技术领域
[0001] 本
发明涉及农用无人机飞行技术，特别是一种具有抗
风旋翼的多倾斜翼农用无人机飞行平台及其控制系统和控制方法。
背景技术
[0002] 当前，无人机在农业领域主要应用于
农药喷洒和低空遥感作业。其中，农药喷洒是植保工作的重要措施，具有作业次数多、工作量大、危害性强的特点。农业航空是
农业机械化的发展和延伸，与地面机械田间作业相比，用无人机进行农药喷洒作业不受地理因素制约，有降低作业成本、提高工作效率、减轻劳动强度、不会留下辙印和损坏
农作物的特点；无人机低空遥感作业主要用于农作物面积统计、长势探测及病虫害预警等。
[0003]
现有技术中，无人机大致可分为固定翼和
旋翼机两种机型，这两种机型各有优缺点：
[0004] 1)固定翼无人机具有续航能
力强，巡航速度快的优点，但起降需要依托长距离跑道，不适合复杂的农田环境；
[0005] 2)旋翼机可以垂直起降，更适合在田间使用，但巡航时间较短。
[0006] 农用无人机植保作业已经走向了实际应用阶段，多旋翼无人机因为操控简单，故障率低的优点在农业植保领域得到了大范围推广。然而其续航能力较低，在实际使用时需要频繁起降，严重影响作业效率；
电池充电频繁，使用寿命低，直接导致作业成本增加；自动飞行时受阵风影响大，容易偏离预设航线；多采用手动飞行，操作工作任务繁重。因此，提高无人机自动飞行
精度、延长续航时间是本领域亟待解决的问题。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述
缺陷，提供一种具有抗风旋翼的多倾斜翼飞行平台的农用无人机飞行平台及其控制系统和控制方法，以解决农用无人机飞行平台续航时间短、抗风性能差和巡航精度低等问题。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供了一种农用无人机飞行平台，其中，包括：
[0011] 至少一个抗风旋翼，安装在所述机身上；以及
[0012] 多个多功能翼，安装在所述机身上，所述多功能翼相对于所述机身分别具有一固定翼飞行模式和一多旋翼飞行模式，每个所述多功能翼包括固定翼和多旋翼，所述固定翼的轴线垂直于所述机身的轴线设置并与安装在所述机身上的
舵机连接，所述舵机带动所述固定翼旋转以控制所述固定翼飞行模式和多旋翼飞行模式的切换，所述多旋翼设置在所述固定翼上；
[0013] 所述飞行控制器通过调整所述抗风旋翼的旋转方向和速度，以及所述固定翼飞行模式和多旋翼飞行模式的切换来平衡和稳定该农用无人机飞行平台的飞行
姿态。
[0014] 上述的农用无人机飞行平台，其中，所述多旋翼包括无刷直流
电机和多旋翼桨叶，所述无刷直流电机安装在所述固定翼的中部，所述多旋翼桨叶与所述无刷直流电机连接，所述多旋翼桨叶的旋
转轴线垂直于所述固定翼的轴线。
[0015] 上述的农用无人机飞行平台，其中，所述飞行控制器包括：
[0016] 全球卫星
定位系统(GNSS)流动站，安装在所述机身上，用于检测并输出所述机身当前经纬度和海拔高度信息；
[0017] 姿态
传感器(AHRS)，用于检测并输出所述机身的三维
加速度、三维
角速度、姿态角及
磁场方向数据；
[0018] 激光及
超声波传感器，用于检测并输出所述机身与地面的相对高度信息；
[0019] 气压高度计，用于检测并输出所述机身的海拔高度信息；
[0020] 数传电台模
块，用于接收地面站控制信息、卫星基站差分数据，并回传所述飞行平台关键飞行参数；以及
[0021]
数据处理及控
制模块，用于采集各
传感器数据，控制无人机飞行姿态，以及控制所述舵机带动所述固定翼旋转实现固定翼飞行模式和多旋翼飞行模式的切换，以适应不同飞行阶段。上述的农用无人机飞行平台，其中，所述数据处理及
控制模块采用DSP作为控
制芯片，所述DSP控制芯片通过ADC
接口采集安装在所述机身上的
超声波传感器、气压计或激光传感器的
电压或
电流信号，经数据融合
算法计算后输出所述无人机飞行高度数据。
[0022] 上述的农用无人机飞行平台，其中，所述全球卫星定位系统流动站为GPS流动站或GPS与北斗兼容的流动站。
[0023] 为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种农用无人机控制系统，其中，包括：
[0024] 全球卫星定位系统基站，用于为全球卫星定位系统流动站提供
差分信号；
[0025] 地面控制站，通过线缆与所述全球卫星定位系统基站连接，用于监控飞行数据，规划
飞行器作业路径，并通过内置在所述全球卫星定位系统基站中的数传电台给所述无人机飞行平台发送控制指令；
[0026] 农用无人机飞行平台，为上述的农用无人机飞行平台，通过所述飞行控制器中的无线数传电台模块与所述控制系统进行无线通讯，所述全球卫星定位系统流动站使用通过同一无线数传电台模块接收所述全球卫星定位系统基站的差分信号，所述飞行控制器根据所述全球卫星定位系统流动站的实时
位置信息和所述地面控制站预先设定的作业路径，按照几何算法推算航迹偏差并输出控制指令进行航迹偏差纠正。
[0027] 上述的农用无人机控制系统，其中，所述地面控制站根据设置的作业幅宽、作业区域、作业高度和作业速度参数生成作业路径规划图，并通过无线数传电台将所述作业路径规划图的航点数据上传至飞行控制器。
[0028] 上述的农用无人机控制系统，其中，所述无线数传电台设置在所述全球卫星定位系统基站内，所述全球卫星定位系统基站与所述地面控制站共用该无线数传电台，所述无线数传电台通过串行通讯方式发送所述全球卫星定位系统基站的RTK差分信号和所述地面控制站的
控制信号。
[0029] 为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种农用无人机控制方法，其中，采用上述的农用无人机控制系统，包括如下步骤：
[0030] S1、航线预设，地面控制站规划作业路径并上传至农用无人机飞行平台；
[0031] S2、多旋翼
起飞，所述农用无人机飞行平台接收开始指令，舵机控制多功能翼动作切换至多旋翼飞行模式，所述农用无人机飞行平台以多旋翼飞行模式飞行；
[0032] S3、固定翼巡航，所述农用无人机飞行平台以多旋翼飞行模式飞行至预设航线起始位置处并切换成固定翼飞行模式，按照预设航线和速度巡航；
[0033] S4、飞行精度控制，飞行控制器根据计算偏差实时调整抗风旋翼的旋转方向和旋转速度，以保证巡航过程中该农用无人机飞行平台的飞行平衡和导航精度；
[0034] S5、降落停机，所述农用无人机飞行平台接收任务结束指令，所述舵机控制所述多功能翼从固定翼飞行模式切换成多旋翼飞行模式，所述农用无人机飞行平台降落于
指定降落点并停机。
[0035] 本发明的技术效果在于：
[0036] 本发明采用飞行模式切换技术，自动导航控制技术，实时动态差分技术，抗风旋翼纠偏技术解决农用无人机续航时间较短、巡航偏差较大以及
稳定性较差问题，提升农用无人机飞行平台作业效率和作业
质量。与现有技术相比，本发明将倾斜翼无人机应用于农业领域，提高了农用无人机的续航时间和按行飞行精度，增强了飞行稳定性；自动化作业方式有助于减轻操作者劳动强度，降低了使用难度；解决了现有技术中农用无人机飞行平台需要频繁起降更换电池，作业效率较低的问题，有助于农用无人机进行大范围推广。
[0037] 以下结合
附图和具体
实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
[0038] 图1为本发明一实施例的农用无人机控制系统示意图；
[0039] 图2为本发明一实施例的飞行平台结构示意图；
[0040] 图3A为本发明一实施例的飞行平台的多旋翼飞行模式示意图；
[0041] 图3B为本发明一实施例的飞行平台的固定翼飞行模式示意图；
[0042] 图4为本发明一实施例的多功能机翼结构示意图；
[0043] 图5为本发明一实施例的无人机飞行控制器结构
框图；
[0044] 图6为本发明一实施例的无人机控制方法
流程图。
[0045] 其中，附图标记
[0046] 1 农用无人机飞行平台
[0047] 11 机身
[0048] 12 飞行控制器
[0049] 121 数据处理及控制模块
[0050] 122 数传模块
[0051] 123 姿态传感器
[0053] 125 ADC接口
[0054] 13 全球卫星定位系统流动站
[0055] 14 抗风旋翼
[0056] 15 多功能翼
[0057] 151 固定翼
[0058] 152 多旋翼
[0059] 1521 无刷直流电机
[0060] 1522 多旋翼桨叶
[0061] 16 舵机
[0063] 18 激光传感器
[0064] 19 气压计
[0065] 2 地面控制站
[0066] 3 全球卫星定位系统基站
具体实施方式
[0067] 下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
[0068] 参见图1，图1为本发明一实施例的农用无人机系统示意图。本发明的农用无人机控制系统，包括：全球卫星定位系统(GNSS)基站；地面控制站2，通过线缆与所述全球卫星定位系统基站3连接，用于监控飞行数据、规划飞行器作业路径，并发送控制指令；以及农用无人机飞行平台1，通过所述数传模块122与所述地面控制站2进行通讯，农用无人机飞行平台1机载的全球卫星定位系统流动站13也通过所述数传模块122接收所述全球卫星定位系统基站3提供的差分数据，所述飞行控制器12根据所述全球卫星定位系统流动站13的实时位置信息和所述地面控制站2预先设定的作业路径，依据常规的几何方法推算航迹偏差并输出控制指令进行航迹偏差纠正。
[0069] 无人机的运动区间为三维空间，要完整描述无人机在某点的状态，
航路点需要包含空间坐标p(x，y，z)和该点的速度v信息，故这里用Point(p(x，y，z)，v)表示一个完整的航路点。本实施例中，所述地面控制站2根据设置的作业幅宽和作业区域在二维平面(x，y)内依据飞行距离最短原则生成几何飞行路径，再结合作业高度参数z生成多个三维飞行点p(x，y，z)，最后按照操作人员手动编辑的各点作业速度参数v生成完整的航路点Point(p(x，y，z)，v)，所有的航路点组成作业路径规划图，并通过无线数传电台将所述作业路径规划图上传至飞行控制器12。
[0070] 所述无线数传电台安装在所述全球卫星定位系统基站3内，所述全球卫星定位系统基站3与所述地面控制站2共用该无线数传电台，所述无线数传电台通过串行通讯方式发送所述全球卫星定位系统基站3的RTK差分信号和所述地面控制站2的控制信号。因该地面控制站2和RTK全球卫星定位系统基站3的组成、工作原理等均为较成熟的现有技术，故在此不做赘述，下面对本发明的农用无人机飞行平台1的结构及其工作原理予以详细说明。
[0071] 参见图2，图2为本发明一实施例的飞行平台结构示意图。本发明的农用无人机飞行平台1，包括：机身11；飞行控制器12，安装在所述机身11上，用于完成农用无人机飞行平台1飞行模式和飞行姿态的控制；至少一个抗风旋翼14，安装在所述机身11上；以及多个多功能翼15，安装在所述机身11上，所述多功能翼15相对于所述机身11分别具有一固定翼飞行模式和一多旋翼飞行模式(参见图3A及图3B)。
[0072] 参见图4，图4为本发明一实施例的多功能机翼结构示意图。本实施例中，每个所述多功能翼15包括固定翼151和多旋翼152，所述固定翼151的轴线垂直于所述机身11的轴线设置并与安装在所述机身11上的舵机16连接，所述舵机16带动所述固定翼151绕其轴线做90°旋转以控制所述固定翼飞行模式和多旋翼飞行模式的切换，所述多旋翼152设置在所述固定翼151上。其中，所述多旋翼152包括无刷直流电机1521和多旋翼桨叶1522，所述无刷直流电机1521安装在所述固定翼151的中部，所述多旋翼桨叶1522与所述无刷直流电机1521连接，所述多旋翼桨叶1522的
旋转轴线垂直于所述固定翼151的轴线。所述飞行控制器12通过调整所述抗风旋翼14的旋转方向和速度，以及对所述固定翼飞行模式和多旋翼飞行模式的切换来平衡和稳定该农用无人机飞行平台1的飞行姿态。
[0073] 参见图5，图5为本发明一实施例的无人机飞行控制器结构框图。所述飞行控制器12包括：数据处理及控制模块121，用于计算并输出无人机飞行高度数据，以及控制所述舵机16带动所述固定翼151旋转实现固定翼飞行模式和多旋翼飞行模式的切换，以适应不同飞行阶段；全球卫星定位系统流动站13，安装在所述机身11上，用于检测并输出所述机身
11当前经纬度和海拔高度信息，对该农用无人机飞行平台1导航定位；数传模块122，优选无线数传电台，用于接收地面控制站2的相关控制信息以及GNSS基准站的RTK信号，并回传飞行数据，将飞行器的相关参数发送给地面控制站2；以及姿态传感器(AHRS)123，用于检测并输出所述机身11的三维加速度、三维角速度及磁场方向数据，以获取农用无人机飞行平台1的姿态信息；激光及超声波传感器，用于检测并输出所述机身11与地面的相对高度信息；气压高度计，用于检测并输出所述机身11的海拔高度信息。
[0074] 其中，所述数据处理及控制模块121优选为DSP(
数字信号处理器)控制芯片，所述DSP控制芯片通过ADC接口125采集安装在所述机身11上的超声波传感器17、气压高度计19或激光传感器18等的电压或电流信号，DSP按照各传感器高度与
电信号对应关系计算各个高度数据，按照D-S证据理论进行数据融合后输出所述无人机飞行高度数据。DSP控制芯片可通过PWM(脉冲宽度调制)驱动电路124控制舵机16转动来切换固定翼151方向，改变飞行模式。所述全球卫星定位系统流动站13优选为GPS流动站或北斗流动站。
[0075] 参见图6，图6为本发明一实施例的无人机控制方法流程图。本发明的农用无人机飞行平台控制方法，采用上述的农用无人机控制系统，包括如下步骤：
[0076] 步骤S1、航线预设，地面控制站2规划作业路径并上传至农用无人机飞行平台1，在地面站中设置作业幅宽、作业区域、作业高度、作业速度等参数，系统自动生成作业路径规划图，并通过无线数传电台将航点数据上传至
飞行控制系统；
[0077] 步骤S2、多旋翼起飞，所述农用无人机飞行平台1接收地面控制站2起飞指令后，舵机16控制多功能翼15动作切换至多旋翼飞行模式
垂直起飞，所述农用无人机飞行平台1以多旋翼飞行模式飞行，利用各个机载传感器(GNSS流动站,姿态传感器及高度传感器等)实时检测所述机身位置、航向和高度信息，并通过控制四个多旋翼的旋转速度将所述机身11调整至预设航线的起始位置、起始航向和高度；
[0078] 步骤S3、固定翼巡航，所述农用无人机飞行平台1以多旋翼飞行模式飞行至预设航线起始位置处并切换成固定翼飞行模式，舵机16通过旋转固定翼151将四个多旋翼152自动调整至机头方向，按照预设航线和预设速度巡航；
[0079] 步骤S4、飞行精度控制，飞行控制器12根据农用无人机飞行平台1的实时位置信息和预先设定的作业路径，推算航迹偏差，输出控制指令进行航迹偏差纠正，飞行控制器12根据计算偏差实时调整抗风旋翼14的旋转方向和旋转速度，必要时也可同时切换多功能翼15的飞行模式，以保证巡航过程中该农用无人机飞行平台1的飞行平衡和导航精度；
[0080] 步骤S5、降落停机，所述农用无人机飞行平台1接收任务结束指令，所述飞行控制器12通过舵机16控制所述多功能翼15从固定翼飞行模式切换成多旋翼飞行模式，所述农用无人机飞行平台1降落于指定降落点并停机。
[0081] 实际工作过程中，飞行控制器12实时采集农用无人机飞行平台1作业参数、位置等多传感器信息，推算出农用无人机飞行平台1作业航迹偏差，输出控制策略，对农用无人机飞行平台1航迹进行纠偏、导航
跟踪等操控任务。在起飞和降落时，飞行控制器12通过控制舵机16将飞行形态切换至多旋翼飞行模式，如图3A所示，该飞行模式下农用无人机飞行平台1具有良好的起降性能，适合工作于较为复杂的田间环境；在巡航飞行过程中，飞行控制器12自动切换为固定翼飞行模式，如图3B所示，农用无人机飞行平台1在固定翼飞行模式下能够有效延长工作时间并保持较高的巡航速度；当农用无人机飞行平台1将要或已经偏离指定航线时，飞行控制器12通过控制中心抗风旋翼14和多功能翼15协同动作，快速将农用无人机飞行平台1调整至指定位置。设定导航路径后，农用无人机飞行平台1以多旋翼飞行模式起飞，飞行至巡航路径起始点时切换为固定翼飞行模式巡航，巡航任务完成后飞行器再次切换为多旋翼飞行模式降落，这样无人机在飞行任务的不同阶段，自动在多旋翼飞行模式和固定翼飞行模式之间切换飞行，提高了无人机的使用性能。地面控制站2集成飞行规划、飞行监控、飞行数据分析、信息通讯等多种功能。地面控制站2将RTK差分信号和控制信号按照预定通讯协议融合在一起，通过数传电台发送至农用无人机飞行平台1。
[0082] 本发明的多功能翼15结构使飞行器同时具备了固定翼无人机续航时间长和多旋翼无人机垂直起降的优点，并能自动探测姿态、位置偏差，利用抗风旋翼14使无人机更容易保持姿态平衡，抗风旋翼14可以给无人机提供与所受
风力方向相反的力，有助于提高飞行稳定性，提升飞行器抗风性能。采用载波
相位动态实时差分方法(RTK技术)，利用地面部分的GPS基站提供差分修正数据，使机载GPS定位数据提升至厘米级，该技术提高了农用无人机的导航精度，有助于提升作业质量；RTK差分信号和地面控制信号采用同一个数传电台收发，可以减少一组无线通讯模块，有利于减轻飞行平台重量，降低无人机系统成本。
[0083] 本发明提高了农用无人机按照预设航线自主飞行的控制精度，实现了自动导航，可以提高无人机的机动性能和稳定性，解决了农用无人机续航时间短和导航精度低问题，本发明的高精度定位及通讯方法，可在不增加差分通讯电台的情况下，利用地面控制站2将GNSS基准站的RTK差分信号和地面站控制信号融合在一起，数传电台通过串行通讯方式发送RTK差分信号和控制信号至农用无人机飞行平台1，将GNSS流动站的定位精度提高到了厘米级。
[0084] 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和
变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的
权利要求的保护范围。
