CN110228598B - 一种应用于固定翼无人机快速回收***及其回收控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于固定翼无人机快速回收***及其回收控制方法。本发明采用三方向位移装置、电机驱动器、回收对接装置、压力传感器、锁定装置、锁定装置驱动电路、摄像头、无人机对接装置、标识、模数转换电路、处理单元和电源；处理单元通过摄像头的图像调整位移装置，使得无人机对接装置与回收对接装置对准；通过压力传感器得到压力信号判定对接完成，处理单元控制锁定装置将无人机对接装置与回收对接装置锁紧；本发明实现降落中无人机的方位感知和测算，进而调整对接装置位置进行对准，实现准确对接并回收；本发明体积小，可实验无人机的自主回收，回收速度更快、对无人机结构损伤小、多台***同时工作可实现无人机集群的批量化回收。

Description

一种应用于固定翼无人机快速回收***及其回收控制方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种应用于固定翼无人机快速回收***及其回收控制方法。

背景技术

固定翼无人机的降落需要足够长的跑道作为降落条件，是限制无人机应用环境的主要影响因素之一。随着无人机技术的快速发展，人们对无人机的快速发射和回收降落有了更高的要求，虽然无人机短程发射技术由于技术难度相对低，获得了快速的发展，但无人机回收技术却存在很多难以解决的技术问题。固定翼无人机滞空时间长，速度快，但固定翼无人机在降落时，需要较长的跑道，且占用时间长。在舰载环境下，跑道长宽有限，且海浪颠簸无人机难以起降，在无机场跑道的地面崎岖环境，无人机更是难以回收。现有技术中对于中小型固定翼无人舰载机有使用阻拦索方式进行降落的，但一方面阻拦索阻挡机翼的方式要求机翼强度高，而且其需要在自身受限于大翼展和轻重量，对于体积和重量更大的无人机难以适用；另一方面无人机在空中被阻拦索捕获时由于阻拦索的柔性特性使得无人机被捕获后运动状态不确定，容易造成无人机结构损坏。舰载环境下，无人机受到侧风扰动的影响的情况下，还要做到根据航母随时的航速、横摇、纵摇、下降、上升等运动变化而动态调节自身方位，角度与速度参数进行着舰，极大增加了控制难度。

发明内容

针对以上函待解决的因无人机没有足够长的跑道使得无人机不能降落而无法快速回收问题，本发明提出了一种应用于固定翼无人机快速回收***及其回收控制方法，实现降落中无人机的方位感知和测算，进而调整对接装置位置进行对准，实现准确对接并回收。

本发明的一个目的在于提出一种应用于固定翼无人机快速回收***。

本发明的应用于固定翼无人机快速回收***包括：X方向位移装置、缓冲装置、Y方向位移装置、Z方向位移装置、电机驱动器、回收对接装置、压力传感器、锁定装置、锁定装置驱动电路、摄像头、无人机对接装置、标识、模数转换电路、处理单元和电源；其中，X方向位移装置安装在载体上；在X方向位移装置上设置缓冲装置；在缓冲装置上设置Y方向位移装置；在Y方向位移装置上设置Z方向位移装置；X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置均通过导线连接至电机驱动器；在Z方向位移装置上设置回收对接装置；在回收对接装置上设置压力传感器、锁定装置和摄像头；压力传感器连接至模数转换电路，锁定装置连接至锁定装置驱动电路；摄像头、模数转换电路、电机驱动器和锁定装置驱动电路分别连接至处理单元；电源分别连接至电机驱动器、压力传感器、锁定装置驱动电路、摄像头、模数转换电路和处理单元，提供工作电压；在无人机的底端安装无人机对接装置；在无人机对接装置上设置标识；设定无人机的返回路线沿着X方向，无人机沿X方向返回；摄像头的拍摄方向朝向无人机的返回方向，摄像头拍摄图像，传输至处理单元，通过图像判断是否有无人机要降落；当在图像中判断有无人机要降落时，处理单元通过摄像头拍摄的图像，计算无人机上的标识位置，得到标识在像素坐标系下的坐标值y和z；处理单元通过电机驱动器分别移动Y方向位移装置和Z方向位移装置，使得标识位于像素坐标系的中心，实现无人机对接装置与回收对接装置沿X方向对准；无人机对接装置对接至回收对接装置中，压力传感器采集压力信号至模数转换电路，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号后传输至处理单元；处理单元接收到压力信号后判定完成对接；处理单元根据压力信号计算得到无人机相对于回收对接装置的相对速度，分别控制X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置做相应移动，以缓冲撞击力；处理单元发送锁定信号至锁定装置驱动电路，锁定装置驱动电路驱动锁定装置将回收对接装置和无人机对接装置锁紧，完成无人机回收。

X方向位移装置包括X方向滑动导轨、X方向滑动底座和X方向电机；其中，X方向滑动导轨沿X方向摆放；X方向滑动底座设置在X方向滑动导轨上，X方向滑动底座连接至X方向电机，在X方向电机的驱动下，X方向滑动底座能够沿X方向滑动导轨移动。X方向电机连接至电机驱动器。

Y方向位移装置包括Y方向滑动导轨、Y方向滑动底座和Y方向电机；其中，Y方向滑动导轨沿Y方向摆放设置在缓冲底座上；Y方向滑动底座设置在Y方向滑动导轨上，Y方向滑动底座连接至Y方向电机，在Y方向电机的驱动下，Y方向滑动底座能够沿Y方向滑动导轨移动。Y方向电机连接至电机驱动器。

Z方向位移装置包括Z方向滑动导轨和Z方向电机；其中，Z方向滑动导轨沿Z方向摆放设置在Y方向滑动底座上；回收对接装置设置在Z方向滑动导轨上，回收对接装置连接至Z方向电机，在Z方向电机的驱动下，回收对接装置能够沿Z方向滑动导轨移动。Z方向电机连接至电机驱动器。

缓冲装置包括缓冲底座和缓冲阻尼弹簧；其中，缓冲阻尼弹簧设置在X方向滑动底座上，在缓冲阻尼弹簧上设置缓冲底座。用于无人机与回收***对接后，X方向滑动底座运动前的冲击缓冲，吸收冲击能量。

回收对接装置包括回收基座和对接接口；其中，在回收基座上设置N个对接接口，对接接口为在回收基座的YZ表面上的圆台形的凹槽；多个对接接口的中心点不全部位于同一条直线上。摄像头安装在回收基座的设置有对接接口的表面。对接接口采用圆台形的凹槽，圆台的倾斜角为30°～60°，形成开口朝向表面的喇叭形口；这种微小倾斜角的喇叭形口的设计，能够容纳无人机在返回时沿X轴方向上的微小倾斜。N为≥3的自然数。

在每一个对接接口的底端设置有一个压力传感器。

在每一个对接接口的侧壁上设置有一个锁定装置；锁定装置包括电磁铁线圈、电磁铁芯和销钉；在回收基座内且位于对接接口的侧壁上设置有与对接接口垂直且连通的安装孔，在安装孔内设置有电磁铁线圈；电磁铁线圈中设置有电磁铁芯，在电磁铁芯的顶端设置有销钉；电磁铁线圈连接至锁定装置驱动电路。

无人机对接装置包括对接基座和对接柱；其中，与N个对接接口相对应，在对接基座上设置有N个对接柱，对接柱的形状为圆柱形。与锁定装置的安装孔位置相对应，在对接柱上设置有垂直的销孔，销孔穿透对接柱的侧壁。

当主控制单元判断没有对接时，主控制单元通过锁定装置驱动电路不对电磁铁线圈通电；当对接柱***对接接口时，压力传感器将压力信号传输至主控制单元，主控制单元判断对接完成，主控制单元通过锁定装置驱动电路对电磁铁线圈通电，电磁铁线圈产生磁场，磁场的方向与电磁铁芯的磁性相反，从而排斥电磁铁芯，使得电磁铁芯向外推出，将销钉***至对接柱中的销孔中，完成锁紧。

载体为车、舰船或大型运输机等无降落跑道的地面。

本发明的另一个目的在于提供一种应用于固定翼无人机快速回收***的回收控制方法。

本发明的应用于固定翼无人机快速回收***的回收控制方法，包括以下步骤：

1)设定无人机的返回路线沿着X方向，无人机沿X方向返回；

2)摄像头的拍摄方向朝向无人机的返回方向，摄像头拍摄图像，传输至处理单元，通过图像判断是否有无人机要降落；

3)当在图像中判断有无人机要降落时，处理单元通过摄像头拍摄的图像，计算无人机上的标识位置，得到标识在像素坐标系下的坐标值y和z；

4)处理单元将标识的坐标值y和z发送至处理单元，处理单元通过电机驱动器分别移动Y方向位移装置和Z方向位移装置，使得标识位于像素坐标系的中心，实现无人机对接装置与回收对接装置沿X方向对准；

5)无人机对接装置对接至回收对接装置中，压力传感器采集压力信号至模数转换电路，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号后传输至处理单元；

6)处理单元接收到压力信号后判定完成对接；

7)处理单元根据压力信号计算得到无人机相对于回收对接装置的相对速度，分别控制X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置做相应移动，以缓冲撞击力，并且速度逐渐降低，使无人机逐渐停下来，最终使得无人机的速度为零；

8)处理单元发送锁定信号至锁定装置驱动电路，锁定装置驱动电路驱动锁定装置将回收对接装置和无人机对接装置锁紧，完成无人机回收。

其中，在步骤1)中，无人机在实现对接前，通过自身的传感器测量出横滚角，从而判断是否达到降落要求，如果横滚角大于5°则不满足降落要求，无人机调整自身的姿态，直至横滚角≤5°满足降落要求，再与回收对接装置对接。

在步骤7)中，处理单元分别控制X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置沿着相对速度的方向运动，并且速度逐渐降低，使无人机逐渐停下来，最终使得无人机的速度为零。X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置移动速度的大小根据实验测试，在回收***使用前，采用实验测试的方法，无人机分别以不同的速度返回回收***，实验测量得到各方向位移装置的移动速度，使得对接距离X方向在20米以内，Y方向在1米以内，Z方向在0.5米。

本发明的优点：

本发明采用X方向位移装置、缓冲装置、Y方向位移装置、Z方向位移装置、电机驱动器、回收对接装置、压力传感器、锁定装置、锁定装置驱动电路、摄像头、无人机对接装置、标识、模数转换电路、处理单元和电源；处理单元通过摄像头的图像调整Y方向位移装置和Z方向位移装置，使得无人机对接装置与回收对接装置对准；通过压力传感器得到压力信号判定对接完成，处理单元控制锁定装置将无人机对接装置与回收对接装置锁紧；本发明实现降落中无人机的方位感知和测算，进而调整对接装置位置进行对准，实现准确对接并回收；本发明体积小，可实现无人机的短程自主回收，回收速度更快、对无人机结构损伤小、多台***同时工作可实现无人机集群的批量化回收。

附图说明

图1为本发明的应用于固定翼无人机快速回收***的一个实施例的示意图；

图2为本发明的应用于固定翼无人机快速回收***的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的本发明的应用于固定翼无人机快速回收***包括：X方向位移装置1、缓冲装置2、Y方向位移装置3、Z方向位移装置4、电机驱动器、回收对接装置5、压力传感器6、锁定装置7、锁定装置驱动电路、摄像头53、无人机对接装置8、标识9、模数转换电路、处理单元和电源；其中，X方向位移装置1安装在载体上；在X方向位移装置1上设置缓冲装置2；在缓冲装置2上设置Y方向位移装置3；在Y方向位移装置3上设置Z方向位移装置4；在Z方向位移装置4上设置回收对接装置5；在回收对接装置5上设置压力传感器6、锁定装置7和摄像头53；在无人机的底端安装无人机对接装置8；在无人机对接装置8上设置标识9。

X方向位移装置1包括X方向滑动导轨11、X方向滑动底座12和X方向电机；其中，X方向滑动导轨沿X方向摆放；X方向滑动底座设置在X方向滑动导轨上，X方向滑动底座连接至X方向电机，在X方向电机的驱动下，X方向滑动底座能够沿X方向滑动导轨移动。X方向电机连接至电机驱动器。

缓冲装置2包括缓冲底座21和缓冲阻尼弹簧22；其中，缓冲阻尼弹簧设置在X方向滑动底座上，在缓冲阻尼弹簧上设置缓冲底座。

Y方向位移装置3包括Y方向滑动导轨31、Y方向滑动底座32和Y方向电机；其中，Y方向滑动导轨沿Y方向摆放；Y方向滑动底座设置在Y方向滑动导轨上，Y方向滑动底座连接至Y方向电机，在Y方向电机的驱动下，Y方向滑动底座能够沿Y方向滑动导轨移动。Y方向电机连接至电机驱动器。

Z方向位移装置4包括Z方向滑动导轨和Z方向电机；其中，Z方向滑动导轨沿Z方向摆放；回收对接装置5设置在Z方向滑动导轨上，回收对接装置5连接至Z方向电机，在Z方向电机的驱动下，Z方向滑动底座能够沿Z方向滑动导轨移动。Z方向电机连接至电机驱动器。

回收对接装置5包括回收基座51和对接接口52；其中，在回收基座上设置三个对接接口，对接接口为在回收基座的YZ表面上的圆台形的凹槽，圆台形的倾斜角为5°；三个对接接口的中心点不位于同一条直线上。摄像头53安装在回收基座的设置有对接接口的表面。

在每一个对接接口52的底端设置有一个压力传感器6，分别为第一至第三压力传感器。

在每一个对接接口的侧壁上设置有一个锁定装置7；每一个锁定装置7包括电磁铁线圈72、电磁铁芯73和销钉74；在回收基座内且位于对接接口的侧壁上设置有与对接接口垂直且连通的安装孔71，在安装孔内设置有电磁铁线圈72；电磁铁线圈中设置有电磁铁芯73，在电磁铁芯的顶端设置有销钉74。第一至第三电磁铁线圈连接至锁定装置7驱动电路。

无人机对接装置包括对接基座81和对接柱82；其中，在对接基座上设置有三个对接柱，对接柱的形状与回收基座的对接接口为互补图形。在对接柱82上设置有垂直的销孔83，销孔穿透对接柱的侧壁。

如图2所示，X方向电机、Y方向电机和Z方向电机分别通过线缆连接至电机驱动器；电机驱动器通过第三数字接口连接至处理单元；第一至第三电磁铁线圈分别连接至锁定装置驱动电路；锁定装置驱动电路通过三路IO(输入输出)接口连接至处理单元；摄像头通过第一数字接口连接至处理单元；第一至第三压力传感器分别连接至模数转换电路；模数转换电路通过第二数字接口连接至处理单元。；电源分别连接至电机驱动器、压力传感器6、锁定装置7驱动电路、摄像头53、模数转换电路和处理单元，提供工作电压。

本实施例的应用于固定翼无人机快速回收***的回收控制方法，包括以下步骤：

1)设定无人机的返回路线沿着X方向，无人机通过自身的传感器测量出横滚角，从而判断是否达到降落要求，如果横滚角大于5°则不满足降落要求，无人机调整自身的姿态，直至横滚角≤5°满足降落要求，无人机沿X方向返回；

2)摄像头的拍摄方向朝向无人机的返回方向，摄像头拍摄图像，传输至处理单元，通过图像判断是否有无人机要降落；

3)当在图像中判断有无人机要降落时，处理单元通过摄像头拍摄的图像，计算无人机上的标识位置，得到标识在像素坐标系下的坐标值y和z；

4)处理单元将标识的坐标值y和z发送至处理单元，处理单元通过电机驱动器分别移动Y方向位移装置和Z方向位移装置，使得标识位于像素坐标系的中心，实现无人机对接装置与回收对接装置沿X方向对准；无人机返回时，只有平飞，横滚角小于5°，这样，由于回收对接装置的对接装置具有倾斜角的喇叭形口，能够容纳无人机在返回时沿X轴方向上的这种微小倾斜；

5)无人机对接装置对接至回收对接装置中，压力传感器采集压力信号至模数转换电路，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号后传输至处理单元；

6)处理单元接收到压力信号后判定完成对接；

7)处理单元根据压力信号计算得到无人机相对于回收对接装置的相对速度，按照回收前实验得到的测量经验值，分别控制X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置做相应移动，以缓冲撞击力；

8)处理单元发送锁定信号至锁定装置驱动电路，锁定装置驱动电路驱动锁定装置将回收对接装置和无人机对接装置锁紧，完成无人机回收。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述应用于固定翼无人机快速回收***包括：X方向位移装置、缓冲装置、Y方向位移装置、Z方向位移装置、电机驱动器、回收对接装置、压力传感器、锁定装置、锁定装置驱动电路、摄像头、无人机对接装置、标识、模数转换电路、处理单元和电源；其中，X方向位移装置安装在载体上；在X方向位移装置上设置缓冲装置；在缓冲装置上设置Y方向位移装置；在Y方向位移装置上设置Z方向位移装置；X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置均通过导线连接至电机驱动器；在Z方向位移装置上设置回收对接装置；在回收对接装置上设置压力传感器、锁定装置和摄像头；压力传感器连接至模数转换电路，锁定装置连接至锁定装置驱动电路；摄像头、模数转换电路、电机驱动器和锁定装置驱动电路分别连接至处理单元；电源分别连接至电机驱动器、压力传感器、锁定装置驱动电路、摄像头、模数转换电路和处理单元，提供工作电压；在无人机的底端安装无人机对接装置；在无人机对接装置上设置标识；设定无人机的返回路线沿着X方向，无人机沿X方向返回；摄像头的拍摄方向朝向无人机的返回方向，摄像头拍摄图像，传输至处理单元，通过图像判断是否有无人机要降落；当在图像中判断有无人机要降落时，处理单元通过摄像头拍摄的图像，计算无人机上的标识位置，得到标识在像素坐标系下的坐标值y和z；处理单元通过电机驱动器分别移动Y方向位移装置和Z方向位移装置，使得标识位于像素坐标系的中心，实现无人机对接装置与回收对接装置沿X方向对准；无人机对接装置对接至回收对接装置中，压力传感器采集压力信号至模数转换电路，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号后传输至处理单元；处理单元接收到压力信号后判定完成对接；处理单元根据压力信号计算得到无人机相对于回收对接装置的相对速度，分别控制X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置做相应移动，以缓冲撞击力；处理单元发送锁定信号至锁定装置驱动电路，锁定装置驱动电路驱动锁定装置将回收对接装置和无人机对接装置锁紧，完成无人机回收。

2.如权利要求1所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述X方向位移装置包括X方向滑动导轨、X方向滑动底座和X方向电机；其中，X方向滑动导轨沿X方向摆放；X方向滑动底座设置在X方向滑动导轨上，X方向滑动底座连接至X方向电机，在X方向电机的驱动下，X方向滑动底座能够沿X方向滑动导轨移动；X方向电机连接至电机驱动器。

3.如权利要求2所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述缓冲装置包括缓冲底座和缓冲阻尼弹簧；其中，缓冲阻尼弹簧设置在X方向滑动底座上，在缓冲阻尼弹簧上设置缓冲底座。

4.如权利要求3所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述Y方向位移装置包括Y方向滑动导轨、Y方向滑动底座和Y方向电机；其中，Y方向滑动导轨沿Y方向摆放设置在缓冲底座上；Y方向滑动底座设置在Y方向滑动导轨上，Y方向滑动底座连接至Y方向电机，在Y方向电机的驱动下，Y方向滑动底座能够沿Y方向滑动导轨移动。

5.如权利要求4所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述Z方向位移装置包括Z方向滑动导轨和Z方向电机；其中，Z方向滑动导轨沿Z方向摆放设置在Y方向滑动底座上；回收对接装置设置在Z方向滑动导轨上，回收对接装置连接至Z方向电机，在Z方向电机的驱动下，回收对接装置能够沿Z方向滑动导轨移动。

6.如权利要求1所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述回收对接装置包括回收基座和对接接口；其中，在回收基座上设置N个对接接口，对接接口为在回收基座的YZ表面上的圆台形的凹槽；N个对接接口的中心点不全部位于同一条直线上，N为≥3的自然数。

7.如权利要求6所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述对接接口的圆台形的倾斜角为30°～60°。

8.如权利要求6所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，在每一个对接接口的侧壁上设置有一个锁定装置；所述锁定装置包括电磁铁线圈、电磁铁芯和销钉；在回收基座内且位于对接接口的侧壁上设置有与对接接口垂直且连通的安装孔，在安装孔内设置有电磁铁线圈；电磁铁线圈中设置有电磁铁芯，在电磁铁芯的顶端设置有销钉；电磁铁线圈连接至锁定装置驱动电路。

9.如权利要求8所述的应用于固定翼无人机快速回收***，其特征在于，所述无人机对接装置包括对接基座和对接柱；其中，与N个对接接口相对应，在对接基座上设置有N个对接柱，对接柱的形状为圆柱形；与锁定装置的安装孔位置相对应，在对接柱上设置有垂直的销孔，销孔穿透对接柱的侧壁。

10.一种如权利要求1所述的应用于固定翼无人机快速回收***的回收控制方法，其特征在于，所述回收控制方法包括以下步骤：

1)设定无人机的返回路线沿着X方向，无人机沿X方向返回；

2)摄像头的拍摄方向朝向无人机的返回方向，摄像头拍摄图像，传输至处理单元，通过图像判断是否有无人机要降落；

3)当在图像中判断有无人机要降落时，处理单元通过摄像头拍摄的图像，计算无人机上的标识位置，得到标识在像素坐标系下的坐标值y和z；

4)处理单元将标识的坐标值y和z发送至处理单元，处理单元通过电机驱动器分别移动Y方向位移装置和Z方向位移装置，使得标识位于像素坐标系的中心，实现无人机对接装置与回收对接装置沿X方向对准；

5)无人机对接装置对接至回收对接装置中，压力传感器采集压力信号至模数转换电路，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号后传输至处理单元；

6)处理单元接收到压力信号后判定完成对接；

7)处理单元根据压力信号计算得到无人机相对于回收对接装置的相对速度，分别控制X方向位移装置、Y方向位移装置和Z方向位移装置做相应移动，以缓冲撞击力，并且速度逐渐降低，使无人机逐渐停下来，最终使得无人机的速度为零；

8)处理单元发送锁定信号至锁定装置驱动电路，锁定装置驱动电路驱动锁定装置将回收对接装置和无人机对接装置锁紧，完成无人机回收。

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