初始化程序BP1、传感器校准程序BP2、20ms定时时间到判断程序BP3和数据指令综合处理程序BP4；所述***初始化程序BP1用于对***时钟、中断向量、定时器、I/O口、变量、所有外设、中断服务程序的初始化；所述传感器校准程序BP2用于对陀螺仪零偏校准、加速度计零偏校准、磁罗盘校准；所述20ms定时时间到判断程序BP3用于对20ms定时时间到进行准确判断，判断是则通过数据指令综合处理程序BP4对数据指令进行综合处理，判断否则重新进行判断，且通过20ms定时时间到判断程序BP3对20ms定时时间到进行准确判断以及通过数据指令综合处理程序BP4对数据指令进行综合处理在后台无限循环。
所述数据指令综合处理程序BP4包括传感器数据采集及单位换算程序BP41、GPS数据采集及处理程序BP42、飞控数据转存程序BP43、指令分析与处理程序BP44、数据发送程序BP45和运行数据存储与记录程序BP46；所述传感器数据采集及单位换算程序BP41对陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计的各检测数据采集及单位换算；所述飞控数据转存程序BP43转存飞控发来的无人机姿态和位置信息；所述指令分析预处理程序BP44对上位机发来的指令进行解码，并进行数据命令输出；所述数据发送程序BP45采用编码形式将黑匣子2测得的姿态和位置信息，以及飞控发来的姿态和位置信息，通过串口发送给上位机，或通过4G网络发送给服务器1；所述运行数据存储与记录程序BP46将无人机运行中的重要参数存储到SD卡中，为故障解决服务。
所述前台程序FP包括对20ms定时标志置1的定时器中断服务程序FP1、用于中断接收飞控3发来的数据的串口接收中断服务程序FP2以及对上位机发送的指令进行识别的串口接收中断服务程序FP3；上位机指令包括返航和紧急降落。
更为具体的，所述通信数据传输协议分别为飞控3发送数据给黑匣子2的上行协议、黑匣子2发送数据给服务器1的上行协议、服务器1对黑匣子2发送指令的下行协议以及黑匣子2对飞控3发送指令的下行协议。其具体方案如下：
①飞控3发送数据给黑匣子2的上行协议：
在飞控程序中，修改程序使飞控通过串口向黑匣子发送规范的无人机云***数据信息，接下来通过一段发送信息的示例来对该段信息内容进行说明：
获得如下段共79位字符的数据信息(79bits)：
AA 44 16 00 4A 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 02 00 00 01 01 0A00 03 00 00 00 00 00 04 05 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 06 00 00 00 00 0000 00 00 00 60 6A 47 00 D0 84 46 00 4C ED 40 00 00 49 00 0A 0A 0B 0C 0D 00 0000 0D 66 0B
飞控和黑匣子进行数据传输时，飞控总共发送79位字符的数据信息，其中包括消息头、有效数据长度、国际登记标记编码、运营商生成的无人机编号、操作者身份识别、位置和姿态信息、保留字段、及两位CRC校验码。黑匣子串口接收到消息后，首先识别消息头，如果可以正确识别到AA 44 16的消息头，则记录下该段数据，黑匣子和飞控采用相同的校验算法，黑匣子记录数据之后，对数据的前77位做校验，若黑匣子计算出的两位校验码(第78和79位)与飞控发送过来的校验码相同，则认为接收数据成功，可以提取其中的运营信息及位置和姿态信息。
②黑匣子2发送数据给服务器1的上行协议
通过一段发送信息的示例来对该段信息内容进行说明：
获得如下段共92位字符的数据信息(92bits)：
AA 44 16 00 57 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C3 FF 67 FF 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 0A 0A 0C 0D 00 00 00 0D C4 1E
黑匣子和服务器进行数据传输时，总共发送92位字符的数据信息，其中包括消息头、有效数据长度、运营商生成的无人机编号、飞控的位置和姿态信息、黑匣子计算的位置和姿态信息、黑匣子传感器的测量数据、保留字段、及两位CRC校验码。服务器接收到消息后，首先识别消息头，如果可以正确识别到AA 44 16的消息头，则记录下该段数据，服务器端和黑匣子采用相同的校验算法，服务器端记录数据之后，对数据的前90位做校验，若服务器端计算出的两位校验码(第91和92位)与黑匣子发送过来的校验码相同，则认为接收数据成功，即可在服务器上显示运营信息及无人机实时的位置和姿态信息。
③服务器1对黑匣子2发送指令的下行协议以及黑匣子2对飞控3发送指令的下行协议
服务器1对黑匣子2发送指令的下行协议与黑匣子2对飞控3发送指令的下行协议采用同一个通讯协议，如下表格所示：
| 消息头[0]～[2] | 指令保留段[3]～[11] | 指令段[12] | 校验位[13]～[14] |
| AA 44 16 | 00 00 00 00 00 00 00 00 00 | Command | CRC[0]CRC[1] |
指令部分协议由消息头，保留段，指令段，校验位组成。具体的指令为Command，若Command为0则为紧急降落指令，若Command为1则为返航指令。接收指令和转发指令暂时采用同一个通讯协议，可根据不同无人机修改转发指令的协议。
所述黑匣子2包括电源模块、4G-LTE模块、微控制单元MCU、USIM卡、SD卡模块和传感器模块；所述电源模块、4G-LTE模块、USIM卡、SD卡模块以及传感器模块均集成于微控制单元MCU上，所述电源模块用于给4G-LTE模块、微控制单元MCU以及传感器模块供电；所述微控制单元MCU通过串口连接飞控3；所述传感器模块包括九轴惯性测量单元和气压计，所述九轴惯性测量单元用于对无人机的飞行姿态进行检测，所述气压计用于检测无人机所处高度的气压以得出无人机的飞行高度。
如附图3至附图6所示，所述电源模块包括外部供电模块和飞控5V输出供电模块；所述外部供电模块具体为微控制单元MCU外接锂电池；所述飞控5V输出供电模块通过串口连接微控制单元MCU进行5V供电输入，且可为锂电池充电。采用5V输入供电时，通过电平转换实现给4G-LTE模块的3.8V供电，以及给传感器模块的3.3V供电。应注意，优先使用飞控输出的5V供电，此时若和电池连接，可对电池进行充电，无飞控供电的情况下，采用锂电池供电。
所述4G-LTE模块的型号为EC20R2.0，其包括用于对无人机进行定位的GNSS模块，其具有GNSS功能，GNSS功能采用NMEA0183协议。EC20R2.0型号的4G-LTE模块封装紧凑，仅为32.0mm×29.0mm×2.4mm。
微控制单元MCU为意法半导体公司(STMicroelectronics)的STM32F405RG。该MCU以Cortex-M4为内核，闪存(Flash)大小为1Mbytes，内存(Internal RAM)大小为192Kbytes，采用LQFP64封装，时钟频率为168MHz，具有12个16位定时器和2个32位定时器，6个串口(4×USART+2×UART)，3个串行外设接口(SPI：Serial Peripheral Interface)，1个SD卡接口(SDIO)，2个USB-OTG接口。
所述九轴惯性测量单元为MPU9250传感器，其内部包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁罗盘，以对无人机的飞行姿态进行检测。陀螺仪具有可编程的四种量程：±250、±500、±1000、±2000°/sec(度每秒)，加速度计具有可编程的四种量程：±2、±4、±8、±16g，磁罗盘的量程为±4800μT。MPU9250传感器的尺寸为3.0mm×3.0mm×1.0mm。
所述气压计为高分辨率气压传感器MS5611-01BA，其包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位∑模数转换器。MS5611-01BA型号的气压计分辨率可达到10cm，MS5611-01BA提供了一个精确的24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式，可以提高转换速度并优化电流消耗。高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能。MS5611-01BA传感器的尺寸为5.0mm×3.0mm×1.0mm。
本发明还具有以下优点：
4)本发明技术方案中采用了多种供电方式，既可以通过飞控输出的5V供电，也可以通过配备锂电池进行供电。实际使用时，锂电池和飞控5V输出可以同时接到黑匣子上，此时优先使用飞控的5V输出进行供电，并且可以对锂电池进行充电，若飞控输出的电量较低，则可以通过黑匣子配备的锂电池供电，提供了一种备用电源的方案，保证黑匣子工作的可靠性，即时在飞控低电时仍然能够记录飞机的运行数据；
5)一次后台循环需要20ms，则数据传输的频率最大可达到50Hz，因此数据传输速率在1～50Hz之间可以调节，在不需要特别精确得知无人机运行数据的情况下，可降低数据传输速率，从而降低功耗，在需要更为精确地监控无人机运行情况时，本***也可满足要求；
6)本***可以接收上位机或服务器的指令，经过解析后，可以转发给无人机，实现对无人机的控制。在实际使用过程中，如果无人机和地面控制端失去了连接，那么仍然可以通过和黑匣子配套的上位机或服务器，对无人机进行间接控制，命令无人机返航或者紧急降落，可以在一定程度上减少因为无人机失联造成的损失。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：包括服务器(1)、黑匣子(2)和飞控(3)，所述黑匣子(2)和飞控(3)安装在无人机上，且服务器(1)与黑匣子(2)之间、黑匣子与飞控(3)之间分别通过通信数据传输协议进行数据的相互传输；
还包括后台程序BP和前台程序FP，所述后台程序BP为主流程，所述前台程序FP为中断服务程序；
所述后台程序BP依次包括***初始化程序BP1、传感器校准程序BP2、20ms定时时间到判断程序BP3和数据指令综合处理程序BP4；所述***初始化程序BP1用于对***时钟、中断向量、定时器、I/O口、变量、所有外设、中断服务程序的初始化；所述传感器校准程序BP2用于对陀螺仪零偏校准、加速度计零偏校准、磁罗盘校准；所述20ms定时时间到判断程序BP3用于对20ms定时时间到进行准确判断，判断是则通过数据指令综合处理程序BP4对数据指令进行综合处理，判断否则重新进行判断，且通过20ms定时时间到判断程序BP3对20ms定时时间到进行准确判断以及通过数据指令综合处理程序BP4对数据指令进行综合处理在后台无限循环；
所述数据指令综合处理程序BP4包括传感器数据采集及单位换算程序BP41、GPS数据采集及处理程序BP42、飞控数据转存程序BP43、指令分析与处理程序BP44、数据发送程序BP45和运行数据存储与记录程序BP46；所述传感器数据采集及单位换算程序BP41对陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计的各检测数据采集及单位换算；所述飞控数据转存程序BP43转存飞控发来的无人机姿态和位置信息；所述指令分析预处理程序BP44对上位机发来的指令进行解码，并进行数据命令输出；所述数据发送程序BP45采用编码形式将黑匣子(2)测得的姿态和位置信息，以及飞控发来的姿态和位置信息，通过串口发送给上位机，或通过4G网络发送给服务器(1)；所述运行数据存储与记录程序BP46将无人机运行中的重要参数存储到SD卡中，为故障解决服务；
所述前台程序FP包括对20ms定时标志置1的定时器中断服务程序FP1、用于中断接收飞控(3)发来的数据的串口接收中断服务程序FP2以及对上位机发送的指令进行识别的串口接收中断服务程序FP3；上位机指令包括返航和紧急降落。
2.根据权利要求1所述的一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：所述通信数据传输协议分别为飞控(3)发送数据给黑匣子(2)的上行协议、黑匣子(2)发送数据给服务器(1)的上行协议、服务器(1)对黑匣子(2)发送指令的下行协议以及黑匣子(2)对飞控(3)发送指令的下行协议。
3.根据权利要求1所述的一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：所述黑匣子(2)包括电源模块、4G-LTE模块、微控制单元MCU、USIM卡、SD卡模块和传感器模块；所述电源模块、4G-LTE模块、USIM卡、SD卡模块以及传感器模块均集成于微控制单元MCU上，所述电源模块用于给4G-LTE模块、微控制单元MCU以及传感器模块供电；所述微控制单元MCU通过串口连接飞控(3)；所述传感器模块包括九轴惯性测量单元和气压计，所述九轴惯性测量单元用于对无人机的飞行姿态进行检测，所述气压计用于检测无人机所处高度的气压以得出无人机的飞行高度。
4.根据权利要求3所述的一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：所述电源模块包括外部供电模块和飞控5V输出供电模块；所述外部供电模块具体为微控制单元MCU外接锂电池；所述飞控5V输出供电模块通过串口连接微控制单元MCU进行5V供电输入，且可为锂电池充电。
5.根据权利要求3所述的一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：所述4G-LTE模块的型号为EC20R2.0，其包括用于对无人机进行定位的GNSS模块。
6.根据权利要求3所述的一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：所述九轴惯性测量单元为MPU9250传感器，其内部包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁罗盘，以对无人机的飞行姿态进行检测。
7.根据权利要求3所述的一种无人机空中管控黑匣子***，其特征在于：所述气压计为高分辨率气压传感器MS5611-01BA，其包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位∑模数转换器。
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| CN201910552776.7A CN110262550A (zh) | 2019-06-25 | 2019-06-25 | 一种无人机空中管控黑匣子*** |
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN111736193A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-10-02 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种用于无人机作业过程的监控装置 |
| CN113268271A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-17 | 北京航天发射技术研究所 | 一种基于中断方式的控制方法与装置 |
| CN115578803A (zh) * | 2022-09-06 | 2023-01-06 | 山东中联防务科技有限公司 | 一种机载数据转录控制方法、控制***、设备及存储介质 |
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-
2019
- 2019-06-25 CN CN201910552776.7A patent/CN110262550A/zh active Pending
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