CN107451788A - 基于自主导航的无人机物流集中自动投递方法及投递站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递方法及投递站，属于无人机技术领域。投递站包括围墙、设置在围墙顶部的合作标志，货箱传输设备，投递次序控制器；所使用的无人机包括机载进场引导模块、货箱、货箱固定机构、货箱状态传感器、投递请求模块、自动避障模块；无人机下降至投递站上方指定高度且机载解算模块从机载摄像头拍摄的图像中未检测到其他无人机时，发送投递请求，获得许可后进行投递。本发明采用视觉引导的方式，提供了无人机物流与地面作业进行衔接的途径，提高了自动化程度和作业效率，减少了着陆和人工卸货带来的误操作事故，且具有多种灵活方便的实现方式。

Description

基于自主导航的无人机物流集中自动投递方法及投递站
技术领域
本发明涉及一种无人机物流投递站，具体地涉及一种基于视觉导航的无人机自动投递站。属于无人机技术领域。
背景技术
随着无人机技术的发展，其使用领域不断增加，无人机在植保、物流、电力巡线等方面都执行大量的作业，无人机发展的下一个阶段即是无人机机器人，其高度自动化智能化可替代人工完成更多精细复杂的任务，其中物资的运输即物流是无人机的重要应用领域，我国部分农村地区已经开展无人机物流试点，然而其自主化程度很大程度上取决于物流站点的设计，尤其是无人值守的无人机物流投递点仍是一个需要解决的技术问题，视觉导航下的自主引导带来了无人机物流效能和应用潜力。现有无人机物流站点多为无人机落地后人工摘取货箱，不利于智能化集中操作，且对地面环境要求较高，容易出现着陆事故或人为误操作，导致无人机受损、人员受伤或货物遗失等。无人机挂载的物资实现自动投递有助于减少人力和误操作，对于实现高自主性和无人机物流具有至关重要的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站：
包括围墙、设置在围墙顶部的合作标志，设置在围墙内部的货箱传输设备，投递次序控制器；所使用的无人机包括机载进场引导模块、货箱、货箱固定机构、货箱状态传感器、投递请求模块、自动避障模块；所述无人机是垂直起降型无人机；其中：
围墙，用于示出投递站的边界，并防止货箱在被无人机投递时滚出边界；围墙所围区域的最大直径应大于货箱的最大直径；
设置在围墙顶部的合作标志，是具有特定几何形状的并且颜色或亮度区分于背景的标志，用于供无人机机载进场引导模块识别投递站的位置和其围墙的范围；并且每个投递站的合作标志形状唯一；
货箱传输设备，用于将无人机投递的货箱传输至指定位置存放等待派送；
机载进场引导模块包括机载摄像头、卫星定位模块、机载解算模块；用于引导无人机下降并悬停至围墙所围区域上方指定高度；且各投递站的合作标志、卫星定位数据预存在机载解算模块中；
机载摄像头、卫星定位模块、货箱状态传感器、投递请求模块分别与机载解算模块相连，机载解算模块与无人机飞行控制***相连；
机载解算模块，用于将卫星定位模块、机载摄像头、货箱状态传感器、投递请求模块采集的数据进行融合计算，并发送给无人机飞行控制***，以控制无人机进场下降和悬停、投递货箱及调整无人机姿态；
机载摄像头，用于拍摄无人机下方环境图像，机载摄像头保持下视；
卫星定位模块，用于获取无人机当前卫星定位信息；
货箱，用于承载待运输的物资；
货箱固定机构，用于将货箱固定于无人机上；货箱状态传感器与货箱固定机构相连，用于获取货箱是否已投递的状态并发给投递次序控制器和机载解算模块；货箱状态传感器与机载解算模块相连；
设置于无人机上的自动避障模块，与无人机飞行控制***相连，用于防止无人机相撞；
无人机的投递请求模块，用于发送投递货箱的请求；
投递站的投递次序控制器，用于与无人机的投递请求模块进行通信，接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求，验证通过后发送许可给无人机的投递请求模块；
投递请求模块与投递次序控制器进行无线通信；
供电单元，用于为各部分提供电源。
一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递方法，包括如下步骤：
投递站周围设置围墙，围墙顶部设置合作标志；且每个投递站采用唯一的合作标志；
无人机起飞前，根据本次投递任务的目的地投递站的卫星定位数据进行路径规划；
无人机起飞，按照规划的路线逐渐靠近该投递站位置，并进行自动避障，机载摄像头在采集的地面图像中搜索该投递站的合作标志，当发现合作标志后启动无人机下降，并在下降过程中持续锁定合作标志，采用视觉引导方式使无人机位于合作标志上方，并使无人机的下降方向指向投递站围墙之内，在下降过程中，进行自动避障；
机载解算模块根据机载摄像头拍摄的图像，以及卫星定位模块采集的实时数据，结合无人机高度信息，判断无人机是否已下降至投递站上方指定高度，当处于其上方指定高度时，并且机载解算模块从机载摄像头拍摄的图像中未检测到其他无人机时，投递请求模块发送当前无人机的投递请求给投递站的投递次序控制器；投递次序控制器接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求，验证通过后发送许可给无人机的投递请求模块；当该投递请求得到许可后，则无人机货箱固定机构松开，使得货箱从无人机落下，直至落于投递站围墙之内，货箱传输机构将货箱运输至指定位置；当无人机货箱固定机构打开，标志着该无人机本次投递完成，无人机货箱状态传感器发送信号给投递次序控制器和机载解算模块，无人机启动横向飞行，驶离该投递站。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提供的采用视觉引导的无人机物流自动投递站，便于无人机进行物流投递，该结构提供了无人机物流与地面作业进行衔接的途径，提高了自动化程度，特别适用物流站点化作业，减少了着陆和人工卸货带来的误操作事故，且具有多种灵活方便的实现方式，有效提高了无人机物流的作业效率。
附图说明
图1是本发明所述投递站及所用无人机组成示意图；
其中：1-围墙、2-合作标志(点亮的LED灯)、3-合作标志(未点亮的LED灯)、4-货箱传输设备、5-货箱(已投递)。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
下面结合实施例和图1对本发明所述一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站的具体实施方式进行描述解释：
一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，包括围墙、设置在围墙顶部的合作标志，设置在围墙内部的货箱传输设备，投递次序控制器；所使用的无人机包括机载进场引导模块、货箱、货箱固定机构、货箱状态传感器、投递请求模块、自动避障模块；所述无人机是垂直起降型无人机；一种实例的示意图见图1，其中，
围墙，用于示出投递站的边界，并防止货箱在被无人机投递时滚出边界；围墙所围区域的最大直径应大于货箱的最大直径；围墙可为方形、圆形、漏斗形、锥形；
设置在围墙顶部的合作标志，用于供无人机机载进场引导模块识别投递站的位置和其围墙的范围；并且每个投递站的合作标志形状唯一；所述合作标志是LED灯或用反光涂料涂覆的标志；当合作标志为LED灯时，包括：多个LED灯、灯阵控制器；多个LED灯均匀排列且固定在围墙顶部，所述LED灯是采用LED构成的圆形发光体或者条带形发光体；各LED灯的电源线分别通过灯阵控制器与供电单元连接；灯阵控制器用于控制各LED灯的亮灭。所述LED灯是由条状LED灯带盘绕而成的实心圆形发光体，每个LED灯的直径至少为300mm；LED灯的数量大于4；其圆心之间的间距大于等于LED灯半径的3倍。当合作标志的LED灯为条带形发光体时，其沿着围墙布设范围的长度小于等于围墙的周长。每个LED灯的光度大于等于113000lm。所述LED灯沿着围墙顶部的内边缘布设。每一种合作标志与一个投递站地址相对应，当投递站处于停用状态时，其对应的合作标志被覆盖或熄灭。
货箱传输设备，用于将无人机投递的货箱传输至指定位置存放等待派送；
机载进场引导模块包括机载摄像头、卫星定位模块、机载解算模块；用于引导无人机下降并悬停至围墙所围区域上方指定高度；且各投递站的合作标志、卫星定位数据预存在机载解算模块中；
机载摄像头、卫星定位模块、货箱状态传感器、投递请求模块分别与机载解算模块相连，机载解算模块与无人机飞行控制***相连；
机载解算模块，用于将卫星定位模块、机载摄像头、货箱状态传感器、投递请求模块采集的数据进行融合计算，并发送给无人机飞行控制***，以控制无人机进场下降和悬停、投递货箱及调整无人机姿态；
机载摄像头，用于拍摄无人机下方环境图像，机载摄像头保持下视；
卫星定位模块，用于获取无人机当前卫星定位信息，以便将无人机引导至投递站附近位置；
货箱，用于承载待运输的物资并挂于无人机上；
货箱固定机构，用于将货箱固定于无人机上；货箱状态传感器与货箱固定机构相连，用于获取货箱是否已投递的状态并发给投递次序控制器和机载解算模块；货箱状态传感器与机载解算模块相连；
供电单元，用于为各部分提供电源。
设置于无人机上的自动避障模块，与无人机飞行控制***相连，用于防止无人机相撞；(但无法保证下方是否有无人机，因此无法防止货箱投递时砸到其他的无人机，因此需要使用机载摄像头观测下方环境，并用投递请求模块与投递次序控制器相配合)
无人机的投递请求模块，用于发送投递货箱的请求；
投递站的投递次序控制器，用于与无人机的投递请求模块进行通信，接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求，验证通过后发送许可给无人机的投递请求模块；
投递请求模块与投递次序控制器进行无线通信。
工作流程：
无人机起飞前，根据本次投递任务的目的地投递站的卫星定位数据进行路径规划；
无人机起飞，按照规划的路线逐渐靠近该投递站位置，并进行自动避障，机载摄像头在采集的地面图像中搜索该投递站的合作标志，当发现合作标志后启动无人机下降，并在下降过程中持续锁定合作标志，使无人机位于合作标志上方，并使无人机的下降方向指向投递站围墙之内，在下降过程中，进行自动避障；
机载解算模块根据机载摄像头拍摄的图像，以及卫星定位模块采集的实时数据，结合无人机高度信息，判断无人机是否已下降至投递站上方指定高度，当处于其上方指定高度时，并且机载解算模块从机载摄像头拍摄的图像中未检测到其他无人机时，投递请求模块发送当前无人机的投递请求给投递站的投递次序控制器；投递次序控制器接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求，验证通过后发送许可给无人机的投递请求模块；当该投递请求得到许可后，则无人机货箱固定机构松开，使得货箱从无人机落下，直至落于投递站围墙之内，货箱传输机构将货箱运输至指定位置；当无人机货箱固定机构打开，标志着该无人机本次投递完成，无人机货箱状态传感器发送信号给投递次序控制器和机载解算模块，无人机启动横向飞行，驶离该投递站。
进一步地，投递请求模块所发送的投递请求中包括货箱物流信息中的收件地址；投递站的投递次序控制器，接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求时，验证收件地址。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，包括围墙、设置在围墙顶部的合作标志，设置在围墙内部的货箱传输设备，投递次序控制器；所使用的无人机包括机载进场引导模块、货箱、货箱固定机构、货箱状态传感器、投递请求模块、自动避障模块；所述无人机是垂直起降型无人机；其中：
围墙，用于示出投递站的边界，并防止货箱在被无人机投递时滚出边界；围墙所围区域的最大直径应大于货箱的最大直径；
设置在围墙顶部的合作标志，是具有特定几何形状的并且颜色或亮度区分于背景的标志，用于供无人机机载进场引导模块识别投递站的位置和其围墙的范围；并且每个投递站的合作标志形状唯一；
货箱传输设备，用于将无人机投递的货箱传输至指定位置存放等待派送；
机载进场引导模块包括机载摄像头、卫星定位模块、机载解算模块；用于引导无人机下降并悬停至围墙所围区域上方指定高度；且各投递站的合作标志、卫星定位数据预存在机载解算模块中；
机载摄像头、卫星定位模块、货箱状态传感器、投递请求模块分别与机载解算模块相连，机载解算模块与无人机飞行控制***相连；
机载解算模块，用于将卫星定位模块、机载摄像头、货箱状态传感器、投递请求模块采集的数据进行融合计算，并发送给无人机飞行控制***，以控制无人机进场下降和悬停、投递货箱及调整无人机姿态；
机载摄像头，用于拍摄无人机下方环境图像，机载摄像头保持下视；
卫星定位模块，用于获取无人机当前卫星定位信息；
货箱，用于承载待运输的物资；
货箱固定机构，用于将货箱固定于无人机上；货箱状态传感器与货箱固定机构相连，用于获取货箱是否已投递的状态并发给投递次序控制器和机载解算模块；货箱状态传感器与机载解算模块相连；
设置于无人机上的自动避障模块，与无人机飞行控制***相连，用于防止无人机相撞；
无人机的投递请求模块，用于发送投递货箱的请求；
投递站的投递次序控制器，用于与无人机的投递请求模块进行通信，接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求，验证通过后发送许可给无人机的投递请求模块；
投递请求模块与投递次序控制器进行无线通信；
供电单元，用于为各部分提供电源。
2.一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递方法，其特征在于，包括如下步骤：
投递站周围设置围墙，围墙顶部设置合作标志；且每个投递站采用唯一的合作标志；
无人机起飞前，根据本次投递任务的目的地投递站的卫星定位数据进行路径规划；
无人机起飞，按照规划的路线逐渐靠近该投递站位置，并进行自动避障，机载摄像头在采集的地面图像中搜索该投递站的合作标志，当发现合作标志后启动无人机下降，并在下降过程中持续锁定合作标志，采用视觉引导方式使无人机位于合作标志上方，并使无人机的下降方向指向投递站围墙之内，在下降过程中，进行自动避障；
机载解算模块根据机载摄像头拍摄的图像，以及卫星定位模块采集的实时数据，结合无人机高度信息，判断无人机是否已下降至投递站上方指定高度，当处于其上方指定高度时，并且机载解算模块从机载摄像头拍摄的图像中未检测到其他无人机时，投递请求模块发送当前无人机的投递请求给投递站的投递次序控制器；投递次序控制器接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求，验证通过后发送许可给无人机的投递请求模块；当该投递请求得到许可后，则无人机货箱固定机构松开，使得货箱从无人机落下，直至落于投递站围墙之内，货箱传输机构将货箱运输至指定位置；当无人机货箱固定机构打开，标志着该无人机本次投递完成，无人机货箱状态传感器发送信号给投递次序控制器和机载解算模块，无人机启动横向飞行，驶离该投递站。
3.根据权利要求2所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递方法，还包括预先设置的空中等待位置，空中队列路径；无人机在等待投递的阶段，在空中按照预定的空中等待位置进行等候，并按照预定的空中队列路径进行移动。
4.根据权利要求1所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，所述合作标志是LED灯或用反光涂料涂覆的标志；当合作标志为LED灯时，包括：多个LED灯、灯阵控制器；
多个LED灯均匀排列且固定在围墙顶部，所述LED灯是采用LED构成的圆形发光体或者条带形发光体；各LED灯的电源线分别通过灯阵控制器与供电单元连接；灯阵控制器用于控制各LED灯的亮灭。
5.根据权利要求4所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，所述LED灯是由条状LED灯带盘绕而成的实心圆形发光体，每个LED灯的直径至少为300mm；LED灯的数量大于4；其圆心之间的间距大于等于LED灯半径的3倍。
6.根据权利要求4所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，当合作标志的LED灯为条带形发光体时，其沿着围墙布设范围的长度小于等于围墙的周长。
7.根据权利要求4所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，每个LED灯的光度大于等于113000lm。
8.根据权利要求4所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，所述LED灯沿着围墙顶部的内边缘布设。
9.根据权利要求4所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，每一种合作标志与一个投递站地址相对应，当投递站处于停用状态时，其对应的合作标志被覆盖或熄灭。
10.根据权利要求1所述的一种基于自主导航的无人机物流集中自动投递站，其特征在于，投递请求模块所发送的投递请求中包括货箱物流信息中的收件地址；投递站的投递次序控制器，接收并验证无人机投递请求模块发来的投递请求时，验证收件地址。
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