CN109407687A - 无人机高精度自主降落控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机高精度自主降落控制***，用于实现无人机高精度自主降落及低空飞行控制。本发明将无人机的姿态感知和高度定位转换为简单的光学信标之间的距离测量，从而实现不依赖GPS和MEMS的无人机自身姿态和高度的精确感知。本发明包括无人机机载的信标发射模块、地面的信标采集及处理模块，其中信标发射模块为激光发射器，信标采集及处理模块包括影像采集单元和计算处理单元。本发明中影像采集单元获取信标发射模块在地面上形成的激光信标分布信息并送入计算处理单元；计算处理单元利用空间几何关系计算得到无人机相对于着陆区域的姿态信息以及相对高度，并据此制定飞行调整指令实现无人机的姿态调整和高度控制。

Description

无人机高精度自主降落控制***

技术领域

本发明涉及无人机控制***和方法领域，具体是一种无人机高精度自主降落控制***。

背景技术

无人机又称无人飞行器，其发展已经有了20多年的历史，但它们的起源却可以追溯到第一次世界大战。从采用和使用规模的角度来看，目前无人机的发展还处于起步阶段，但它们已经突破了其他类似技术革新似乎无法突破的传统工业壁垒。在过去的几年里，无人机的应用扩展到全球的各个行业，无人机已成为各企业和政府机构的职能中心，并在设法突破某些行业中停滞不前或落后的领域，从交通高峰时刻的快速递送到扫描无法到达的军事基地。无人机技术在过去几年里的发展速度是比较惊人的，在人类无法到达或无法及时有效执行任务的地方，无人机被证明是非常有价值的。

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，其常用的降落方法是使用GPS(全球定位***)辅助降落的，即将目标区域的GPS坐标信息发送给无人机，飞控***控制无人机飞行至目标区域上空后开始进行降落，并根据目标区域的GPS坐标信息不断修正自身的降落位置。但一般来说，无人机在飞行过程中可能会遇到漂移问题，由于GPS只能提供无人机当前的位置信息而无法获取到无人机的高度及姿态信息，这样就无法确保无人机以安全的速度和稳定的姿态进行降落，实现精准降落的目的也会较为困难，有时甚至会引起危险事故的发生。

发明内容

为了弥补在无人机高度及姿态信息获取方面研究的不足，本发明公开了一种无人机高精度自主降落控制***，旨在不依赖GNSS和MEMS***通过无人机机载信标发射模块、和部署于地面的信标采集及处理模块协同作业，实现高精度着陆控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：包括无人机机载的信标发射模块，以及部署于地面上的信标采集及处理模块，其中：

信标发射模块向地面发射多道激光，以在地面上同时形成多个激光信标，其中至少有一个激光信标作为正射激光信标，正射激光信标对应的激光发射方向为无人机着陆姿态机身平面的法线方向；

信标采集及处理模块包括影像采集单元、计算处理单元，其中影像采集单元获取多个激光信标在地面上的分布信息，并将采集的分布信息送入计算处理单元，所述计算处理单元中根据激光信标在地面上的分布信息、正射激光信标对应的激光发射方向与其余激光信标对应的激光发射方向之间夹角，利用空间几何关系计算得到无人机相对于地面的姿态信息和高度信息，计算处理单元依据计算得到的姿态信息和高度信息制定飞行调整指令，以进行无人机的姿态调整和高度控制，实现精准降落。

所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：所述信标发射模块的位置优选位于无人机重心的正下方。

所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：所述信标发射模块为多个工作于可见光谱段或非可见光谱段的激光发射器，其中至少有一个激光发射器作为正射激光发射器，正射激光发射器在地面上形成正射激光信标。

所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：多个激光发射器中，其余激光发射器环绕正射激光发射器。

所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：正射激光发射器与其余激光发射器之间间距均相等。

所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：正射激光发射器的激光发射方向与其余激光发射器的激光发射方向之间夹角均相等。

所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：除正射激光发射器外的其余激光发射器中，至少有一个激光发射器在地面上形成的激光信标区别于其他激光发射器在地面上形成的激光信标。

无人机高精度自主降落控制***包括信标发射模块、信标采集及处理模块。信标发射模块包括无人机机载的多个激光发射器，由于激光具有良好的单色性、相干性、方向性，而且激光发射器普遍较为便宜，所以在无人机降落前利用激光向地面基站发射激光信号线，形成高度及姿态信息。信标采集及处理模块包括地面基站中安装的影像采集单元及计算处理单元，用于采集地面上的激光投影点分布信息，计算处理成无人机的高度及姿态信息，根据当前高度及姿态制定相应的飞行指令。无人机的姿态速度控制模块可以跟据地面基站发出的飞行指令而进行自身姿态及降落速度的调整。

本发明的优点在于：

(1)结合地面基站部署的设备实时获取激光投影点的分布情况，经过计算分析后就可以获取无人机的实时高度及姿态信息，这样就可以根据无人机的具体状态进行降落速度及姿态的调整，从而确保无人机可以实现安全平稳的着陆，提高了可靠性和安全性。

(2)现今存在的无人机降落方法的实现都是在无人机上安装信标采集及处理模块，为了满足信息处理的基本要求而尽可能减轻无人机的机载重量、减少无人机的电能损耗，故本发明将信标采集及处理模块布置在地面基站中，无人机不执行信息采集及处理的任务。

(3)本发明是自主控制运行的，不需要额外的人为操作，可以在无人机有降落需求时，仅仅依靠无人机自身与地面基站两者之间的协同作业而实现无人机的高精准自主降落，节省了大量的人工成本，提高了无人机的降落准确性，同时也实现了智能化的目标。

附图说明

图1为本发明的无人机高精度自主降落过程的流程示意图。

图2为本发明的无人机高精度自主降落控制***结构图。

图3为本发明的无人机底部激光发射器布局示意图。

图4为本发明的无人机激光投影点分布示意图。

具体实施方式

无人机向地面基站发出降落请求，地面基站接收到请求后会对无人机的位置信息进行判断，然后向无人机发出降落指令，降落指令包括地面基站的GPS位置等信息，无人机接收到降落指令后会根据GPS位置信息的引导飞行至地面基站的上空。

无人机到达目标区域上空后，开始发射激光信标，地面基站对激光信标进行实时的采集和计算处理，首先得出无人机当前姿态信息，调整至符合要求后，计算出无人机飞行高度信息，制定出具体的降落方案，将指令发送给无人机，最后无人机执行相应指令，从而实现精准降落。

如图2所示，本发明无人机高精度自主降落控制***包括机载的多个激光发射器构成的信标发射模块，部署于地面的摄像头作为影像采集单元，部署于地面的计算机作为计算处理单元。如图1所示，本发明的工作过程如下：

步骤一：机载激光发射器布置(以五台激光器组合为例)

如图3所示，机载的多个激光发射器安放在无人机底部，总体布置有五个激光发射器，保证激光发出端指向地面，五个激光发射器相邻布置，具***置布局如图3所示。O、A、B、C、D五个点表示五个激光发射器。其中O点发出的激光射线始终与无人机底部垂直；A、B两点的激光发射器布置在无人机的俯仰平面内，保证发出的激光均与O点发出的激光成θ角；C、D两点的激光发射器布置在无人机的滚转平面内，同时保证发出的激光均与O点发出的激光成θ角。

步骤二：无人机进行激光投影，地面基站进行激光信标采集

无人机在飞行过程中需要进行降落补给时，会先向地面基站发出降落请求，地面基站中，由摄像头作为影像采集单元，由计算机作为计算处理单元，地面基站接收到请求后会对无人机的位置信息进行判断，然后向无人机发出降落指令，降落指令包括地面基站的GPS位置等信息，无人机接收到降落指令后会根据GPS位置信息的引导飞行至地面基站的上空。

无人机到达地面基站上空后，开始向地面基站发射激光信标，O、A、B、C、D五个激光发射器发射的激光投影点依次为O₁、A₁、B₁、C₁、D₁，地面基站中摄像头对激光投影点进行采集，然后通过计算机分析计算得出激光投影点O₁与A₁、B₁、C₁、D₁间的距离分别为X_OA、X_OB、X_OC、X_OD。

步骤三：地面基站对无人机飞行姿态的计算分析

地面基站采集处理而得到相应的信息后首先就要对无人机的姿态信息进行计算分析。飞行姿态包括俯仰、偏航和滚转，在无人机降落时，偏航情况并不影响其安全性和准确性，故不需要在此做多余的计算，只需要对无人机的俯仰角和滚转角进行计算，得出相关结果后调整无人机俯仰和滚转情况，保证无人机保持在平稳的状态下。其激光投影点分布示意图如图4所示，具体计算过程如下：

1.对无人机俯仰角α进行计算

(1)若X_OA-X_OB＝0，表示激光投影点A₁、B₁到O₁点的距离相等，说明无人机当前姿态不存在俯仰角即α＝0，无人机在俯仰平面内并没有发生倾斜。

(2)若X_OA-X_OB＞0，表示激光投影点A₁到O₁点的距离大于B₁到O₁点的距离，说明无人机当前姿态存在俯仰角，无人机前部在俯仰平面内产生了向上的倾斜。该倾斜角具体计算过程如下：

由上式得

因为

∠O₁OA₁＝∠O₁OB₁＝θ，

所以

O₁A₁sin∠OA₁C₁＝O₁B₁sin∠OB₁O₁，

又因为

∠OO₁B₁＝∠O₁OA₁+∠OA₁O₁，

∠OB₁O₁＝180°-∠O₁OB₁-∠OO₁B₁，

所以

∠OB₁O₁＝180°-∠O₁OB₁-(∠O₁OA₁+∠OA₁O₁)＝180°-∠OA₁O₁-2θ，

所以得

O₁A₁sin∠OA₁O₁＝O₁B₁sin(∠180°-∠OA₁O₁-2θ)，

所以又得

O₁A₁sin∠OA₁O₁＝O₁B₁sin(∠OA₁O₁+2θ)，

同时因为

sin(∠OA₁O₁+2θ)＝sin∠OA₁O₁cos2θ+cos∠OA₁O₁sin2θ，

所以得

O₁A₁sin∠OA₁O₁＝O₁B₁(sin∠OA₁O₁cos2θ+cos∠OA₁O₁sin2θ)，

所以又得

所以再次得

因为

O₁A₁＝X_OA，O₁B₁＝X_OB，θ已知，

所以最终得

在此基础上对倾斜角α进行求解，过程如下：

在此需要注意：

(3)若X_OA-X_OB＜0，表示激光投影点A₁到O₁点的距离小于B₁到O₁点的距离，说明无人机当前姿态存在俯仰角，无人机前部在俯仰平面内产生了向下的倾斜。依据上述计算过程，同理可得此处结果为：

其中

2.对无人机滚转角β进行计算

(1)若X_OC-X_OD＝0，表示激光投影点C₁、D₁到O₁点的距离相等，说明无人机当前姿态不存在滚转角即β＝0，无人机在滚转平面内并没有发生倾斜。

(2)若X_OC-X_OD＞0，表示激光投影点C₁到O₁点的距离大于D₁到O₁点的距离，说明无人机当前姿态存在滚转角，无人机左侧在滚转平面内产生了向上的倾斜。依据1.(2)中的计算过程，同理可得此处结果为：

其中

(3)若X_OC-X_OD＜0，表示激光投影点C₁到O₁点的距离小于D₁到O₁点的距离，说明无人机当前姿态存在滚转角，无人机左侧在滚转平面内产生了向下的倾斜。依据上述计算过程，同理可得此处结果为：

其中

步骤四：地面基站依据无人机飞行姿态发送相应调整指令

地面基站将各激光投影点位置及距离关系处理成无人机飞行姿态后，制定出相应的飞行指令。若无人机存在俯仰角或者滚转角，地面基站则将调整指令发送给无人机，无人机收到指令后将自身调整至稳定状态；若无人机不存在俯仰角和滚转角，地面基站则不向无人机发送调整指令。

步骤五：地面基站对无人机飞行高度的计算分析

无人机接收到调整指令后开始调整自身飞行姿态，调整至平稳后，地面基站重新采集激光投影点位置及距离关系，此时O₁与A₁、B₁、C₁、D₁间的距离均相等，即X_OA＝X_OB＝X_OC＝X_OD。在此基础上，对无人机飞行高度H进行计算，具体计算过程如下所示：

步骤六：地面基站发送指令，无人机进行高精度自主降落

地面基站处理得到无人机高度信息后，制定出具体的降落指令，其中包括降落速度、降落加速度等，将指令发送给无人机，最后无人机执行相应指令，从而完成了高精度自主降落过程。

Claims (7)

1.无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：包括无人机机载的信标发射模块，以及部署于地面上的信标采集及处理模块，其中：

信标发射模块向地面发射多道激光，以在地面上同时形成多个激光信标，其中至少有一个激光信标作为正射激光信标，正射激光信标对应的激光发射方向为无人机着陆姿态机身平面的法线方向；

信标采集及处理模块包括影像采集单元、计算处理单元，其中影像采集单元获取多个激光信标在地面上的分布信息，并将采集的分布信息送入计算处理单元，所述计算处理单元中根据激光信标在地面上的分布信息、正射激光信标对应的激光发射方向与其余激光信标对应的激光发射方向之间夹角，利用空间几何关系计算得到无人机相对于地面的姿态信息和高度信息，计算处理单元依据计算得到的姿态信息和高度信息制定飞行调整指令，以进行无人机的姿态调整和高度控制，实现精准降落。

2.根据权利要求1所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：所述信标发射模块的位置优选位于无人机重心的正下方。

3.根据权利要求1所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：所述信标发射模块为多个工作于可见光谱段或非可见光谱段的激光发射器，其中至少有一个激光发射器作为正射激光发射器，正射激光发射器在地面上形成正射激光信标。

4.根据权利要求3所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：多个激光发射器中，其余激光发射器环绕正射激光发射器。

5.根据权利要求4所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：正射激光发射器与其余激光发射器之间间距均相等。

6.根据权利要求4所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：正射激光发射器的激光发射方向与其余激光发射器的激光发射方向之间夹角均相等。

7.根据权利要求4所述的无人机高精度自主降落控制***，其特征在于：除正射激光发射器外的其余激光发射器中，至少有一个激光发射器在地面上形成的激光信标区别于其他激光发射器在地面上形成的激光信标。