CN112034877A - 一种激光辅助无人机自主起降终端、***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助无人机自主起降终端、***及方法，涉及无人机自主起降技术领域。其中，机载终端包括机载相机、智能图像识别模块、光机模块、信标光模块、信号光模块、吊舱姿态控制模块、激光测距模块、无人机姿态控制模块、相机镜头、通信激光镜头、测距激光镜头、吊舱伺服模块。地面终端包括光机模块、信标光模块、信号光模块、地面跟踪信号处理模块、通信激光镜头、地面伺服模块。本发明采用激光主动识别和精确位置距离角度判别的方式，实现了无人机的高精度自主起降控制，可以适应复杂的工作环境，具有在电磁干扰环境下精确定位的能力。

Description

一种激光辅助无人机自主起降终端、***及方法

技术领域

本发明涉及无人机自主起降技术领域，特别是指一种激光辅助无人机自主起降终端、***及方法。

背景技术

无人引导条件下的无人机自主起降对无人机位置、姿态、飞行速度和距离的要求较高，对精确的无人机自主起降技术要求较高。激光辅助无人机自主起降技术采用激光光束引导的方式，保证无人机精准起降工作。

目前，常规的无人机引导手段都是采用被动引导工作方式，这种方式容易受到环境的干扰，使用场景受到很多限制，环境适应性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光辅助无人机自主起降终端、***及方法，其结构简单，易于实现，能够快速识别目标的位置、距离、角度等信息，探测精度高，能够有效辅助无人机的自主起降。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其装载在无人机的吊舱上，包括机载相机、智能图像识别模块、第一光机模块、第一信标光模块、第一信号光模块、吊舱姿态控制模块、激光测距模块、无人机姿态控制模块以及吊舱伺服模块，机载相机、第一光机模块、激光测距模块分别连接有相机镜头、第一通信激光镜头、测距激光镜头；

所述第一信标光模块和第一信号光模块均与第一光机模块连接，第一信标光模块发出的信标光光源、第一信号光模块发出的信号光光源、激光测距模块发出的测距激光光源三者的波长不同，且三者的波长与机载相机接收的波长范围不重合；

通过相机镜头接收的光学成像信息经过机载相机转换为图像电信号，图像电信号传入智能图像识别模块，智能图像识别模块识别图像电信号中停机坪目标的角度信息，并将该角度信息传入吊舱姿态控制模块；

第一信标光模块发出的信标光光源和第一信号光模块发出的信号光光源依次经过第一光机模块和第一通信激光镜头发射出去，同时，第一通信激光镜头接收地面终端发出的地面端信标光和地面端信号光，经过第一光机模块的地面端信标光传入第一信标光模块，经过第一光机模块的地面端信号光传入第一信号光模块；第一信标光模块识别地面端信标光的角度偏移信息，并将该角度偏移信息传入吊舱姿态控制模块，第一信号光模块解调地面端信号光的光信号，并将产生的电信号传入吊舱姿态控制模块；

激光测距模块产生的测距激光信号通过测距激光镜头发射出去，同时，测距激光镜头接收外部空间反射的测距激光信号并传入激光测距模块，激光测距模块根据接收的反射测距激光信号得到目标位置的距离信息，并将距离信息传入吊舱姿态控制模块；

吊舱姿态控制模块接收无人机姿态控制模块传入的无人机姿态航行信息，并结合智能图像识别模块传来的角度信息、第一信标光模块传来的角度偏移信息、激光测距模块传来的距离信息、第一信号光模块传来的电信号，得到机载吊舱所需调整的角度信息以及无人机所需调整的飞行速度、角度、航迹规划信息；然后，将机载吊舱所需调整的角度信息传入吊舱伺服模块，将无人机所需调整的飞行速度、角度、航迹规划信息传入无人机姿态控制模块；

吊舱伺服模块根据机载吊舱所需调整的角度信息调整吊舱角度指向，并将吊舱角度指向纠正完成信息传入吊舱姿态控制模块；然后，吊舱姿态控制模块将调整后的吊舱角度信息和无人机的飞行速度、角度、航迹规划信息进行组帧和调制，通过第一信号光模块调制到机载信号光上，再依次经过第一光机模块、第一通信激光镜头发射出去。

进一步的，所述第一信标光模块包括信标光激光器和信标光光斑位置判别模块。

进一步的，所述第一信号光模块包括信号光激光器、信号光调制模块、信号光检测器以及信号光解调模块。

进一步的，所述第一光机模块包括滤光器、反射镜和半反射镜。

进一步的，所述机载相机包括CCD模块或CMOS模块。

进一步的，所述相机镜头、第一通信激光镜头、测距激光镜头为分立的镜头或共窗口的镜头。

一种激光辅助无人机自主起降地面终端，其设置在停机坪处，包括第二光机模块、第二信标光模块、第二信号光模块、地面跟踪信号处理模块、地面伺服模块；第二光机模块连接有第二通信激光镜头，所述第二信标光模块和第二信号光模块均与第二光机模块连接；

第二信标光模块发出的信标光光源和第二信号光模块发出的信号光光源依次经过第二光机模块和第二通信激光镜头发射出去，同时，第二通信激光镜头接收机载终端发出的无人机端信标光和无人机端信号光，经过第二光机模块的无人机端信标光传入第二信标光模块，经过第二光机模块的无人机端信号光传入第二信号光模块；第二信标光模块识别无人机端信标光的角度偏移信息，并将该角度偏移信息传入地面跟踪信号处理模块，第二信号光模块解调无人机端信号光的光信号，并将产生的电信号传入地面跟踪信号处理模块；

地面跟踪信号处理模块根据第二信标光模块传来的角度偏移信息、第二信号光模块传来的电信号，得到地面终端所需调整的角度信息，并将该所需调整的角度信息传入地面伺服模块；

地面伺服模块根据地面终端所需调整的角度信息调整地面终端的角度指向，并将地面终端角度指向纠正完成信息传回地面跟踪信号处理模块；然后，地面跟踪信号处理模块将调整后的地面终端角度信息进行组帧和调制，通过第二信号光模块调制到地面信号光上，再依次经过第二光机模块、第二通信激光镜头发射出去。

一种激光辅助无人机自主降落方法，应用于无人机降落***，所述无人机降落***包括如上所述的机载终端以及地面终端，包括以下步骤：

（101）机载终端的吊舱姿态控制模块向吊舱伺服模块发出吊舱转动命令，向智能图像识别模块发出启动工作命令；吊舱伺服模块控制吊舱转动，智能图像识别模块接收机载相机采集的图像信息并识别图像信息中的停机坪角度位置信息；停机坪角度位置信息传入吊舱姿态控制模块，产生吊舱角度偏转信息；吊舱角度偏转信息传入吊舱伺服模块，吊舱伺服模块控制吊舱转动到位，保持吊舱通信激光窗口指向停机坪方向；吊舱伺服模块将吊舱角度指向纠正完成信息反馈至吊舱姿态控制模块，吊舱姿态控制模块向激光测距模块发出测距指令，激光测距模块产生测距激光光源并经测距激光镜头传入外部空间，测距激光经停机坪反射后通过外部空间经测距激光镜头传入激光测距模块，激光测距模块产生测距信号并传入吊舱姿态控制模块；

（102）吊舱姿态控制模块向第一信标光模块发出信标光发射指令，第一信标光模块产生无人机端信标光光源，经第一光机模块、第一通信激光窗口传入外部空间，并经地面终端的通信激光窗口、第二光机模块后传入第二信标光模块；第二信标光模块识别无人机端信标光的角度偏移信息并将无人机端信标光的角度偏移信息传入地面跟踪信号处理模块；地面跟踪信号处理模块根据无人机端信标光的角度偏移信息输出地面端所需调整的角度信息至地面伺服模块，地面伺服模块控制地面终端的通信激光镜头指向无人机方向，并将地面通信终端角度指向纠正完成信息传入地面跟踪信号处理模块；地面跟踪信号处理模块控制第二信标光模块产生地面端信标光，地面跟踪信号处理模块将调整后的地面终端角度信息进行组帧和调制，通过第二信号光模块调制到地面信号光上，地面端信标光、信号光依次经第二光机模块、第二通信激光镜头传入外部空间；

（103）地面端信标光、信号光依次经外部空间、第一通信激光镜头、第一光机模块后分别传入第一信标光模块和第一信号光模块，第一信标光模块识别地面端信标光的角度偏移信息，第一信号光模块解调地面端信号光的信息并产生电信号；地面端信标光角度偏移信息和地面端光信息的电信号传入吊舱姿态控制模块，吊舱姿态控制模块产生吊舱所需调整的角度信息以及无人机飞行规划信息；吊舱所需调整的角度信息传入吊舱伺服模块，控制第一通信激光镜头持续指向停机坪方向，无人机飞行规划信息传入无人机姿态控制模块，控制无人机飞至停机坪上方位置；

（104）无人机姿态控制模块控制无人机向停机坪上方位置飞行，吊舱姿态控制模块根据激光测距模块产生的无人机至停机坪的距离信息、第一信标光模块产生的地面端信标光的角度偏移信息、第一信号光模块解调产生的地面端光信息的电信号、无人机姿态控制模块产生的无人机姿态航行信息，产生吊舱角度偏转信息和无人机飞行规划信息，并向吊舱伺服模块传入吊舱角度偏转信息，向无人机姿态控制模块传入无人机飞行规划信息；吊舱伺服模块控制吊舱指向与无人机平台垂直，无人机姿态控制模块控制无人机飞至停机坪降落位置正上方，并控制无人机姿态保持水平；

（105）无人机姿态控制模块控制无人机向停机坪降落，吊舱姿态控制模块根据激光测距模块产生的无人机至停机坪的距离信息、第一信标光模块产生的地面端信标光的角度偏移信息、第一信号光模块解调产生的地面端光信息的电信号、无人机姿态控制模块产生的无人机姿态航行信息，监测无人机的飞行姿态、位置以及吊舱垂直指向情况；

（106）若吊舱姿态控制模块监测到无人机飞行姿态、位置和吊舱垂直指向情况不满足停靠停机坪要求，则向无人机姿态控制模块发出重新降落指令，无人机姿态控制模块控制无人机再次飞至停机坪正上方，重新向停机坪降落，直至无人机降落停稳在停机坪上。

一种激光辅助无人机自主起飞方法，应用于无人机起飞***，所述无人机起飞***包括如上所述的机载终端以及地面终端，包括以下步骤：

（201）机载终端的吊舱姿态控制模块向吊舱伺服模块发出吊舱转动命令，吊舱伺服模块控制吊舱转动朝向无人机正下方；吊舱姿态控制模块向第一信标光模块、第一信号光模块发出工作指令，第一信标光模块、第一信号光模块分别发出信标光、信号光光束，光束依次经第一光机模块、第一通信激光镜头后进入外部空间，并照射到地面终端，依次经地面端的第二通信激光镜头、第二光机模块后分别射入第二信标光模块、第二信号光模块；第二信标光模块、第二信号光模块分别发出信标光、信号光光束，光束依次经第二光机模块、第二通信激光镜头后进入外部空间，并照射到机载终端，从而建立通信激光链路；无人机端的第一信标光模块产生无人机飞行偏离角度信息，吊舱姿态控制模块向激光测距模块发出工作指令，激光测距模块发出测距激光光束，光束经测距激光镜头照射到停机坪，反射后经测距激光镜头射入激光测距模块，产生无人机飞行偏离距离信息；

（202）无人机飞行偏离距离信息、无人机飞行偏离角度信息和激光测距信息经吊舱姿态控制模块传入无人机姿态控制模块，无人机姿态控制模块控制无人机起飞，根据无人机飞行偏离距离信息、无人机飞行偏离角度信息和激光测距信息规划无人机飞行轨迹，无人机端的信标光、信号光光束与地面端的信标光、信号光光束保持跟踪对准状态；

（203）当无人机保持在稳定飞行的高度和位置时，无人机姿态控制模块发出巡航飞行命令，命令信息经吊舱姿态控制模块传入第一信号光模块，转换成光信号后依次经第一光机模块、第一通信激光镜头后进入外部空间，并照射到地面终端，再依次经地面端的第二通信激光镜头、第二光机模块射入第二信号光模块，转换成电信号后经地面跟踪信号处理模块传入地面伺服模块；无人机端的吊舱姿态控制模块控制机载终端回到其初始角度位置，地面端的地面伺服模块控制地面终端回到其初始角度位置，无人机保持巡航飞行。

一种激光辅助无人机自主起降***，其包括如上所述的机载终端和地面终端，并按照上述的起飞、降落方法辅助无人机进行自主起降。

本发明相对于现有技术所取得的有益效果在于：

1、本发明可以满足无人操控的无人机自主起降，其通过智能图像识别模块和激光光束引导功能快速识别目标的位置、距离、角度等信息，激光光束引导功能的结构原理简单，实现难度低，探测精度高，具有双工通信功能，无需额外的智能辅助模块。

2、本发明通过无人机吊舱搭载激光测距功能模块、信标光模块和信号光模块，依靠激光光束引导实现精确角度、距离定位和信息传输，具备应对复杂工作环境和电磁干扰工作场景的能力。

附图说明

图1为本发明实施例中激光辅助无人机自主起降***的原理示意图。

图2为本发明实施例中无人机降落过程的示意图。

图3为本发明实施例中无人机起飞过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种激光辅助无人机自主起降***，其包括机载终端1000和地面终端2000两部分。其中：

机载终端1000装载在无人机的吊舱上，包括机载相机1001、智能图像识别模块1002、第一光机模块1003、第一信标光模块1004、第一信号光模块1005、吊舱姿态控制模块1006、激光测距模块1007、无人机姿态控制模块1008以及吊舱伺服模块1012，机载相机1001、第一光机模块1003、激光测距模块1007分别连接有相机镜头1009、第一通信激光镜头1010、测距激光镜头1011。

地面终端2000设置在停机坪处，包括第二光机模块2001、第二信标光模块2002、第二信号光模块2003、地面跟踪信号处理模块2004、地面伺服模块2006；第二光机模块2001连接有第二通信激光镜头2005，所述第二信标光模块2002和第二信号光模块2003均与第二光机模块2001连接。

机载终端中，第一信标光模块和第一信号光模块均与第一光机模块连接，第一信标光模块发出的信标光光源、第一信号光模块发出的信号光光源、激光测距模块发出的测距激光光源三者的波长不同，且三者的波长与机载相机接收的波长范围不重合；

通过相机镜头接收的光学成像信息经过机载相机转换为图像电信号，图像电信号传入智能图像识别模块，智能图像识别模块识别图像电信号中停机坪目标的角度信息，并将该角度信息传入吊舱姿态控制模块；

第一信标光模块发出的信标光光源和第一信号光模块发出的信号光光源依次经过第一光机模块和第一通信激光镜头发射出去，同时，第一通信激光镜头接收地面终端发出的地面端信标光和地面端信号光，经过第一光机模块的地面端信标光传入第一信标光模块，经过第一光机模块的地面端信号光传入第一信号光模块；第一信标光模块识别地面端信标光的角度偏移信息，并将该角度偏移信息传入吊舱姿态控制模块，第一信号光模块解调地面端信号光的光信号，并将产生的电信号传入吊舱姿态控制模块；

激光测距模块产生的测距激光信号通过测距激光镜头发射出去，同时，测距激光镜头接收外部空间反射的测距激光信号并传入激光测距模块，激光测距模块根据接收的反射测距激光信号得到目标位置的距离信息，并将距离信息传入吊舱姿态控制模块；

吊舱姿态控制模块接收无人机姿态控制模块传入的无人机姿态航行信息，并结合智能图像识别模块传来的角度信息、第一信标光模块传来的角度偏移信息、激光测距模块传来的距离信息、第一信号光模块传来的电信号，得到机载吊舱所需调整的角度信息以及无人机所需调整的飞行速度、角度、航迹规划信息；然后，将机载吊舱所需调整的角度信息传入吊舱伺服模块，将无人机所需调整的飞行速度、角度、航迹规划信息传入无人机姿态控制模块；

吊舱伺服模块根据机载吊舱所需调整的角度信息调整吊舱角度指向，并将吊舱角度指向纠正完成信息传入吊舱姿态控制模块；然后，吊舱姿态控制模块将调整后的吊舱角度信息和无人机的飞行速度、角度、航迹规划信息进行组帧和调制，通过第一信号光模块调制到机载信号光上，再依次经过第一光机模块、第一通信激光镜头发射出去。

地面终端中，第二信标光模块发出的信标光光源和第二信号光模块发出的信号光光源依次经过第二光机模块和第二通信激光镜头发射出去，同时，第二通信激光镜头接收机载终端发出的无人机端信标光和无人机端信号光，经过第二光机模块的无人机端信标光传入第二信标光模块，经过第二光机模块的无人机端信号光传入第二信号光模块；第二信标光模块识别无人机端信标光的角度偏移信息，并将该角度偏移信息传入地面跟踪信号处理模块，第二信号光模块解调无人机端信号光的光信号，并将产生的电信号传入地面跟踪信号处理模块；

地面跟踪信号处理模块根据第二信标光模块传来的角度偏移信息、第二信号光模块传来的电信号，得到地面终端所需调整的角度信息，并将该所需调整的角度信息传入地面伺服模块；

地面伺服模块根据地面终端所需调整的角度信息调整地面终端的角度指向，并将地面终端角度指向纠正完成信息传回地面跟踪信号处理模块；然后，地面跟踪信号处理模块将调整后的地面终端角度信息进行组帧和调制，通过第二信号光模块调制到地面信号光上，再依次经过第二光机模块、第二通信激光镜头发射出去。

具体的，信标光模块包括信标光激光器和信标光光斑位置判别模块。第一信号光模块包括信号光激光器、信号光调制模块、信号光检测器以及信号光解调模块。光机模块包括滤光器、反射镜和半反射镜。机载相机包括CCD模块或CMOS模块。相机镜头、第一通信激光镜头、测距激光镜头为分立的镜头或共窗口的镜头。

一种激光辅助无人机自主降落方法，包括以下步骤：

（101）机载终端的吊舱姿态控制模块向吊舱伺服模块发出吊舱转动命令，向智能图像识别模块发出启动工作命令；吊舱伺服模块控制吊舱转动，智能图像识别模块接收机载相机采集的图像信息并识别图像信息中的停机坪角度位置信息；停机坪角度位置信息传入吊舱姿态控制模块，产生吊舱角度偏转信息；吊舱角度偏转信息传入吊舱伺服模块，吊舱伺服模块控制吊舱转动到位，保持吊舱通信激光窗口指向停机坪方向；吊舱伺服模块将吊舱角度指向纠正完成信息反馈至吊舱姿态控制模块，吊舱姿态控制模块向激光测距模块发出测距指令，激光测距模块产生测距激光光源并经测距激光镜头传入外部空间，测距激光经停机坪反射后通过外部空间经测距激光镜头传入激光测距模块，激光测距模块产生测距信号并传入吊舱姿态控制模块；

（102）吊舱姿态控制模块向第一信标光模块发出信标光发射指令，第一信标光模块产生无人机端信标光光源，经第一光机模块、第一通信激光窗口传入外部空间，并经地面终端的通信激光窗口、第二光机模块后传入第二信标光模块；第二信标光模块识别无人机端信标光的角度偏移信息并将无人机端信标光的角度偏移信息传入地面跟踪信号处理模块；地面跟踪信号处理模块根据无人机端信标光的角度偏移信息输出地面端所需调整的角度信息至地面伺服模块，地面伺服模块控制地面终端的通信激光镜头指向无人机方向，并将地面通信终端角度指向纠正完成信息传入地面跟踪信号处理模块；地面跟踪信号处理模块控制第二信标光模块产生地面端信标光，地面跟踪信号处理模块将调整后的地面终端角度信息进行组帧和调制，通过第二信号光模块调制到地面信号光上，地面端信标光、信号光依次经第二光机模块、第二通信激光镜头传入外部空间；

（103）地面端信标光、信号光依次经外部空间、第一通信激光镜头、第一光机模块后分别传入第一信标光模块和第一信号光模块，第一信标光模块识别地面端信标光的角度偏移信息，第一信号光模块解调地面端信号光的信息并产生电信号；地面端信标光角度偏移信息和地面端光信息的电信号传入吊舱姿态控制模块，吊舱姿态控制模块产生吊舱所需调整的角度信息以及无人机飞行规划信息；吊舱所需调整的角度信息传入吊舱伺服模块，控制第一通信激光镜头持续指向停机坪方向，无人机飞行规划信息传入无人机姿态控制模块，控制无人机飞至停机坪上方位置；

（104）无人机姿态控制模块控制无人机向停机坪上方位置飞行，吊舱姿态控制模块根据激光测距模块产生的无人机至停机坪的距离信息、第一信标光模块产生的地面端信标光的角度偏移信息、第一信号光模块解调产生的地面端光信息的电信号、无人机姿态控制模块产生的无人机姿态航行信息，产生吊舱角度偏转信息和无人机飞行规划信息，并向吊舱伺服模块传入吊舱角度偏转信息，向无人机姿态控制模块传入无人机飞行规划信息；吊舱伺服模块控制吊舱指向与无人机平台垂直，无人机姿态控制模块控制无人机飞至停机坪降落位置正上方，并控制无人机姿态保持水平；

（105）无人机姿态控制模块控制无人机向停机坪降落，吊舱姿态控制模块根据激光测距模块产生的无人机至停机坪的距离信息、第一信标光模块产生的地面端信标光的角度偏移信息、第一信号光模块解调产生的地面端光信息的电信号、无人机姿态控制模块产生的无人机姿态航行信息，监测无人机的飞行姿态、位置以及吊舱垂直指向情况；

（106）若吊舱姿态控制模块监测到无人机飞行姿态、位置和吊舱垂直指向情况不满足停靠停机坪要求，则向无人机姿态控制模块发出重新降落指令，无人机姿态控制模块控制无人机再次飞至停机坪正上方，重新向停机坪降落，直至无人机降落停稳在停机坪上。

一种激光辅助无人机自主起飞方法，包括以下步骤：

（201）机载终端的吊舱姿态控制模块向吊舱伺服模块发出吊舱转动命令，吊舱伺服模块控制吊舱转动朝向无人机正下方；吊舱姿态控制模块向第一信标光模块、第一信号光模块发出工作指令，第一信标光模块、第一信号光模块分别发出信标光、信号光光束，光束依次经第一光机模块、第一通信激光镜头后进入外部空间，并照射到地面终端，依次经地面端的第二通信激光镜头、第二光机模块后分别射入第二信标光模块、第二信号光模块；第二信标光模块、第二信号光模块分别发出信标光、信号光光束，光束依次经第二光机模块、第二通信激光镜头后进入外部空间，并照射到机载终端，从而建立通信激光链路；无人机端的第一信标光模块产生无人机飞行偏离角度信息，吊舱姿态控制模块向激光测距模块发出工作指令，激光测距模块发出测距激光光束，光束经测距激光镜头照射到停机坪，反射后经测距激光镜头射入激光测距模块，产生无人机飞行偏离距离信息；

（202）无人机飞行偏离距离信息、无人机飞行偏离角度信息和激光测距信息经吊舱姿态控制模块传入无人机姿态控制模块，无人机姿态控制模块控制无人机起飞，根据无人机飞行偏离距离信息、无人机飞行偏离角度信息和激光测距信息规划无人机飞行轨迹，无人机端的信标光、信号光光束与地面端的信标光、信号光光束保持跟踪对准状态；

（203）当无人机保持在稳定飞行的高度和位置时，无人机姿态控制模块发出巡航飞行命令，命令信息经吊舱姿态控制模块传入第一信号光模块，转换成光信号后依次经第一光机模块、第一通信激光镜头后进入外部空间，并照射到地面终端，再依次经地面端的第二通信激光镜头、第二光机模块射入第二信号光模块，转换成电信号后经地面跟踪信号处理模块传入地面伺服模块；无人机端的吊舱姿态控制模块控制机载终端回到其初始角度位置，地面端的地面伺服模块控制地面终端回到其初始角度位置，无人机保持巡航飞行。

图2所示为无人机靠近停机坪、无人机悬停至停机坪上方、无人机垂直降落的过程。该过程的具体步骤如下：

（101）无人机3向机载终端1000发出降落指令，机载终端开启相机模块，搜索停机坪4目标，并通过智能图像识别模块识别停机坪方向位置，通过激光测距模块测量距离，通过信标光模块和信号光模块与停机坪上的地面终端2000建立通信连接。建立激光通信后，机载终端根据信标光模块的角度信息、激光测距模块的距离信息和信号光模块解调得到的信息规划无人机飞行路线，并保持机载终端的激光光束5持续指向地面终端方向，至停机坪上空附近，地面终端的激光光束5也持续指向空中无人机。

（102）无人机在停机坪上空悬停，并根据信标光模块得到的角度信息、无人机自身姿态速度信息和信号光解调信息，无人机调整至停机坪正上方位置，并保持无人机飞行姿态水平，机载终端激光光束垂直指向地面停机坪方向。

（103）无人机根据信标光模块得到的角度信息、无人机自身姿态速度信息、信号光解调信息持续保持无人机和机载终端姿态和方向，根据激光测距模块提供的距离信息规划飞行轨迹和降落速度，当无人机接近停机坪时，降低降落速度，至降落到停机坪时降落速度降至0。降落后，若机载终端检测发现无人机未停至指定位置，则无人机重新起飞，重复上述降落过程。

图3所示为无人机起飞过程以及无人飞行过程。该过程的具体步骤如下：

（201）无人机3向机载终端1000发出起飞指令，机载终端启动，无人机根据信标光模块得到的角度信息、无人机自身姿态速度信息、信号光解调信息持续保持无人机和搭载终端姿态和方向，无人机飞至停机坪4上空。

（202）机载终端和地面终端回归初始位置，无人机按照规划或操控进行飞行。

总之，本发明采用激光主动识别和精确位置距离角度判别的方式，实现了无人机的高精度自主起降控制，可以适应复杂的工作环境，具有在电磁干扰环境下精确定位的能力。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其特征在于，装载在无人机的吊舱上，包括机载相机、智能图像识别模块、第一光机模块、第一信标光模块、第一信号光模块、吊舱姿态控制模块、激光测距模块、无人机姿态控制模块以及吊舱伺服模块，机载相机、第一光机模块、激光测距模块分别连接有相机镜头、第一通信激光镜头、测距激光镜头；

所述第一信标光模块和第一信号光模块均与第一光机模块连接，第一信标光模块发出的信标光光源、第一信号光模块发出的信号光光源、激光测距模块发出的测距激光光源三者的波长不同，且三者的波长与机载相机接收的波长范围不重合；

通过相机镜头接收的光学成像信息经过机载相机转换为图像电信号，图像电信号传入智能图像识别模块，智能图像识别模块识别图像电信号中停机坪目标的角度信息，并将该角度信息传入吊舱姿态控制模块；

第一信标光模块发出的信标光光源和第一信号光模块发出的信号光光源依次经过第一光机模块和第一通信激光镜头发射出去，同时，第一通信激光镜头接收地面终端发出的地面端信标光和地面端信号光，经过第一光机模块的地面端信标光传入第一信标光模块，经过第一光机模块的地面端信号光传入第一信号光模块；第一信标光模块识别地面端信标光的角度偏移信息，并将该角度偏移信息传入吊舱姿态控制模块，第一信号光模块解调地面端信号光的光信号，并将产生的电信号传入吊舱姿态控制模块；

激光测距模块产生的测距激光信号通过测距激光镜头发射出去，同时，测距激光镜头接收外部空间反射的测距激光信号并传入激光测距模块，激光测距模块根据接收的反射测距激光信号得到目标位置的距离信息，并将距离信息传入吊舱姿态控制模块；

吊舱姿态控制模块接收无人机姿态控制模块传入的无人机姿态航行信息，并结合智能图像识别模块传来的角度信息、第一信标光模块传来的角度偏移信息、激光测距模块传来的距离信息、第一信号光模块传来的电信号，得到机载吊舱所需调整的角度信息以及无人机所需调整的飞行速度、角度、航迹规划信息；然后，将机载吊舱所需调整的角度信息传入吊舱伺服模块，将无人机所需调整的飞行速度、角度、航迹规划信息传入无人机姿态控制模块；

吊舱伺服模块根据机载吊舱所需调整的角度信息调整吊舱角度指向，并将吊舱角度指向纠正完成信息传入吊舱姿态控制模块；然后，吊舱姿态控制模块将调整后的吊舱角度信息和无人机的飞行速度、角度、航迹规划信息进行组帧和调制，通过第一信号光模块调制到机载信号光上，再依次经过第一光机模块、第一通信激光镜头发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其特征在于，所述第一信标光模块包括信标光激光器和信标光光斑位置判别模块。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其特征在于，所述第一信号光模块包括信号光激光器、信号光调制模块、信号光检测器以及信号光解调模块。

4.根据权利要求1所述的一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其特征在于，所述第一光机模块包括滤光器、反射镜和半反射镜。

5.根据权利要求1所述的一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其特征在于，所述机载相机包括CCD模块或CMOS模块。

6.根据权利要求1所述的一种激光辅助无人机自主起降机载终端，其特征在于，所述相机镜头、第一通信激光镜头、测距激光镜头为分立的镜头或共窗口的镜头。

7.一种激光辅助无人机自主起降地面终端，其特征在于，设置于停机坪处，包括第二光机模块、第二信标光模块、第二信号光模块、地面跟踪信号处理模块、地面伺服模块；第二光机模块连接有第二通信激光镜头，所述第二信标光模块和第二信号光模块均与第二光机模块连接；

第二信标光模块发出的信标光光源和第二信号光模块发出的信号光光源依次经过第二光机模块和第二通信激光镜头发射出去，同时，第二通信激光镜头接收机载终端发出的无人机端信标光和无人机端信号光，经过第二光机模块的无人机端信标光传入第二信标光模块，经过第二光机模块的无人机端信号光传入第二信号光模块；第二信标光模块识别无人机端信标光的角度偏移信息，并将该角度偏移信息传入地面跟踪信号处理模块，第二信号光模块解调无人机端信号光的光信号，并将产生的电信号传入地面跟踪信号处理模块；

地面跟踪信号处理模块根据第二信标光模块传来的角度偏移信息、第二信号光模块传来的电信号，得到地面终端所需调整的角度信息，并将该所需调整的角度信息传入地面伺服模块；

地面伺服模块根据地面终端所需调整的角度信息调整地面终端的角度指向，并将地面终端角度指向纠正完成信息传回地面跟踪信号处理模块；然后，地面跟踪信号处理模块将调整后的地面终端角度信息进行组帧和调制，通过第二信号光模块调制到地面信号光上，再依次经过第二光机模块、第二通信激光镜头发射出去。

8.一种激光辅助无人机自主降落方法，其特征在于，应用于无人机降落***，所述无人机降落***包括如权利要求1所述的机载终端以及如权利要求7所述的地面终端，包括以下步骤：

（101）机载终端的吊舱姿态控制模块向吊舱伺服模块发出吊舱转动命令，向智能图像识别模块发出启动工作命令；吊舱伺服模块控制吊舱转动，智能图像识别模块接收机载相机采集的图像信息并识别图像信息中的停机坪角度位置信息；停机坪角度位置信息传入吊舱姿态控制模块，产生吊舱角度偏转信息；吊舱角度偏转信息传入吊舱伺服模块，吊舱伺服模块控制吊舱转动到位，保持吊舱通信激光窗口指向停机坪方向；吊舱伺服模块将吊舱角度指向纠正完成信息反馈至吊舱姿态控制模块，吊舱姿态控制模块向激光测距模块发出测距指令，激光测距模块产生测距激光光源并经测距激光镜头传入外部空间，测距激光经停机坪反射后通过外部空间经测距激光镜头传入激光测距模块，激光测距模块产生测距信号并传入吊舱姿态控制模块；

（102）吊舱姿态控制模块向第一信标光模块发出信标光发射指令，第一信标光模块产生无人机端信标光光源，经第一光机模块、第一通信激光窗口传入外部空间，并经地面终端的通信激光窗口、第二光机模块后传入第二信标光模块；第二信标光模块识别无人机端信标光的角度偏移信息并将无人机端信标光的角度偏移信息传入地面跟踪信号处理模块；地面跟踪信号处理模块根据无人机端信标光的角度偏移信息输出地面端所需调整的角度信息至地面伺服模块，地面伺服模块控制地面终端的通信激光镜头指向无人机方向，并将地面通信终端角度指向纠正完成信息传入地面跟踪信号处理模块；地面跟踪信号处理模块控制第二信标光模块产生地面端信标光，地面跟踪信号处理模块将调整后的地面终端角度信息进行组帧和调制，通过第二信号光模块调制到地面信号光上，地面端信标光、信号光依次经第二光机模块、第二通信激光镜头传入外部空间；

（103）地面端信标光、信号光依次经外部空间、第一通信激光镜头、第一光机模块后分别传入第一信标光模块和第一信号光模块，第一信标光模块识别地面端信标光的角度偏移信息，第一信号光模块解调地面端信号光的信息并产生电信号；地面端信标光角度偏移信息和地面端光信息的电信号传入吊舱姿态控制模块，吊舱姿态控制模块产生吊舱所需调整的角度信息以及无人机飞行规划信息；吊舱所需调整的角度信息传入吊舱伺服模块，控制第一通信激光镜头持续指向停机坪方向，无人机飞行规划信息传入无人机姿态控制模块，控制无人机飞至停机坪上方位置；

（104）无人机姿态控制模块控制无人机向停机坪上方位置飞行，吊舱姿态控制模块根据激光测距模块产生的无人机至停机坪的距离信息、第一信标光模块产生的地面端信标光的角度偏移信息、第一信号光模块解调产生的地面端光信息的电信号、无人机姿态控制模块产生的无人机姿态航行信息，产生吊舱角度偏转信息和无人机飞行规划信息，并向吊舱伺服模块传入吊舱角度偏转信息，向无人机姿态控制模块传入无人机飞行规划信息；吊舱伺服模块控制吊舱指向与无人机平台垂直，无人机姿态控制模块控制无人机飞至停机坪降落位置正上方，并控制无人机姿态保持水平；

（105）无人机姿态控制模块控制无人机向停机坪降落，吊舱姿态控制模块根据激光测距模块产生的无人机至停机坪的距离信息、第一信标光模块产生的地面端信标光的角度偏移信息、第一信号光模块解调产生的地面端光信息的电信号、无人机姿态控制模块产生的无人机姿态航行信息，监测无人机的飞行姿态、位置以及吊舱垂直指向情况；

（106）若吊舱姿态控制模块监测到无人机飞行姿态、位置和吊舱垂直指向情况不满足停靠停机坪要求，则向无人机姿态控制模块发出重新降落指令，无人机姿态控制模块控制无人机再次飞至停机坪正上方，重新向停机坪降落，直至无人机降落停稳在停机坪上。

9.一种激光辅助无人机自主起飞方法，其特征在于，应用于无人机起飞***，所述无人机起飞***包括如权利要求1所述的机载终端以及如权利要求7所述的地面终端，包括以下步骤：

（201）机载终端的吊舱姿态控制模块向吊舱伺服模块发出吊舱转动命令，吊舱伺服模块控制吊舱转动朝向无人机正下方；吊舱姿态控制模块向第一信标光模块、第一信号光模块发出工作指令，第一信标光模块、第一信号光模块分别发出信标光、信号光光束，光束依次经第一光机模块、第一通信激光镜头后进入外部空间，并照射到地面终端，依次经地面端的第二通信激光镜头、第二光机模块后分别射入第二信标光模块、第二信号光模块；第二信标光模块、第二信号光模块分别发出信标光、信号光光束，光束依次经第二光机模块、第二通信激光镜头后进入外部空间，并照射到机载终端，从而建立通信激光链路；无人机端的第一信标光模块产生无人机飞行偏离角度信息，吊舱姿态控制模块向激光测距模块发出工作指令，激光测距模块发出测距激光光束，光束经测距激光镜头照射到停机坪，反射后经测距激光镜头射入激光测距模块，产生无人机飞行偏离距离信息；

（202）无人机飞行偏离距离信息、无人机飞行偏离角度信息和激光测距信息经吊舱姿态控制模块传入无人机姿态控制模块，无人机姿态控制模块控制无人机起飞，根据无人机飞行偏离距离信息、无人机飞行偏离角度信息和激光测距信息规划无人机飞行轨迹，无人机端的信标光、信号光光束与地面端的信标光、信号光光束保持跟踪对准状态；

（203）当无人机保持在稳定飞行的高度和位置时，无人机姿态控制模块发出巡航飞行命令，命令信息经吊舱姿态控制模块传入第一信号光模块，转换成光信号后依次经第一光机模块、第一通信激光镜头后进入外部空间，并照射到地面终端，再依次经地面端的第二通信激光镜头、第二光机模块射入第二信号光模块，转换成电信号后经地面跟踪信号处理模块传入地面伺服模块；无人机端的吊舱姿态控制模块控制机载终端回到其初始角度位置，地面端的地面伺服模块控制地面终端回到其初始角度位置，无人机保持巡航飞行。

10.一种激光辅助无人机自主起降***，其特征在于，包括如权利要求1所述的机载终端以及如权利要求7所述的地面终端，并按照如权利要求8和9的降落、起飞方法辅助无人机进行自主起降。

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