飞行器室内外混合自主巡航系统与方法

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飞行器室内外混合自主巡航系统与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及了一种自主巡航系统与方法，特别是一种飞行器室内外混合自主巡航系统与方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着微电子机械系统、微电子技术、智能控制技术和导航控制技术的不断进步，微小型飞行器得到了快速的发展。微小型飞行器被广泛应用于军事应用、抢险救灾、地理测绘、农林业应用和管线巡检等方面。在各种应用领域的复杂环境中，飞行器的自主巡航越来越受到人们重视。自主巡航就是利用导航控制技术自主飞行，所以导航是关键。
[0003] 导航一般分为自主式导航和非自主式导航两种。非自主导航系统除需要装在载体上的导航设备外，还需要设在其他地方的设备配合工作，才能产生导航信息；而自主导航系统则仅需载体上的导航设备即可产生导航信息。目前的非自主式导航系统主要是无线电导航系统，包括卫星导航系统、伏尔（VOR）导航系统、多普勒（Doppler）导航系统、塔康（TACAN）导航系统和劳兰导航系统，自主式导航系统主要是惯性导航系统。
[0004] 当前，惯性导航系统技术越来越成熟。惯性导航系统是指利用惯性传感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。惯性导航是一种自主式的推算航位系统，它不需要依赖任何外界信息，只依靠其本身就能得到导航所需的各参数。由于不需和外界发生信息交换，故其在各种复杂环境中，不受外界条件的影响和限制，工作独立性强、隐蔽性好。
[0005] 惯性导航的主要缺点是误差随时间累积和每次使用时都需要进行初始对准。为减小误差，提高系统精度，有效方法之一是考虑采用组合导航技术，依靠定位误差不随时间积累的辅助导航系统提供的信息来补偿和抑制惯性导航随时间而增长的误差，达到提高整个导航系统精度的目的。目前常用方式为惯性导航组合全球定位系统和磁导航等方案。但在机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、军事训练基地等室内环境，全球定位系统等无法准确定位，从而无法对惯性导航系统的误差进行有效修正。为了能实现室内外混合精确导航，必须在室内利用室内定位技术等方法对惯性导航系统进行误差修正。
[0006] 本发明提出了一种飞行器室内外混合自主巡航系统与方法。采用本发明，不仅可以实现飞行器在机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、军事训练基地等室内环境的自主巡航，更能实现室内环境与室外环境混合的自主巡航，可用于监控、救灾等领域。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于针对目前飞行器巡航控制方式的技术弊端，提出一种飞行器室内外混合自主巡航系统与方法，其操作简便，性能优异，适用性强，适用于各种室内外混合环境中的飞行器自主巡航。
[0008] 为达上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0009] 一种飞行器室内外混合自主巡航系统与方法，可使飞行器在室内和室外的混合场所实现自主巡航。飞行器以无线方式组网时，具有扩展性，便于增大飞行器自主巡航的范围。其系统主要由轨迹生成与发送模块、轨迹接收与巡航模块、室内定位系统和室外全球定位系统组成，其特征在于：所述轨迹生成与发送模块以有线方式和无线方式与轨迹接收与巡航模块连接；所述轨迹接收与巡航模块之间以无线方式连接；所述轨迹接收与巡航模块以无线方式分别与室内定位系统和室外全球定位系统连接。
[0010] 上述轨迹接收与巡航模块分别安装于不同的n架飞行器中，根据系统规模，n的大小可变化。不同飞行器中的轨迹接收与巡航模块之间以无线方式连接。
[0011] 上述轨迹生成与发送模块的结构：一个处理器单元甲连接一个三维轨迹图形输入单元、一个三维轨迹坐标输入单元、一个三维轨迹图形生成单元、一个巡航坐标生成单元、一个巡航坐标编码单元、一个存储单元、一个无线收发单元甲、一个无线组网单元甲和一个串行通信接口单元甲，所述三维轨迹坐标输入单元连接三维轨迹图形生成单元；所述巡航坐标生成单元连接三维轨迹图形输入单元、三维轨迹图形生成单元和巡航坐标编码单元；
所述存储单元连接巡航坐标编码单元、无线组网单元甲和串行通信接口单元甲；所述无线收发单元甲连接无线组网单元甲。
[0012] 上述轨迹接收与巡航模块的结构：一个处理器单元乙连接一个室外全球定位系统信息接收单元、一个室内外定位信息切换与处理单元、一个室内定位系统信息接收单元、一个巡航信息修正单元、一个巡航伺服单元、一个微电子机械系统巡航单元、一个无线收发单元乙、一个无线组网单元乙、一个串行通信接口单元乙、一个巡航坐标解码单元、一个巡航坐标预存储单元、一个新巡航坐标生成单元和一个原巡航坐标存储单元，所述室内外定位信息切换与处理单元连接室外全球定位系统信息接收单元、室内定位系统信息接收单元和巡航信息修正单元；所述巡航信息修正单元连接巡航伺服单元；所述微电子机械系统巡航单元连接巡航信息修正单元、巡航伺服单元和原巡航坐标存储单元；所述新巡航坐标生成单元连接巡航坐标预存储单元和原巡航坐标存储单元；所述巡航坐标解码单元连接无线组网单元乙、串行通信接口单元乙和巡航坐标预存储单元；所述无线收发单元乙连接无线组网单元乙。
[0013] 上述室内定位系统和室外全球定位系统，在飞行器巡航过程中，对巡航信息进行修正。
[0014] 一种飞行器室内外混合自主巡航方法，采用上述系统进行操作，其特征在于：包括如下操作步骤：1）轨迹生成与发送工作流程，2）轨迹接收工作流程甲，3）轨迹接收工作流程乙，4）巡航与控制工作流程。
[0015] 上述操作步骤1）轨迹生成与发送工作流程：三维轨迹图形输入单元或三维轨迹坐标输入单元输入三维轨迹信息，处理器单元甲判断输入的三维轨迹信息是否为三维轨迹图形，如果不是三维轨迹图形，则三维轨迹图形生成单元将三维轨迹坐标转换为三维轨迹图形，巡航坐标生成单元将三维轨迹图形转换为巡航坐标，巡航坐标编码单元编码巡航坐标，存储单元存储巡航坐标，处理器单元甲选择巡航坐标的发送方式，当以有线方式传输通信时，串行通信接口单元甲和轨迹接收与巡航模块连接通信，处理器单元甲校验轨迹接收与巡航模块的校验信息反馈，并判断轨迹接收与巡航模块是否完成轨迹接收，如果未完成轨迹接收，则串行通信接口单元甲重新和轨迹接收与巡航模块连接通信，当发送失败超过3次时，处理器单元甲报错并由三维轨迹图形输入单元或三维轨迹坐标输入单元重新输入三维轨迹信息；当以无线方式传输通信时，无线收发单元甲和轨迹接收与巡航模块进行无线通信，无线组网单元甲识别设备号，处理器单元甲校验轨迹接收与巡航模块的校验信息反馈，并判断轨迹接收与巡航模块是否完成轨迹接收，如果未完成轨迹接收，则无线收发单元甲重新和轨迹接收与巡航模块进行通信，当发送失败超过3次时，处理器单元甲报错并由三维轨迹图形输入单元或三维轨迹坐标输入单元重新输入三维轨迹信息。
[0016] 上述操作步骤2）飞行器处于停止状态的轨迹接收工作流程甲：当飞行器处于停止状态时，若以有线方式通信，串行通信接口单元乙接收巡航坐标；若以无线方式通信，无线收发单元乙接收巡航坐标，无线组网单元乙识别设备号，巡航坐标解码单元解码巡航坐标，巡航坐标预存储单元预存储巡航坐标，原巡航坐标存储单元中的原始巡航坐标和巡航坐标预存储单元中的预存储巡航坐标在新巡航坐标生成单元中进行比较，并生成新巡航坐标，新巡航坐标存储到原巡航坐标存储单元中。
[0017] 上述操作步骤3）飞行器处于飞行状态的轨迹接收工作流程乙：当飞行器处于飞行状态时，无线收发单元乙接收巡航坐标，无线组网单元乙识别设备号，处理器单元乙判断飞行器是否处于悬停状态，如果未处于悬停状态，微电子机械系统巡航单元停止巡航，飞行器保持悬停状态，巡航坐标解码单元解码巡航坐标，巡航坐标预存储单元预存储巡航坐标，原巡航坐标存储单元中的原始巡航坐标和巡航坐标预存储单元中的预存储巡航坐标在新巡航坐标生成单元中进行比较，并生成新巡航坐标，新巡航坐标存储到原巡航坐标存储单元中。
[0018] 上述操作步骤4）巡航与控制工作流程：微电子机械系统巡航单元接收原巡航坐标存储单元中的巡航坐标，并计算巡航坐标的巡航信息，室内外定位信息切换与处理单元判断飞行器在室内或室外，当飞行器在室内时，室内定位系统信息接收单元接收室内定位系统信息；当飞行器在室外时，室外全球定位系统信息接收单元接收室外全球定位系统信息，室内外定位信息切换与处理单元接收定位信息并计算飞行器当前位置坐标，室内外定位信息切换与处理单元计时小于0.1s时，在巡航信息修正单元中对微电子机械系统巡航单元计算的巡航信息进行修正，巡航伺服单元接收巡航信息并控制飞行器进行巡航，处理器单元乙判断当前巡航坐标是否为最后的位置坐标，如果不是最后位置坐标，则微电子机械系统巡航单元继续计算巡航坐标的巡航信息；如果完成最后位置坐标的巡航，则飞行器保持悬停状态或返回指定的位置。
[0019] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的系统由轨迹生成与发送模块、轨迹接收与巡航模块和提供参考坐标的室内定位系统和室外全球定位系统组成；其方法包括如下操作步骤：1）轨迹生成与发送工作流程，2）轨迹接收工作流程甲，3）轨迹接收工作流程乙，4）巡航与控制工作流程。本发明一方面，可以用三维轨迹图形和三维轨迹坐标形式输入飞行器巡航坐标，操作简单，实时性和实用性强。另一方面，轨迹接收与巡航模块存在于飞行器中，飞行器有n架，具有可扩展性。同时，采用室内定位系统和室外全球定位系统修正巡航信息，既提高了自主巡航系统的精确度，又实现了飞行器的室内外混合自主巡航。本发明其系统结构简单、成本低廉；其方法操作简便，性能优越，广泛适用于大规模的飞行器室内外混合自主巡航场所。
附图说明
[0020] 图1是本发明一个实施例的系统框图。
[0021] 图2是图1示例的实现飞行器室内外混合自主巡航的轨迹生成与发送模块框图。
[0022] 图3是图1示例的实现飞行器室内外混合自主巡航的轨迹接收与巡航模块框图。
[0023] 图4是图1示例的实现轨迹生成与发送的工作流程图。
[0024] 图5是图1示例的实现飞行器停止状态时的轨迹接收的工作流程图。
[0025] 图6是图1示例的实现飞行器飞行状态时的轨迹接收的工作流程图。
[0026] 图7是图1示例的实现巡航与控制的工作流程图。
具体实施方式
[0027] 本发明的优先实施例结合附图详述如下：
[0028] 实施例一：
[0029] 参见图1，本飞行器室内外混合自主巡航系统，由轨迹生成与发送模块（1）、轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）、室内定位系统（3）和室外全球定位系统（4）组成，其特征在于：所述轨迹生成与发送模块（1）以有线方式和无线方式与轨迹接收与巡航模块（2.1、
2.2、…、2.n）连接；所述轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）之间以无线方式连接；所述轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）以无线方式分别与室内定位系统（3）和室外全球定位系统（4）连接。上述轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）分别安装于不同的n架飞行器中，根据系统规模，n的大小可变化。
[0030] 参见图2，轨迹生成与发送模块（1）的结构：一个处理器单元甲（10）连接一个三维轨迹图形输入单元（5）、一个三维轨迹坐标输入单元（6）、一个三维轨迹图形生成单元（7）、一个巡航坐标生成单元（8）、一个巡航坐标编码单元（9）、一个存储单元（11）、一个无线收发单元甲（12）、一个无线组网单元甲（13）和一个串行通信接口单元甲（14），所述三维轨迹坐标输入单元（6）连接三维轨迹图形生成单元（7）；所述巡航坐标生成单元（8）连接三维轨迹图形输入单元（5）、三维轨迹图形生成单元（7）和巡航坐标编码单元（9）；所述存储单元（11）连接巡航坐标编码单元（9）、无线组网单元甲（13）和串行通信接口单元甲（14）；所述无线收发单元甲（12）连接无线组网单元甲（13）。
[0031] 参见图3，轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）的结构：一个处理器单元乙（20）连接一个室外全球定位系统信息接收单元（15）、一个室内外定位信息切换与处理单元（16）、一个室内定位系统信息接收单元（17）、一个巡航信息修正单元（18）、一个巡航伺服单元（19）、一个微电子机械系统巡航单元（21）、一个无线收发单元乙（22）、一个无线组网单元乙（23）、一个串行通信接口单元乙（24）、一个巡航坐标解码单元（25）、一个巡航坐标预存储单元（26）、一个新巡航坐标生成单元（27）和一个原巡航坐标存储单元（28），所述室内外定位信息切换与处理单元（16）连接室外全球定位系统信息接收单元（15）、室内定位系统信息接收单元（17）和巡航信息修正单元（18）；所述巡航信息修正单元（18）连接巡航伺服单元（19）；所述微电子机械系统巡航单元（21）连接巡航信息修正单元（18）、巡航伺服单元（19）和原巡航坐标存储单元（28）；所述新巡航坐标生成单元（27）连接巡航坐标预存储单元（26）和原巡航坐标存储单元（28）；所述巡航坐标解码单元（25）连接无线组网单元乙（23）、串行通信接口单元2（24）和巡航坐标预存储单元（26）；所述无线收发单元乙（22）连接无线组网单元乙（23）。
[0032] 实施例二：本飞行器室内外混合自主巡航方法采用上述系统进行自主巡航。其特征在于包括如下操作步骤：1）轨迹生成与发送工作流程（29），2）轨迹接收工作流程甲（30），
3）轨迹接收工作流程乙（31），4）巡航与控制工作流程（32）。
[0033] 参见图4，步骤1）轨迹生成与发送工作流程（29）：三维轨迹图形输入单元（5）或三维轨迹坐标输入单元（6）输入三维轨迹信息，处理器单元1（10）判断输入的三维轨迹信息是否为三维轨迹图形，如果不是三维轨迹图形，则三维轨迹图形生成单元（7）将三维轨迹坐标转换为三维轨迹图形，巡航坐标生成单元（8）将三维轨迹图形转换为巡航坐标，巡航坐标编码单元（9）编码巡航坐标，存储单元（11）存储巡航坐标，处理器单元甲（10）选择巡航坐标的发送方式，当以有线方式传输通信时，串行通信接口单元甲（14）和轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）连接通信，处理器单元甲（10）校验轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、
2.n）的校验信息反馈，并判断轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）是否完成轨迹接收，如果未完成轨迹接收，则串行通信接口单元甲（14）重新和轨迹接收与巡航模块（2.1、
2.2、…、2.n）连接通信，当发送失败超过3次时，处理器单元甲（10）报错并由三维轨迹图形输入单元（5）或三维轨迹坐标输入单元（6）重新输入三维轨迹信息；当以无线方式传输通信时，无线收发单元甲（12）和轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）进行无线通信，无线组网单元甲（13）识别设备号，处理器单元甲（10）校验轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）的校验信息反馈，并判断轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）是否完成轨迹接收，如果未完成轨迹接收，则无线收发单元甲（12）重新和轨迹接收与巡航模块（2.1、2.2、…、2.n）进行通信，当发送失败超过3次时，处理器单元甲（10）报错并由三维轨迹图形输入单元（5）或三维轨迹坐标输入单元（6）重新输入三维轨迹信息。
[0034] 参见图5，步骤2）飞行器处于停止状态的轨迹接收工作流程甲（30）：若以有线方式通信，串行通信接口单元乙（24）接收巡航坐标；若以无线方式通信，无线收发单元乙（22）接收巡航坐标，无线组网单元乙（23）识别设备号，巡航坐标解码单元（25）解码巡航坐标，巡航坐标预存储单元（26）预存储巡航坐标，原巡航坐标存储单元（28）中的原始巡航坐标和巡航坐标预存储单元（26）中的预存储巡航坐标在新巡航坐标生成单元（27）中进行比较，并生成新巡航坐标，新巡航坐标存储到原巡航坐标存储单元（28）中。
[0035] 参见图6，步骤3）飞行器处于飞行状态的轨迹接收工作流程乙（31）：无线收发单元乙（22）接收巡航坐标，无线组网单元乙（23）识别设备号，处理器单元乙（20）判断飞行器是否处于悬停状态，如果未处于悬停状态，微电子机械系统巡航单元（21）停止巡航，飞行器保持悬停状态，巡航坐标解码单元（25）解码巡航坐标，巡航坐标预存储单元（26）预存储巡航坐标，原巡航坐标存储单元（28）中的原始巡航坐标和巡航坐标预存储单元（26）中的预存储巡航坐标在新巡航坐标生成单元（27）中进行比较，并生成新巡航坐标，新巡航坐标存储到原巡航坐标存储单元（28）中。
[0036] 参见图7，步骤4）巡航与控制工作流程（32）：微电子机械系统巡航单元（21）接收原巡航坐标存储单元（28）中的巡航坐标，并计算巡航坐标的巡航信息，室内外定位信息切换与处理单元（16）判断飞行器在室内或室外，当飞行器在室内时，室内定位系统信息接收单元（17）接收室内定位系统信息；当飞行器在室外时，室外全球定位系统信息接收单元（15）接收室外全球定位系统信息，室内外定位信息切换与处理单元（16）接收定位信息并计算飞行器当前位置坐标，室内外定位信息切换与处理单元（16）计时小于0.1s时，在巡航信息修正单元（18）中对微电子机械系统巡航单元（21）计算的巡航信息进行修正，巡航伺服单元（19）接收巡航信息并控制飞行器进行巡航，处理器单元乙（20）判断当前巡航坐标是否为最后的位置坐标，如果不是最后位置坐标，则微电子机械系统巡航单元（21）继续计算巡航坐标的巡航信息；如果完成最后位置坐标的巡航，则飞行器保持悬停状态或返回指定的位置。