技术领域
[0001] 本
发明涉及数据采集领域，特别涉及到一种无人机数据采集领域。
背景技术
[0002] 无人机是一种应用非常广的
飞行器，在农业、工业、服务业中均有广泛的应用。其在飞行过程的，因为飞行遇到情况复杂，所处的环境也是多样，所以数据采集的
信号多、复杂，尤其是对飞行
位置，飞行的情况和
姿态均需要实时掌握，包括地理坐标、
风速、飞行速度、
横滚角、
俯仰角、
偏航角、横滚角速率、俯仰角速率、偏航角速率、以及各轴向的
加速度信息，电源的电量，芯片的
温度等，获取和采集的实时性和准确性要求很高。同时在数据采集时，需要将采集到的数据实时的传输并进行存储。如果为每以种信号都设置一个相应的
接口，则在数据采集时控制起来就非常不便。
[0003] 需要发明一种数据采集系统，可以将实时的采集无人机数据，通过一个接口进行数据传输，以方便数据的采集，同时可以通过采集的数据进行随时的调整以保持无人机的平稳飞行。
发明内容
[0004] 本发明提供一种实时的无人机数据采集系统，可以通过一个接口进行数据传输，以方便数据的采集，同时可以通过采集的数据进行随时的调整以保持无人机的平稳飞行。
[0005] 本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 一种无人机数据采集系统，包括与之匹配的至少一存储控制系统、至少一信息传输系统，所述的数据采集系统，还包括有至少一计算机、至少一监控台、至少一信号源、至少一工控机、至少一配电器、至少一采集装置和至少一记录器，其特征在于：所述的采集装置设有至少一模拟量采编单元、至少一
数字量解码单元、至少一实时监测单元和至少一存储控制单元。
[0007] 优选地，所述的至少一采集装置还包括有至少有二个中心
控制器，在中心控制器(1)和中心控制器(2)之间至少设置有二个缓存单元；
[0008] 其中：
[0009] 中心控制器(1)用于模拟数据、数字数据、配电参数数据的采集以及另一中心控制器发出的命令接收，同时还用于模拟数据、配电参数数据进行混合编
帧和数字数据的解码，并将编帧和解码的数据输入到相应的缓存单元；
[0010] 中心控制器(2)用于传输所述的监控台发出的各种指令给中心控制器(1)和所述的记录器；
[0011] 一缓存单元用于对数据送入所述记录器之前的进行缓存，另一缓存单元用于对实时监测前的数据进行缓存。
[0012] 优选地，在测试状态中，所述的缓存单元将数据通过所述的中心控制器(2)传输到所述记录器中存储。
[0013] 优选地，在读数状态中，所述的记录器中存储数据通过所述的中心控制器(2)传输到所述的监控台中，由所述的监控台对所述的存储数据进行拆分和分析。
[0014] 优选地，以
水平面上一个静止的点构建
坐标系(1)的原点Oa，以相互垂直的三个向量Xa、Ya、Za作为坐标系的轴，建立坐标系。其中坐标系的Xa轴位于水平面内，指向正东方向且与
纬线平行，Ya轴位于水平面内与Xa轴垂直指向正北方向且于子午线平行，Za轴与Xa轴和Ya轴构成的平面垂直且方向为向上；
[0015] 参考坐标系(1)构建坐标系(2)，选取无人机的几何中心作为坐标系的原点Ob，同样以相互垂直的三个向量Xb、Yb、Zb为坐标系的轴。坐标系的Xb轴与无人机
机架的一对角线平行，Yb轴与机架的所述对角线垂直，与Xb轴垂直于Ob，Zb轴垂直于Xb轴、Yb轴所在的平面，方向向上；
[0016] 将坐标系(2)旋转变换，旋转后将坐标系(2)映射到坐标系(1)中，得到映射对应关系，可以通过按一定的顺序绕某一轴旋转，使得两个坐标系重合；
[0017] 将坐标系(2)绕X轴旋转一定的角度，此时坐标系(2)的Y、Z轴与坐标系(1)的Y、Z轴形成的夹角称为横滚角φ；
[0018] 将坐标系(2)绕Y轴旋转一定的角度，此时坐标系(2)的X、Z轴与坐标系(1)的X、Z轴形成的夹角称为俯仰角θ；
[0019] 将坐标系(2)绕Z轴旋转一定的角度，此时坐标系(2)的X、Y轴与坐标系(1)的X、Y轴形成的夹角称为偏航角ψ；
[0020] 所述的无人机数据采集系统还设置有
加速度计和
陀螺仪；
[0021] 其特征在于：采集到的加速度计(ax，ay，az)和陀螺仪(gx，gY，gz)的数据与横滚角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，满足以下
算法模型：
[0022] (1)q＝[q0 q1 q2 q3]T＝[1 0 0 0]T
[0023]
[0024]
[0025] 其中，ax，ay，az分别表示绕X、Y、Z轴转动的
角加速度，gx，gY，gz分别表示绕X、Y、Z轴转动的
角速度，q0、q1、q2、q3为设置的四元数向量，Vx、Vy、Vz为沿X、Y、Z轴的速度；
[0026] 运用加速度计的数据ax，ay，az与四元数q0、q1、q2、q3重量化后值得误差，采用计算的误差值作为陀螺仪gx，gY，gz数据的修正量来修正陀螺仪的值，采用修正后的陀螺仪数据来更新四元数，将更新后的四元数转化为对应的横滚角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，采用互补滤波的方式，利用四元数的重量值与加速度计的误差来修正陀螺仪，具体满足如下算法模型：
[0027]
[0028]
[0029] 根据修正后的陀螺仪的值(gx，gY，gz)就可以对四元数进行更新，同时由新的四元数和下一个周期采集到的加速度计和陀螺仪的原始数据重复计算以上式子，可以循环地获得修正后的陀螺仪的值，同时更新四元数，由于四元数和需要控制的角度之间可以相互转化，转化的公式如下：
[0030]
[0031] 以上可知，四元数解算方法最终可以得到运动过程中的横滚角φ、俯仰角θ、偏航角ψ。
[0032] 本发明有益效果是：
[0033] 一、不用为每以种信号都设置一个相应的接口，则在数据采集时控制起来就非常方便；
[0034] 二、通过为缓存单元的设置，可以使得数据传输稳定，不容易丢失；
[0035] 三、通过编帧，当采集的数据变化多样时，可以使采集的数据更加完整；
[0036] 四、通过混合采集，可以使得实时采集的数据更加及时准确；
[0037] 五、通过对修正后的陀螺仪的值可以使得无人机飞行更加平稳；
[0038] 六、通过模型算法可以得到及时的飞行信息，以及时调整飞行的策略。
附图说明
[0039] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明
[0040] 图1是本发明的数据采集系统的原理图
[0041] 图2是本发明的数据采集系统连接总图
[0042] 图3是本发明的数据采集装置的功能模
块图
[0044] 图5是本发明的坐标系的参照图
具体实施方式
[0045] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046] 以下结合本发明的图做详细阐释，图1是本发明的数据采集系统的原理图，图2是本发明的数据采集系统连接总图，图3是本发明的数据采集装置的功能模块图，图4是本发明的数据采集系统框图。
[0047] 从图2中连接总图可知，采集系统含有计算机、监控台、信号源、工控机、配电器、采集装置和记录器，结合图3可知采集装置设有模拟量采编单元、数字量解码单元、实时监测单元和存储控制单元4个功能单元模块。从图1可知
模拟信号和
数字信号均要通过缓存单元才可以传输到记录器(也就是图4中
存储器)中，从图4中可知采集装置还包括有二个中心控制器，同时在中心控制器(1)和中心控制器(2)之间至设置有二个缓存单元。
[0048] 实施例一：
[0049] 如图1，由于无人机在飞行过程中所处环境的复杂和多性，使得采集到的信号也较多、较复杂。数据采集装置需要将采集到的数据实时的传输到记录器中进行存储。数据采集装置采集到的信号比较多，如果为每种信号都设置一个相应的接口，则采集装置的控制系统控制起来就比较麻烦。本发明的数据采集装置采用模拟混合采集技术将采集到的无人机的数据将会通过同一个接口传输至数据记录器进行存储。这样不用就为每以种信号都设置一个相应的接口，则在数据采集时控制起来就非常方便。
[0050] 实施例二
[0051] 如图2连接总图，采集系统通过计算机、监控台、信号源、工控机、配电器、采集装置和记录器等，可以完成无人机在飞行过程中的数据采集。计算机的主要功能是通过监控台向信号源和采集装置发送命令，同时将采集装置收集到的数据显示及其他处理。配电器的主要功能是给采集装置提供合适的、稳定的
电能。采集装置将收集到的数据传输到记录器(存储器)并储存。当记录器收到采集装置发送的远程读数命令时，记录器将存储的数据通过采集装置发送到上位机。采集装置可以接收地面监控台的发出的各种指令，通过监控台对记录模块进行控制操作，例如对记录器实现通断电、数据的远程读取、启动记录/停止记录等操作，实时监测记录器接收集到的各种测量数据并对各种工作状态进行实时监测，使采集装置能够在接收到点火/熄火指令后，在所规定的时间，通过对记录器(存储器)进行加电/断电操作。该设置可以使得无人机在数据采集上及时实时。
[0052] 实施例三：
[0053] 从图3中可知，本发明采用4大单元模块设计，分别是模拟量采编单元、数字量解码单元、实时监测单元和存储控制单元。以往的根据数据采集一般要设置模拟接口和数字接口2种数据接口类型。本发明进行改进，为实现采集的数据在采集装置、记录器和监控台之间的流通，由于模拟量采编单元与数字量解码单元具有各自的特性，两单元应分开设置。通过混合采集，可以使得实时采集的数据更加及时准确。
[0054] 实施例四：
[0055] 如图4，黑色细箭头线与黑色粗箭头线表示2种数据传输方式，前者表示串行方式，后者表示差分方式或并行方式。中心控制器1主要是完成对48路模拟信号的采集、配电参数、多路数字量数据的解码和中心控制器2的相关命令的接收，完成多路模拟量数据和配电参数进行混合编帧和对数字量的解码，并将之后的数据输入到相应的缓存单元中。图A和B分别表示不同类型的缓存模块，缓存模块A主要功能是实现对数据送入记录器之前的缓存；缓存模块B的主要功能是对上位机实时监测前的数据进行缓存。监控台发出的各种指令通过中心控制器2传输到中心控制器1和记录器。在测试状态下，控制缓存器A和B中的数据分别传输到上位机和数据记录器中；在读数状态下10中心控制器2将数据记录器(存储器)中的数据通过采集装置的监测接口发送上位机进行拆分并分析通过为缓存单元的设置，可以使得数据传输稳定，不容易丢失。
[0056] 实施例五：
[0057] 如图4，中心控制器(1)用于模拟数据、数字数据、配电参数数据的采集以及另一中心控制器发出的命令接收，同时还用于模拟数据、配电参数数据进行混合编帧和数字数据的解码，并将编帧和解码的数据输入到相应的缓存单元，数据采集装置是对飞行器在运行时所处的压
力、温湿度等模拟信号进行采集，当模拟信号变化多样时，系统将不能按照以往普通的方式进行数据采集。未经编帧的普通模式只能获得采集后的最基本的AD值信息，当系统出现丢数时，将无法捕捉到相应的数据。多路模拟量编帧技术可以使测试系统的功能更加完整。
[0058] 实施例六：
[0059] 如图4，中心控制器(2)用于传输所述的监控台发出的各种指令给中心控制器(1)和所述的记录器；一缓存单元用于对数据送入所述记录器之前的进行缓存，另一缓存单元用于对实时监测前的数据进行缓存，在测试状态中，缓存单元将数据通过所述的中心控制器(2)传输到所述记录器中存储，在读数状态中，记录器中存储数据通过所述的中心控制器(2)传输到所述的监控台中，由监控台对所述的存储数据进行拆分和分析，这样可以使得数据传输和存储更加的稳定及时，数据不会发生丢失和遗漏。
[0060] 实施例七：
[0061] 如图5，以水平面上一个静止的点构建坐标系(1)的原点Oa，以相互垂直的三个向量Xa、Ya、Za作为坐标系的轴，建立坐标系。其中坐标系的Xa轴位于水平面内，指向正东方向且与纬线平行，Ya轴位于水平面内与Xa轴垂直指向正北方向且于子午线平行，Za轴与Xa轴和Ya轴构成的平面垂直且方向为向上；
[0062] 参考坐标系(1)构建坐标系(2)，选取无人机的几何中心作为坐标系的原点Ob，同样以相互垂直的三个向量Xb、Yb、Zb为坐标系的轴。坐标系的Xb轴与无人机机架的一对角线平行，Yb轴与机架的所述对角线垂直，与Xb轴垂直于Ob，Zb轴垂直于Xb轴、Yb轴所在的平面，方向向上；
[0063] 将坐标系(2)旋转变换，旋转后将坐标系(2)映射到坐标系(1)中，得到映射对应关系，可以通过按一定的顺序绕某一轴旋转，使得两个坐标系重合；
[0064] 将坐标系(2)绕X轴旋转一定的角度，此时坐标系(2)的Y、Z轴与坐标系(1)的Y、Z轴形成的夹角称为横滚角φ；
[0065] 将坐标系(2)绕Y轴旋转一定的角度，此时坐标系(2)的X、Z轴与坐标系(1)的X、Z轴形成的夹角称为俯仰角θ；
[0066] 将坐标系(2)绕Z轴旋转一定的角度，此时坐标系(2)的X、Y轴与坐标系(1)的X、Y轴形成的夹角称为偏航角ψ；
[0067] 通过设置在无人机上的加速度计和陀螺仪；
[0068] 可以采集到的加速度计(ax，ay，az)和陀螺仪(gx，gY，gz)的数据与横滚角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，满足以下算法模型：
[0069] (1)q＝[q0 q1 q2 q3]T＝[1 0 0 0]T
[0070]
[0071]
[0072] 其中，ax，ay，az分别表示绕X、Y、Z轴转动的角加速度，gx，gY，gz分别表示绕X、Y、Z轴转动的角速度，q0、q1、q2、q3为设置的四元数向量，Vx、Vy、Vz为沿X、Y、Z轴的速度；
[0073] 运用加速度计的数据ax，ay，az与四元数q0、q1、q2、q3重量化后值得误差，采用计算的误差值作为陀螺仪gx，gY，gz数据的修正量来修正陀螺仪的值，采用修正后的陀螺仪数据来更新四元数，将更新后的四元数转化为对应的横滚角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，采用互补滤波的方式，利用四元数的重量值与加速度计的误差来修正陀螺仪，具体满足如下算法模型：
[0074]
[0075]
[0076] 根据修正后的陀螺仪的值(gx，gY，gz)就可以对四元数进行更新，同时由新的四元数和下一个周期采集到的加速度计和陀螺仪的原始数据重复计算以上式子，可以循环地获得修正后的陀螺仪的值，同时更新四元数，由于四元数和需要控制的角度之间可以相互转化，转化的公式如下：
[0077]
[0078] 以上可知，四元数解算方法最终可以得到运动过程中的横滚角φ、俯仰角θ、偏航角ψ，通过该算法模型可以使得无人机在飞行过程及时的有效的传输数据，并及时调整飞行状态和飞行姿态，通过对修正后的陀螺仪的值可以使得无人机飞行更加平稳；通过模型算法可以得到及时的飞行信息，以及时调整飞行的策略。
[0079] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于
本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的
权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
