1.本发明涉及飞行轨道交通技术领域，尤其涉及一种毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统。
背景技术：2.随着科技的进步和无人机的迅猛发展，在航空与地面水面交通经济之间的低空经济(距正下方地平面垂直距离原则上在1000米以下，地面以上的空域中进行的经济活动，例如低空飞行、风电和空气环保等经济概念)显现的越来越重要，尤其体现在无人机的速度、全局、逾越地面阻碍和直线飞行等特点上，同时无人机不用飞得太高或者太快，其生产成本相对于高空飞行器来说相当低廉，因此在户外工作中无人机的使用比重逐年提升，例如在智慧军警、应急救援、智慧城市、生态、电力、通信、测绘、无红绿灯交通、无人农牧渔、智慧户外工业、智慧服务业(如无人机物流、建筑)等户外作业中。
3.但是随着无人机数量的增加，会导致无人机出现在敏感空域中飞行或者出现摔机后砸伤人畜、损坏财物等情况。其中，无人机操控不当会飞入到敏感空域中；市场运营问题、无人机质量问题、航线管理、飞手管理、地勤保养管理、气候、周边地形管理和无人机的技术开发等问题会造成无人机摔机的情况出现，并且现有的无人机频繁出现上述问题已经成为通病，使得对无人机的使用存在一定的安全隐患。
技术实现要素：4.本发明提供了一种毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，用以解决现有技术中无人机存在航线偏差五米左右或者误飞后摔机的问题。
5.为解决上述问题，本发明提供了一种毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，所述飞行系统包括：
6.飞行器，所述飞行器包括数据处理模块、动力模块和激光感应模块，所述动力模块和所述激光感应模块分别与所述数据处理模块电信号连接；
7.虚拟索道装置，所述虚拟索道装置包括控制模块、索道激光发射模块和通信模块，所述索道激光发射模块和所述通信模块分别与所述控制模块电信号连接，所述索道激光发射模块用于发射虚拟索道激光，所述通信模块用于与所述数据处理模块进行调节信号互通；
8.其中，所述飞行器起飞前，所述索道激光发射模块发射出虚拟索道激光，所述激光感应模块识别虚拟索道激光后，所述数据处理模块控制所述动力模块驱动所述飞行器沿着虚拟索道激光滑行，所述通信模块与所述数据处理模块进行互通后向所述数据处理模块发送飞行调节信号，所述数据处理模块根据飞行调节信号对所述动力模块进行飞行角度的调节。
9.在一种可能的实施方式中，优选的，所述索道激光发射模块包括横向激光发射组和纵向激光发射组，所述横向激光发射组和所述纵向激光发射组均至少包括一个激光发射
器，所述激光发射器与所述控制模块电信号连接，所述激光感应模块获取所述激光发射器发射的虚拟索道激光后，所述数据处理模块控制所述飞行器沿着所述虚拟索道激光进行滑行。
10.在一种可能的实施方式中，优选的，所述激光感应模块包括多个激光传感器，多个所述激光传感器分别对所述横向激光发射组发射的虚拟索道激光和所述纵向激光发射组发射的虚拟索道激光进行感应接收。
11.在一种可能的实施方式中，优选的，所述飞行系统还包括所述激光测距模块，所述激光测距模块与所述控制模块电信号连接，所述激光测距模块用于测量所述飞行器的起飞距离数据和飞行高度数据，所述控制模块根据起飞距离数据和飞行高度数据通过所述通信模块向所述数据处理模块发送飞行调节信号。
12.在一种可能的实施方式中，优选的，所述激光感应模块包括多个激光传感器，多个所述激光传感器均与所述数据处理模块电性连接且呈水平设置，所述激光传感器外设置有挡光罩，所述挡光罩与所述激光传感器之间还设置有滤光片。
13.在一种可能的实施方式中，优选的，所述动力模块包括多个动力组件，所述动力组件包括螺旋桨、驱动机和调速器，所述调速器分别与所述数据处理模块和驱动机电信号连接，所述驱动机与所述螺旋桨机械连接。
14.在一种可能的实施方式中，优选的，所述飞行系统还包括设置于所述虚拟索道装置上的定位公插针和设置于所述飞行器上的定位母座，所述定位公插针和所述定位母座能够相互配对，用于定位所述飞行器的起始位置。
15.在一种可能的实施方式中，优选的，所述飞行系统还包括监控中心，所述监控中心与所述数据处理模块通信连接，用于监控所述飞行器的飞行状态和存储所述飞行器的飞行数据。
16.在一种可能的实施方式中，优选的，所述飞行器还包括偏航召回模块，所述偏航召回模块与所述数据处理模块电信号连接，当所述飞行器检测不到所述索道激光发射模块发射的虚拟索道激光时，所述偏航召回模块控制所述飞行器飞回起始点。
17.本发明的有益效果是：本发明提出一种无人飞行器飞行系统，包括飞行器和虚拟索道装置，虚拟索道装置包括控制模块、索道激光发射模块和通信模块，索道激光发射模块用于发射出虚拟索道激光，飞行器包括数据处理模块、动力模块和激光感应模块，激光感应模块能够对虚拟索道激光进行感应和识别，进一步的数据处理模块控制动力模块驱使飞行器沿着虚拟索道激光进行滑行，同时通信模块与数据处理模块进行调节信号互通，进而约束飞行器只能沿着虚拟索道激光进行毫米级精度的滑行，不仅减少了飞行器发生偏航问题，还能够有效的降低飞行器失控摔机的概率。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1示出了飞行系统的整体框架结构示意图；
20.图2示出了飞行器的整体结构示意图；
21.图3示出了pid控制器的控制算法流程示意图；
22.图4示出了虚拟索道激光在坐标轴上的路线规划示意图。
23.主要元件符号说明：
24.100-飞行器；110-数据处理模块；120-动力模块；121-动力组件；1210-螺旋桨；1211-驱动机；1212-调速器；130-激光感应模块；131-激光传感器；131a-竖向激光传感器；131b-激光传感器；140-偏航召回模块；200-虚拟索道装置；210-控制模块；220-索道激光发射模块；221-横向激光发射组；222-纵向激光发射组；230-通信模块；240-激光测距模块；300-定位公插针；400-定位母座；500-监控中心。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横向”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.请参阅图1和图2，本发明提供一种毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统(以下简称飞行系统)，该飞行系统包括飞行器100和虚拟索道装置200，虚拟索道装置200能够发射出虚拟索道激光，飞行器100在识别感应到虚拟索道激光后，飞行器100会沿着该虚拟索道激光规划的路线进行滑行。
31.具体的，飞行器100包括数据处理模块110、动力模块120和激光感应模块130，动力模块120和激光感应模块130分别与数据处理模块110电信号连接，其中，激光感应模块130
用于感应识别虚拟索道装置200发射出来的虚拟索道激光，进一步的数据处理模块110根据激光感应模块130识别的数据驱使动力模块120运动，进一步的控制飞行器100沿着虚拟索道激光规划的路线进行滑行。
32.虚拟索道装置200包括控制模块210、索道激光发射模块220和通信模块230，索道激光发射模块220和通信模块230分别与控制模块210电信号连接，控制模块210能够控制索道激光发射模块220发射出虚拟索道激光，通信模块230能够与数据处理模块110进行消息互通，进而能够对飞行器100进行飞行角度的调节控制。
33.本发明方案的实现原理：首先控制模块210启动索道激光发射模块220打开，索道激光发射模块220根据设置的路线发射出虚拟索道激光，进一步的飞行器100上的激光感应模块130对虚拟索道激光进行感应识别后，数据处理模块110对动力模块120进行启动并且控制，使得飞行器100能够沿着虚拟索道激光规划的路线进行滑行；同时通信模块230与数据处理模块110进行数据互通，会实时的将飞行器100上的飞行数据传送到通信模块230上，控制模块210通过接收通信模块230传送的飞行数据进一步的向数据处理模块110传送飞行角度的调节信号，进而保障飞行器100不会超出虚拟索道激光所规划的滑行路线，在该方案中，不仅能够避免飞行器出现偏航的情况，使得飞行器100精确的在虚拟索道激光规划的路线上进行滑行，还能够有效提高飞行器的航线精度，降低飞行器失控后摔机的概率。
34.请继续参阅图1和图2，本发明方案是这样实现的：
35.索道激光发射模块220包括横向激光发射组221和纵向激光发射组222，并且在横向激光发射组221和纵向激光发射组222中，均至少包括一个激光发射器，当横向激光发射组221和纵向激光发射组222具有多个激光发射器时的发射效果是最优的，其中，横向激光发射组221能够发射出横向的虚拟索道激光，纵向激光发射组222能够发射出纵向的虚拟索道激光。
36.激光感应模块130包括多个激光传感器131，这些激光传感器131均与数据处理模块110电信号连接，在这些激光传感器131中，一部分用于对横向激光发射组221发射的横向虚拟索道激光进行感应识别，另一部分用于对纵向激光发射组222发射出纵向的虚拟索道激光进行感应识别。
37.优选的，在激光传感器131外侧设置有挡光罩和滤光片，滤光片设置于挡光罩和激光传感器131之间，滤光片能够减少其他杂光的干扰，同时挡光罩能够将不是激光发射器发射的光线进行阻挡，进而提高激光传感器131对虚拟索道激光的接收感应识别。
38.激光传感器131可以采用转角度的机械转动机构来共用，例如竖向转角变纵向转角，纵向转角变成竖向转角，从而节约激光传感器131和提高数据采集的便捷性。
39.当然激光传感器131可以设置成具有多个角度切换的结构，进而能够有效的保证对虚拟索道激光的获取精度。激光虚拟索道发射器可以放置横向的，也可以放置纵向的。激光发射可以采用脉冲波，减少扰民；防止晚上夜空乱象。
40.此外，相对于现有技术，本发明还具有以下优点：
41.1、机构的可靠性主要取决于运动副约束条件的稳定性，本发明将6个自由度(即上下、左右和前后运动)的飞行器约束成1个自由度(沿着激光路线前后滑行)，能够有效提升飞行器的可靠性。
42.2、空间航路的冲突都是来自于失控冲突，本方案能够通过一个独占私有的外有护
栏的轨道，进而能够控制时间冲突和空间冲突为0。
43.3、飞行器去掉了gps系统，去掉了陀螺仪芯片，就能把贴楼飞行时gps计算位置跳变的摔机、贴楼飞行时气旋混乱的摔机、各种干扰源干扰到陀螺仪芯片的摔机(如铁矿、变压器边、通信发射塔)、恶劣天气摔机以及飞行操作员因操作复杂摔机等摔机诱因全部排除。
44.4、去掉偏差5米左右的gps，实现毫米级飞行控制，可以把机床移栽到本飞行器，进而能够实现飞行机器完成高精准的作业以及与人的0距离贴身交互，同时还能够实现在室内飞行时，将飞行精度控制在毫米级内。
45.5、通过预设定飞行的速度，进而能够去掉不稳定因素源的飞行操作员只有开和关的傻瓜控制指令。
46.6、把对本产品的管理机关从极为严苛的民航部门降低到轨道交通上，更好更广泛地服务民生。
47.请参阅图2，优选的多个激光传感器131可以这样设置，用于感应横向虚拟索道激光的激光传感器131设置成与飞行器100水平方向平行的竖向激光传感器131a，用于感应纵向虚拟索道激光的激光传感器131设置成与飞行器100横向方向平行的竖向激光传感器131b，进而能够更好的对虚拟索道激光进行感应识别。
48.请参阅图1，动力模块120包括多个动力组件121，一个动力组件121包括有螺旋桨1210、驱动机1211和调速器1212，其中，调速器1212与数据处理模块110电信号连接，同时调速器1212与驱动机1211电信号连接，驱动机1211与螺旋桨1210机械连接。
49.驱动机1211可以为驱动电机，也可以为燃料发动机，当然也可以为舵机。
50.请参阅图4，数据处理模块110为飞行器100的控制单元，数据处理模块110同时具备控制启动、接收信息数据和发送接收数据的功用。
51.具体的，数据处理模块包括中央处理器和通信元件，中央处理器用于控制动力模块120的动作，通信元件用于与虚拟索道装置200上的通信模块230电信号连接，调速器1212与中央处理器电信号连接，中央处理器将经过处理分析后的偏差采用pid控制器控制输出信号以驱动动力模块120动作。
52.具体的，在激光发射器发射出竖向和横向的虚拟索道激光后，飞行器100上的激光传感器131对虚拟索道激光进行识别，进一步的控制调速器1212动作，进而能够实现飞行器100沿这虚拟索道激光所规划的路线进行滑行。
53.请参阅图1和图3，优选的，控制器采用pid控制器，它是一种线性调节控制器，它将给定的r(t)的值与实际输出的c(t)的偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
54.需要解释的是，pid控制器具有调节各个单元的作用，其原理包括：1、比例单元p：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，pid控制器立即产生控制作用以减小偏差；2、积分单元i：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数ti，ti越大，积分作用越弱，反之则越强；3、微分单元d：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
55.中央处理器将经过处理分析后的偏差采用pid控制器控制输出信号以驱动动力模
块120，即控制飞行器100的俯仰运动、偏航运动和翻滚运动接近0，同时让飞行器100穿在激光虚拟索道中只能按虚拟索道激光的方向做1维运动。
56.请参阅图1和图2，作为本发明的一种优选实施方式，该飞行系统还包括激光测距模块240，激光测距模块240设置于虚拟索道装置200上，用于测量飞行器100的起飞距离数据和飞行高度数据。
57.在获取到飞行器100的飞行资料后，控制模块210根据起飞距离数据和飞行高度数据向数据处理模块110发送飞行角度的调节调节信号，进而使飞行器100在沿着虚拟索道激光滑行时能够保持飞行器100的滑行精度，同时还能够对飞行器100的飞行状态进行实时的监测和记录。
58.请继续参阅图1，该飞行系统还包括定位公插针300和定位母座400，其中，定位公插针300设置于虚拟索道装置200上，定位母座400设置于飞行器100上，定位公插针300和定位母座400两者相互配对。
59.可以理解的是，在定位母座400套接上定位公插针300后，能够将飞行器100定位在初始起飞的位置，同时在启动索道激光发射模块220后，飞行器100开始自检，完成自检的同时，启动动力模块120中的调速器1212，将定位母座400和定位公插针300进行配合能够有效定位飞行器100的飞行位置，进而有效提高了飞行器100的滑行精度。
60.在上述方案的基础上，该飞行系统还包括偏航召回模块140，偏航召回模块140包括定位元件及飞行数据记录器，在飞行器100失去航线后，即飞行器100在感应不到虚拟索道激光后，会根据飞行数据记录器记载的路线返回到初始起飞位置，飞行器100将会返回到虚拟索道装置200的定位公插针300上，有效的避免了索道激光发射模块220失灵情况下，或者没电力情况下，飞行器100失去路线规划后摔落的问题。
61.请参阅图1，优选的，飞行系统还包括监控中心500，监控中心500与数据处理模块110电信号连接，两者之间能够控制信号互通和信息反馈，监控中心500能够对飞行器100的飞行状态进行实时监测，同时还会将飞行器100的飞行数据进行保存。
62.在本实施方式中，飞行器100上的激光感应模块130在识别感应到索道激光发射模块220发射的虚拟索道激光后，数据处理模块110将控制动力模块120动作，使得飞行器100能够沿着虚拟索道激光规划的路线进行前后滑行、上下滑行，同时控制飞行器100的俯仰运动、偏航运动和翻滚运动接近0，在沿着虚拟索道激光的滑行中只能按索道方向做1维运动。
63.同时，采用系统干涉滑行精度的调整，通过激光测距模块240来测量飞行器100的起飞距离数据和起飞高度数据，控制模块210在根据这些数据向飞行器100发送飞行精度调节的信息，使得飞行器100的飞行更加的稳定和安全，能够有效的避免飞行器100发生偏航或者丢失路线衰落等问题的发生，极大的提高了飞行器100的安全性。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
65.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，包括：飞行器，所述飞行器包括数据处理模块、动力模块和激光感应模块，所述动力模块和所述激光感应模块分别与所述数据处理模块电信号连接；虚拟索道装置，所述虚拟索道装置包括控制模块、索道激光发射模块和通信模块，所述索道激光发射模块和所述通信模块分别与所述控制模块电信号连接，所述索道激光发射模块用于发射虚拟索道激光，所述通信模块用于与所述数据处理模块进行调节信号互通；其中，所述飞行器起飞前，所述索道激光发射模块发射出虚拟索道激光，所述激光感应模块识别虚拟索道激光后，所述数据处理模块控制所述动力模块驱动所述飞行器沿着虚拟索道激光滑行，所述通信模块与所述数据处理模块进行互通后向所述数据处理模块发送飞行调节信号，所述数据处理模块根据飞行调节信号对所述动力模块进行飞行角度的调节。2.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述索道激光发射模块包括横向激光发射组和纵向激光发射组，所述横向激光发射组和所述纵向激光发射组均至少包括一个激光发射器，所述激光发射器与所述控制模块电信号连接，所述激光感应模块获取所述激光发射器发射的虚拟索道激光后，所述数据处理模块控制所述飞行器沿着所述虚拟索道激光进行滑行。3.根据权利要求2所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述激光感应模块包括多个激光传感器，多个所述激光传感器分别对所述横向激光发射组发射的虚拟索道激光和所述纵向激光发射组发射的虚拟索道激光进行感应接收。4.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述飞行系统还包括所述激光测距模块，所述激光测距模块与所述控制模块电信号连接，所述激光测距模块用于测量所述飞行器的起飞距离数据和飞行高度数据，所述控制模块根据起飞距离数据和飞行高度数据通过所述通信模块向所述数据处理模块发送飞行调节信号。5.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述激光感应模块包括多个激光传感器，多个所述激光传感器均与所述数据处理模块电性连接且呈水平设置，所述激光传感器外设置有挡光罩，所述挡光罩与所述激光传感器之间还设置有滤光片。6.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述动力模块包括多个动力组件，所述动力组件包括螺旋桨、驱动机和调速器，所述调速器分别与所述数据处理模块和驱动机电信号连接，所述驱动机与所述螺旋桨机械连接。7.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述飞行系统还包括设置于所述虚拟索道装置上的定位公插针和设置于所述飞行器上的定位母座，所述定位公插针和所述定位母座能够相互配对，用于定位所述飞行器的起始位置。8.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述飞行系统还包括监控中心，所述监控中心与所述数据处理模块通信连接，用于监控所述飞行器的飞行状态和存储所述飞行器的飞行数据。9.根据权利要求1所述的毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统，其特征在于，所述飞行器还包括偏航召回模块，所述偏航召回模块与所述数据处理模块电信号连接，当
所述飞行器检测不到所述索道激光发射模块发射的虚拟索道激光时，所述偏航召回模块控制所述飞行器飞回起始点。
技术总结本发明涉及飞行轨道交通技术领域，尤其涉及一种毫米精度激光虚拟索道的无人飞行器飞行系统。该系统包括飞行器和虚拟索道装置，飞行器包括数据处理模块及与其电信号连接的动力模块和激光感应模块；虚拟索道装置包括控制模块和与其电信号连接的索道激光发射模块和通信模块，索道激光发射模块用于发射虚拟索道激光，通信模块用于与数据处理模块进行调节信号互通；虚拟索道装置在发出虚拟索道激光后，飞行器识别并沿着该虚拟索道激光进行滑行，同时通过通信模块进一步的调整飞行器的滑行姿态，进而能够约束飞行器沿着虚拟索道激光进行毫米级精度滑行，避免了飞行器出现偏航的同时，还能够有效提高飞行器的航线精度，降低飞行器失控摔机的概率。行器失控摔机的概率。行器失控摔机的概率。
技术研发人员：吴李海
受保护的技术使用者：安徽阿拉丁航空航天有限公司
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/7/4
