一种具有自动驾驶功能的飞行器及自动驾驶方法

本技术涉及自主飞行器的应用领域，具体涉及一种具有自动驾驶功能的飞行器及自动驾驶方法，本技术旨在通过自动驾驶模组控制飞行器的飞行姿态和巡航位置来实现飞行器的自动巡航，并执行相应控制指令。

背景技术：

1、当前飞行器大多都是由操作员在地面通过遥控器或者地面站来控制飞行器作业，为了使飞行器适用于更多的场合且不局限于只能由操作员进行操控，各行业应用中萌生了对飞行器自动驾驶的多类应用需求。无需操作员干预的自动驾驶飞行器，不但节约了人力，同时辐射出更大的服务半径。目前主流的飞行器自动驾驶方案都需要专用的飞控来实现自动驾驶。另外，在一些特殊的飞行应用领域普遍采用的方法为，直接对飞控固件进行定制从而达到飞行器自动驾驶目的。

2、现有技术如图1所示，其包括控制单元、飞控单元和动力单元三部分。控制单元包括遥控器接收机模块和ppm编码模块，两者之间通过pwm信号进行通信。飞控单元包括飞控核心模块、gps模块、第一激光雷达模块，其中飞控核心模块与编码模块通过ppm信号相连，接收编码模块输出的ppm信号。同时飞控核心模块外接gps模块和第一激光雷达模块，用于获取飞行器当前飞行位置，此外飞控核心模块还与动力单元相连，动力单元为飞行器提供动力来源。动力单元包括电池、电流计模块、电调模块以及电机。其中，电流计模块与飞控核心模块直接相连，实现对飞行器的实时工作电压和电流监测。电调模块在pwm控制信号的作用下为驱动四个电机产生升力。

3、但是现有技术在使用中仍存在若干不足之处，具体表现在：

4、1、直接对飞行器飞控代码进行更改，破坏了程序设计的高内聚低耦合特性，从而降低了飞行系统的稳定性，甚至出现坠机事件；

5、2、标准飞控io外设资源紧张，算力有限，一旦增加额外的任务将影响到飞控固有的性能，而且开发算法投入和运维成本会随之增高；

6、3、使用直接更改飞控固件的方法通用性差，不适用于多款飞行器；

7、4、现有的专业的自动驾驶系统复杂，且适用范围有限，难以兼容现有小型飞行器，同时在特定情境下，采用现有的专业的自动驾驶系统性价比低。

8、5、现有的飞行器自动驾驶系统使用场景局限，难以在室内环境应用场景中灵活部署，也无法实现多机协同作业。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本技术提供一种具有自动驾驶功能的飞行器及自动驾驶方法。

2、根据第一方面，本技术提供一种具有自动驾驶功能的飞行器，包括：传感单元，包括至少一个传感器，所述传感器用于感知飞行器的姿态信息，并产生传感数据；控制单元，与所述传感单元通过总线进行连接，用于接收一遥控器的控制指令，以及根据所述传感数据解算出自动驾驶所需的pwm控制信号，并通过所述编码模块编码后得到ppm信号；飞控单元，与所述控制单元通过ppm信号连接，综合自身获取的gps数据和/或激光雷达等多源数据，并结合所述ppm信号以产生飞行控制信号；动力单元，与所述飞控单元通过pwm信号线连接，用于根据所述飞行控制信号调节飞行器的飞行姿态和位置。

3、所述控制单元包括遥控器接收机模块、自动驾驶模组和编码模块；所述遥控器接收机模块用于通过无线电获取所述遥控器的遥控信号；所述自动驾驶模组能够与所述遥控器接收机模块和所述传感单元通信，在所述遥控信号的指示下根据所述传感数据产生自动驾驶所需的pwm信号；所述编码模块与所述自动驾驶模组通过第二pwm信号连接，用于对所述pwm信号进行编码输出ppm信号，并将ppm信号传输至所述飞控单元。

4、所述飞控单元包括飞控核心模块、gps模块和第一激光雷达模块；所述gps模块用于接收gps信号，所述第一激光雷达模块用于探测飞行器的飞行高度数据；所述飞控核心模块与所述编码模块、所述gps模块、所述第一激光雷达模块连接，用于将所述ppm信号作为控制基础，融合所述gps数据和/或所述激光雷达数据后产生所述飞行控制信号。

5、所述的飞行器还包括mavlink通信模块，所述mavlink通信模块与所述自动驾驶模组和所述飞控核心模块通过串行总线连接，用于构建所述自动驾驶模组和所述飞控核心模块之间的数据传输通道。

6、所述传感单元包括视觉导航模块、姿态获取模块、光流定位模块、第二激光雷达模块中一者或多者；所述视觉导航模块、所述姿态获取模块、所述光流定位模块、所述第二激光雷达模块产生的传感数据分别为图像数据、姿态数据、定位数据和测距数据。

7、所述自动驾驶模组包括pwm或ppm输入捕获模块、pwm输出模块、adc模块、iic通信模块、usart通信模块、pid计算模块、蜂鸣器和led指示模块；所述pwm或ppm输入捕获模块用于捕获所述遥控器接收机模块解码后的地面控制信号；所述pwm输出模块用于将解算出的自动驾驶控制量编码为pwm输出，完成所述自动驾驶模组、所述编码模块与所述飞控核心模块间的信号转换和间接通信，和/或通过所述mavlink通信模块与所述飞控核心模块直接通信，所述pwm输出模块输出控制飞行器进行姿态修正的pwm信号，该信号输出到所述编码模块经编码后转换为ppm信号，进而输出至所述飞控核心模块；所述adc模块用于采集外部的模拟信号并将其转换成数字信号；所述iic通信模块用于与使用iic通信协议的外设进行连接；所述usart通信模块用于与使用usart通信协议的外设进行连接；所述pid计算模块与所述pwm或ppm输入捕获模块、所述pwm输出模块、所述adc模块、所述iic通信模块、所述usart通信模块通信连接，用于将各外设提供的数据进行综合，以根据传感信息计算输出各通道期望的pwm输出值，并将数值输出到所述pwm输出模块；其中，使用iic通信协议的外设包括所述第二激光雷达模块、所述姿态获取模块，使用usart通信协议的外设包括所述视觉导航模块、所述光流定位模块。所述蜂鸣器和所述led指示模块能够组合产生声光指示信息，用于在离线调试过程中对自动驾驶模组或飞控核心模块的运行状态进行指示。

8、所述自动驾驶模组还包括数据融合模块，所述数据融合模块与所述光流定位模块和所述姿态获取模块直接相连，所述数据融合模块用于对所述光流定位模块产生的定位数据和所述姿态获取模块产生的姿态数据进行融合处理以得到融合数据，同时将所述融合数据通过飞控兼容的通信协议(如cxof通信协议)传输至所述飞控核心模块；其中，所述姿态数据包括三个重力加速度分量和三个角速度分量，并将所述六个分量数据融合为飞行控制所必须的俯仰角、横滚角和偏航角信息。

9、根据第二方面，本技术提供一种用于飞行器的自动驾驶方法，所述飞行器为上述第一方面中所述的飞行器，所述飞行器包括传感单元、控制单元、飞控单元和动力单元；所述自动驾驶方法包括：所述控制单元获取地面遥控器的遥控信号，并解析出飞行任务；所述控制单元从所述传感单元获取各个传感器的传感数据，并根据所述传感数据和所述飞行任务计算出飞行器各通道的期望pwm控制值，该值通过所述编码模块编码后得到ppm信号；所述控制单元将所述ppm信号输出到所述飞控单元以使所述飞控单元产生飞行控制信号；所述动力单元根据所述飞行控制信号调节飞行器的飞行姿态和/或飞行位置。

10、所述控制单元包括遥控器接收机模块、自动驾驶模组和编码模块；其中，所述自动驾驶模组通过预设的第一pwm信号与所述遥控器接收机相连，以直接接收所述遥控器发送的遥控信号；所述自动驾驶模组通过预设的第二pwm信号与所述编码模块相连，以通过所述编码模块向所述飞控单元输出期望pwm控制值；所述自动驾驶模组能够从所述传感单元获取传感数据，且通过多种预设的通信协议传输所述传感数据。

11、所述自动驾驶模组能够通过所述遥控器接收机模块与地面站建立通信，并与其它飞行器中的自动驾驶模组联合执行编队飞行任务；对于每个所述自动驾驶模组，通过解析自身飞行任务中指定的目标点，基于该目标点计算出对应飞行器各方向期望的pwm值。

12、本技术的有益效果是：

13、依上述实施例的一种具有自动驾驶功能的飞行器及自动驾驶方法，其中的飞行器包括传感单元、控制单元、飞控单元和动力单元。由于在控制单元中自动驾驶模组直接对遥控器接收机模块的信号进行接管和控制，无需对飞控的程序进行修改即可对飞行器的飞行姿态和位置进行调控，方便达到自动驾驶的效果。同时，本技术采用了模块化的设计方案，利于元器件更替和软硬件升级，具有稳定性高，体积小，成本低等特点。此外，基于飞行器的结构和自动驾驶方法，使得本技术进行飞控开发时具有较好的兼容性，特别是对飞行器的特殊应用开发效率得到大大提高，降低了系统的设计难度，提高了系统的稳定性。