CN112650302A - 固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种固定翼无人机与旋翼无人机的自主协同运输***及方法，包括固定翼无人机、旋翼无人机和地面站，固定翼无人机与旋翼无人机通过通信模块与地面站链接；固定翼无人机用于长距离货物运输，用于在空中与旋翼无人机协同转接货物；旋翼无人机用于将货物从地面转运至空中并转接给固定翼无人机或者将固定翼无人机运载的货物转运到地面；地面站与固定翼无人机和旋翼无人机通信，负责为固定翼无人机和旋翼无人机提供航线规划、协同控制和信息监控功能。本发明的固定翼无人机达到指定空域后，由地面站控制旋翼无人机升空对接，在双机协同稳定飞行过程中完成货物转接操作，能够实现复杂地形情况下货物的快速转运工作。
Description
技术领域
本发明涉及无人机自主与协同控制的技术领域，尤其涉及一种固定翼无人机与旋翼无人机的自主协同运输***及方法。
背景技术
随着我国低空空域的开放，国内无人机产业进入了高速发展的时期。多旋翼无人机具有体积小、垂直起降、空中悬停、全方向飞行等优点，而且其位置的切换和固定简单易行，可搭载一定重量的物品，具有成本低廉、操作简单和运行安全等特点，适合在低空执行运输、监控、侦查等任务，因而被广泛应用于军事、民用和科学研究等多个领域。
固定翼无人机常用于运输和高空侦查，具有航速快，航程长，带载荷能力强，飞行稳定等优点，依靠副翼和升降舵控制方向，控制方法比较简单。它在军用运输，军用侦查，民航领域应用广泛，关联的技术涉及空气动力学、控制科学、机械设计、计算机与通信等多个学科领域。
多旋翼无人机和固定翼无人机两者的发展前景广阔，但都存在难以克服的缺点。多旋翼无人机续航能力有限，不能长时间飞行，升力完全由动力抵消，运输效率低。固定翼无人机起飞距离长，翼展较宽，起飞条件苛刻。目前，针对城市内快速转运技术，均局限于地面运输为主的方式，存在一种采取旋翼无人机与智能车的协同运输方式，旋翼无人机主要作为无人车的辅助工具，负责快递最后的派送阶段，但是其应用范围狭窄，无人车的行驶受城市交通影响，安全隐患高，效率不高。
发明内容
针对现有无人机与其他工具结合进行货物转运的方案，无法解决城市等复杂环境下的货物快速转运的问题，本发明提出了一种固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***及方法。本发明实现了固定翼无人机和旋翼无人机自主协同运输，可以将无人机远程投送更加广泛的应用于城市内物品快速转运、军事战略物资投送以及其他需要物品转运的情况。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，包括：
旋翼无人机，与地面站以及固定翼无人机通信，将其自身位置和速度信息实时发送到地面站，其飞行航线和工作状态受地面站控制；负责装载地面上需要转运的货物，在地面站的控制下将货物从地面转运至空中，识别并接近固定翼无人机，将货物转移至固定翼无人机后返回地面，或/和在地面站的控制下，在空中识别并接近固定翼无人机，将货物从固定翼无人机转移至旋翼无人机，由旋翼无人机将货物转运至地面；
固定翼无人机，与地面站以及旋翼无人机进行通信，将其自身位置和速度信息实时发送到地面站，其飞行航线和工作状态受地面站控制；在地面站的控制下，在空中接收旋翼无人机送上来的货物并将其转运至指定地点，或/和在地面站的控制下，在空中将从指定地点转运来的货物转接给旋翼无人机；
地面站，用于接收固定翼无人机和旋翼无人机传回的信息，并对固定翼无人机和旋翼无人机进行路径规划和飞行控制，控制旋翼无人机起飞并接近固定翼无人机，在固定翼无人机与旋翼无人机协同稳定飞行时完成货物转接。
作为本发明的进一步限定，所述旋翼无人机包括飞行控制模块、图像采集模块、机载计算机、机载GPS模块、机载通信模块和载货模块。图像采集模块与机载计算机相连接，机载GPS模块与飞行控制模块相连接，飞行控制模块、机载通信模块和载货模块均与机载计算机相连接，机载计算机通过通信模块与地面站通讯相连；
所述的飞行控制模块，用于控制无人机的按照机载计算机的指令飞行，同时将无人机的飞行信息发送至机载计算机；
所述的图像采集模块为带云台的便携式摄像头，摄像头安装在旋翼无人机的底部，用于采集指定方向上的图像并发送至机载计算机；
所述的机载计算机，用于控制图像采集模块、飞行控制模块和载货模块的工作，用于接收飞行控制模块回传的信息和图像采集模块采集的图像信息并进行分析处理，用于向飞行控制模块下达飞行指令，用于控制旋翼无人机与固定翼无人机的协同稳定飞行，用于根据指令控制载货模块进行相应操作，用于将接收到的GPS信息、图像信息、载货模块信息通过机载通信模块发送至地面站；
所述的机载GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并发送至飞行控制模块；
所述的机载通信模块，用于与地面站进行通信；
所述的载货模块，用于装载需要转运的货物，并根据指令将货物与旋翼无人机脱离或者将货物与旋翼无人机衔接。
作为本发明的进一步限定，所述的固定翼无人机包括飞行控制模块、机载嵌入式模块，机载GPS模块、机载通信模块、载货模块，飞行控制模块与机载GPS模块相连，飞行控制模块、机载通信模块、载货模块与机载计算机相连，机载计算机通过机载通信模块与地面站通讯相连；
所述的飞行控制模块，用于控制固定翼无人机的按照机载计算机的指令飞行，同时将无人机的飞行姿态信息和机载GPS模块的信息发送给机载计算机；
所述的机载嵌入式模块，用于解析来自地面站的指令并控制无人机的飞行控制模块和载货模块的正常工作，用于接收飞行控制模块和载货模块的信息并转发送给地面站；
所述的机载GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并发送至飞行控制模块；
所述的机载通信模块，用于与地面站进行通信；
所述的载货模块，用于装载来自旋翼无人机投送的货物或需要转接给旋翼无人机的货物。
作为本发明的进一步限定，所述的地面站包括PC端，PC端上设有协同控制模块、路径规划模块、通信模块和监管模块；通信模块与固定翼无人机和旋翼无人机的机载通信模块相连；
所述的协同控制模块，包括对固定翼无人机和旋翼无人机的协同控制模块，用于控制固定翼无人机的飞行的航线和速度，用于控制旋翼无人机的起飞时机、飞行路线和飞行速度，用于控制旋翼无人机的载货模块脱离货物的时机，用于控制固定翼无人机接收货物的时机，用于控制无人机完成货物交接后的返航路线；
所述的路径规划模块，用于规划固定翼无人机完成货物转运过程的飞行路线，用于协同规划旋翼无人机对接固定翼无人机的飞行路线；
所述通信模块，用于实现固定翼无人机和旋翼无人机与地面站的通信，接收固定翼无人机与旋翼无人机的飞行状态并将地面站控制指令和规划的航线信息发送至固定翼无人机和旋翼无人机；
所述的监管模块，包括三个部分，分别是固定翼无人机状态信息接收与监测模块，旋翼无人机状态信息接收与监测模块，对固定翼无人机和旋翼无人机的航迹规划与控制以及人机交互模块。
作为本发明的进一步限定，所述的旋翼无人机的机载计算机通过Nvidia JetsonTX2实现。作为本发明的进一步限定，所述的固定翼无人机的机载嵌入式模块通过STM32实现。
作为本发明的进一步限定，所述的旋翼无人机和固定翼无人机的机载通信模块为无线4G通信模块。无线4G通信模块与Nvidia Jetson TX2或者STM32相连，实现数据的收发。无线4G通信模块通过云服务器的转发，实现旋翼无人机、固定翼无人机与地面站的组网，且必要情况下可以实现固定翼无人机与旋翼无人机的直连。地面站通过无线4G通信模块接收固定翼无人机和旋翼无人机的状态信息，并且将飞行航线和控制指令发送至固定翼无人机和旋翼无人机。
本发明提供一种固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，包括以下步骤：
步骤1：启动地面站、旋翼无人机、固定翼无人机；
步骤2：判断当前任务类型，任务类型包括从地面向空中转运货物以及从空中向地面转运货物；
步骤3，如果当前任务是从地面向空中转运货物，则为旋翼无人机装载货物，并向地面站发出转运需求；控制固定翼无人机进入指定转运航线飞行，等待地面站指令；地面站接到旋翼无人机的转运需求，搜索附近航线符合当前货物转运目的地的固定翼无人机，发送指令引导其前来接收货物；
如果当前任务是从空中向地面转运货物，则保持旋翼无人机为空载状态，等待地面站的控制指令；固定翼无人机即将进入需要转运货物的空域，向地面站发出请求转运请求；地面站接收固定翼无人机的请求，启动旋翼无人机准备升空对接；
步骤4：地面站的路径规划模块为固定翼无人机规划转接货物过程的飞行轨迹，并上传至固定翼无人机，待固定翼飞至合适位置并进入转接货物准备状态后，地面站的协同控制模块向旋翼无人机发送起飞指令，并控制旋翼无人机接近并识别目标固定翼无人机；
步骤5：旋翼无人机识别目标固定翼无人机并接近目标固定翼无人机，在旋翼无人机其机载计算机中的协同稳定模块的控制下移动至相对固定翼无人机可以实现货物转接的位置，然后与固定翼无人机协同飞行一段距离，协同飞行期间旋翼无人机和固定翼无人机保证相对静止，在协同飞行时载货模块完成货物的协同转接操作；
步骤6：地面站确认货物转接操作完成，为固定翼无人机规划返航路线，为旋翼无人机规划返航路线，然后分别上传固定翼无人机与旋翼无人机。
步骤7：控制固定翼无人机返回原航线继续飞行；控制旋翼无人机返航落地，等待继续装载货物，或卸载转运下来的货物，准备下一次转运任务。
作为本发明的进一步限定，所述步骤4中地面站的路径规划模块的路径规划方案，是基于对转运活动发生地周围的三维立体环境的分析决定的，其主要做法为：引导固定翼无人机脱离原航线飞向转接货物空域，在三位立体环境中找到一条具有安全高度的足够长度的直线航线，作为固定翼无人机与旋翼无人机转接货物的航线。
作为本发明的进一步限定，所述步骤4中地面站的协同控制模块针对的对象主要为旋翼无人机，其控制方案为：对旋翼无人机的各项性能进行评估，计算旋翼无人机在载货情况下能够达到的最大飞行速度，并实时监测固定翼无人机的位置和速度，通过设计旋翼无人机的起飞时间和飞行轨迹，使固定翼无人机能够在进入步骤4中路径规划模块规划的直线航线前被旋翼无人机的图像采集模块捕获，捕获时应保证旋翼无人机在固定翼无人机的上方。
作为本发明的进一步限定，所述步骤5中协同稳定模块的协同控制，是一种基于视觉的图像识别的伺服控制方法，其方案为：旋翼无人机的图像采集模块采集指定方向的图像信息，将图像信息传送至旋翼无人机的机载计算机，由旋翼无人机的机载计算机进行处理；旋翼无人机的机载计算机的处理分为两部分，第一部分为识别并接近目标固定翼无人机，目标固定翼无人机被旋翼无人机的图像采集模块捕获，旋翼无人机的机载计算机通过对图像进行处理，得到与目标固定翼无人机的距离和目标固定翼无人机所处的方向，通过PID算法控制旋翼无人机飞行，缩短旋翼无人机与目标固定翼无人机之间的间距，当缩短到一定距离时，图像处理模块能够清晰捕获固定翼无人机机体上的设定标识，进入第二部分；第二部分为机载计算机通过处理图像采集模块的采集的图像数据，分析得到目标固定翼无人机上的设定标识进而由机载计算机控制旋翼无人机移动到事先标定的相对位置，利用图像伺服控制算法控制旋翼无人机在该相对位置作相对于固定翼无人机稳定的飞行，即旋翼无人机与固定翼无人机协同飞行一段距离，协同飞行期间旋翼无人机和固定翼无人机保证相对静止。
作为本发明的进一步限定，所述步骤5中载货模块包括固定翼无人机的载货模块和旋翼无人机的载货模块，这两个载货模块之间存在协同转接货物的操作，具体流程为：旋翼无人机载货模块从地面装载货物起飞，当旋翼无人机相对固定翼无人机作相对稳定飞行时，固定翼无人机的储物箱打开，进入准备转接货物阶段，旋翼无人机控制自身姿态使货物对准固定翼无人机储物箱，旋翼无人机将携带货物脱离载货模块或者将货物与载货模块对接，固定翼无人机确认接收货物或确认货物被旋翼无人机取走之后关闭储物箱。
相对于现有技术，本发明能够获得以下技术效果：
考虑到无人机发展势头迅猛，无人机在空中飞行，行动方便灵活，相比车辆运输速度更快，能够到达的区域更广泛，在中小型货物运输中具有十分广阔的应用前景。本发明采用了分阶段处理，即地面站先控制固定翼无人机转入固定航道，然后控制旋翼无人机起飞与固定翼无人机对接，旋翼无人机识别固定翼无人机并对接，旋翼无人机控制自身相对固定翼无人机稳定飞行，完成货物转接操作，旋翼无人机返回地面，固定翼无人机返回原航线。
整个过程中固定翼无人机和旋翼无人机受地面站的监管，地面站为固定翼无人机规划路径，协调控制旋翼无人机与固定翼无人机对接，旋翼无人机与固定翼无人机的工作状态和飞行状态均通过通信模块发送至地面站；旋翼无人机和固定翼无人机的机载通信模块为无线4G通信模块，通过云服务器将信息转发至连接互联网的地面站，由于云服务器可以设置任意无线4G模块之间、无线4G模块与地面站的数据转发方式，极大提高了组网能力，方便未来向多固定翼无人机与多旋翼无人机协同运输方向扩展。
旋翼无人机的机载计算机采用Nvidia Jetson TX2，能够实现对图像的实时处理，有力的保证了旋翼无人机相对固定翼无人机协同稳定的伺服控制。
本发明的固定翼无人机与旋翼无人机协同运输***，其中旋翼无人机与固定翼无人机对接、旋翼无人机与固定翼无人机协同稳定飞行和固定翼无人机与旋翼无人机协同转接货物三个过程实现完全自动化，能够方便、简单、快速的实现货物从地面至空中固定翼无人机的转运工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将以从地面向空中转运货物为例对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明一实施例的原理框图；
图2为本发明一实施例的协同控制示意图；
图3为本发明一实施例中地面向空中转运货物的流程图；
图4为本发明一实施例中空中向地面转运货物的流程图；
图5为本发明一实施例的地面向空中转运货物的货物协同转接流程图；
图6为本发明一实施例的空中向地面转运货物的货物协同转接流程图；
图7为本发明一实施例的固定翼无人机与旋翼无人机的协同稳定飞行的示意图。
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种固定翼无人机与旋翼无人机的自主协同运输***及方法，包括固定翼无人机、旋翼无人机和地面站，固定翼无人机与旋翼无人机通过通信模块与地面站链接；固定翼无人机用于长距离货物运输，用于在空中与旋翼无人机协同转接货物；旋翼无人机用于将货物从地面转运至空中并转接给固定翼无人机或者将固定翼无人机运载的货物转运到地面；地面站与固定翼无人机和旋翼无人机通信，负责为固定翼无人机和旋翼无人机提供航线规划、协同控制和信息监控功能。本发明的固定翼无人机达到指定空域后，由地面站控制旋翼无人机升空对接，在双机协同稳定飞行过程中完成货物转接操作，能够实现复杂地形情况下货物的快速转运工作。
参照图1，在本发明一实施例中所提供的固定翼无人机与旋翼无人机的自主协同运输***，包括固定翼无人机、旋翼无人机和地面站，固定翼无人机和旋翼无人机均通过通信模块和云服务器与地面站相连，旋翼无人机和固定翼无人机之间也可以通过云服务器进行直接的数据交换；无人机通过4G通讯模块连接服务器，由服务器进行数据转发，使***的网络拓展能力大大增强。
所述的旋翼无人机包括飞行控制模块、图像采集模块、机载计算机、机载GPS模块、机载通信模块和载货模块。图像采集模块与机载计算机相连接，机载GPS模块与飞行控制模块相连接，飞行控制模块、机载通信模块和载货模块均与机载计算机相连接，机载计算机通过机载通信模块与地面站通讯相连。
所述的飞行控制模块，用于接收机载GPS模块发送的定位信息，并控制无人机按照机载计算机给予的指令飞行，同时将无人机的定位信息和姿态信息发送至机载计算机；
所述的图像采集模块为带云台的便携式摄像头，摄像头安装在旋翼无人机的底部，用于采集指定方向上的图像并发送至机载计算机；
所述的机载计算机，用于控制图像采集模块、飞行控制模块和载货模块的工作，用于接收飞行控制模块回传的信息和图像采集模块采集的图像信息并进行分析处理，用于向飞行控制模块下达飞行指令，用于控制旋翼无人机与固定翼无人机的协同稳定飞行，用于根据指令控制载货模块进行相应操作，用于将接收到的GPS信息、图像信息、载货模块信息通过机载通信模块发送至地面站。在本发明一优选实施例中，旋翼无人机的机载计算机通过Nvidia Jetson TX2实现。
所述的机载GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并发送至飞行控制模块；
所述的机载通信模块，用于与地面站进行通信；
所述的载货模块，用于装载需要转运的货物，并根据指令将货物与旋翼无人机脱离或者将货物与旋翼无人机衔接。
所述固定翼无人机包括飞行控制模块、机载嵌入式模块，机载GPS模块、机载通信模块、载货模块，飞行控制模块与机载GPS模块相连，飞行控制模块、机载通信模块、载货模块与机载计算机相连，机载计算机通过机载通信模块与地面站通讯相连；
所述的飞行控制模块，用于控制固定翼无人机的按照机载计算机的指令飞行，同时将无人机的飞行姿态信息和机载GPS模块的信息发送给机载计算机；
所述的机载嵌入式模块，用于解析来自地面站的数据，并控制无人机的飞行控制模块按照指定航线飞行，控制载货模块的正常工作，用于接收飞行控制模块和载货模块的信息并转发送给地面站。在本发明一优选实施例中，所述的固定翼无人机的机载嵌入式模块通过STM32实现。
所述的机载GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并发送至飞行控制模块；
所述的机载通信模块，用于与地面站进行通信；
所述的载货模块，用于装载来自旋翼无人机投送的货物或需要转接给旋翼无人机的货物。
所述的地面站包括PC端，PC端上设有协同控制模块、路径规划模块、通信模块和监管模块；通信模块与固定翼无人机和旋翼无人机的机载通信模块相连；
所述的协同控制模块，包括对固定翼无人机和旋翼无人机的协同控制模块，用于控制固定翼无人机的飞行的航线和速度，用于控制旋翼无人机的起飞时机、飞行路线和飞行速度，用于控制旋翼无人机的载货模块脱离货物的时机，用于控制固定翼无人机接收货物的时机，用于控制无人机完成货物交接后的返航路线；
所述的路径规划模块，用于规划固定翼无人机完成货物转运过程的飞行路线，用于协同规划旋翼无人机对接固定翼无人机的飞行路线；
所述通信模块，用于实现固定翼无人机和旋翼无人机与地面站的通信，接收固定翼无人机与旋翼无人机的飞行状态并将地面站控制指令和规划的航线信息发送至固定翼无人机和旋翼无人机；
所述的监管模块，包括三个部分，分别是固定翼无人机状态信息接收与监测模块，旋翼无人机状态信息接收与监测模块，对固定翼无人机和旋翼无人机的规划与控制以及人机交互模块。
在本发明一实施例中，所述的旋翼无人机，负责装载地面上需要转运的货物，在地面站的控制下将货物从地面转运至空中，识别并接近固定翼无人机，将货物转移至固定翼无人机后返回地面，整个过程受地面站控制，并将自身的位置、速度信息和工作状态实时发送至地面站。旋翼无人机与固定翼无人机的协同稳定飞行阶段，旋翼无人机处于自主状态。旋翼无人机的协同转运货物过程共分为两个阶段。
旋翼无人机的第一阶段如图2，在地面装载货物并等待地面站上传的飞行航线和起飞指令，接收到地面站的起飞指令时按预定轨迹飞行至指定空域，此时旋翼无人机的机载计算机模块对图像采集模块得到的图像进行处理，检测得到目标固定翼无人机，并分析计算得到与目标固定翼无人机的距离和目标固定翼无人机所处的方向，由机载计算运行PID算法控制旋翼无人机飞行，缩短旋翼无人机与目标固定翼无人机之间的间距，当缩短到一定距离时，旋翼无人机的图像采集模块能够清晰捕捉到固定翼无人机机身上的设定标识(如圆形红色标识)的时候，进入第二阶段。
旋翼无人机的第二阶段是协同稳定阶段，旋翼无人机相对于固定翼无人机的高度和相对于设定标识(如圆形红色标识)的角度是事先标定的，事先标定的位置应该使旋翼无人机能够正好将货物放入固定翼无人机的储物箱，旋翼无人机捕捉到固定翼无人机机身上的设定标识(如圆形红色标识)之后，利用图像伺服控制算法控制旋翼无人机在该相对位置作相对于固定翼无人机稳定的飞行，即旋翼无人机与固定翼无人机协同飞行一段距离，协同飞行期间旋翼无人机和固定翼无人机保证相对静止。完成货物交接后按地面站指令返航。
在本发明一实施例中，所述的所述的固定翼无人机，用于在空中接收旋翼无人机送上来的货物并将其转运至指定地点，固定翼飞机接收到地面站的接货指令后按照地面站上传的航线飞行，在整个飞行过程中，固定翼无人机的飞行控制主要由固定翼无人机自主完成，固定翼无人机接受地面站的协同控制指令，并将自身飞行信息(位置和速度)和工作状态发送至地面站。
在本发明一实施例中，所述的地面站用于接收固定翼无人机和旋翼无人机传回的信息，并对固定翼无人机和旋翼无人机进行路径规划和飞行控制，控制旋翼无人机起飞并接近固定翼无人机，在固定翼无人机与旋翼无人机协同稳定飞行时完成货物转接，并通过图形化界面显示以实现人及交互。
在本发明一实施例中，地面站分析固定翼无人机当前航线与需要转运货物的旋翼无人机的位置，为固定翼无人机规划最优接货路线，控制固定翼无人机接收旋翼无人机转运的货物，并实时接收固定翼无人机的飞行信息(包括飞行高度、速度、经度、纬度、当前航线等)与姿态，通过地面站对固定翼无人机进行实时监管。
在本发明一实施例中，地面站分析旋翼无人机的载货量，评估旋翼无人机的各项性能，为旋翼无人机规划最优转运路线，控制旋翼无人机适时起飞升空与旋翼无人机对接，调整控制旋翼无人机使其进入与固定翼无人机的协同稳定飞行阶段，并控制旋翼无人机与固定翼无人机完成货物转运操作，地面站实时接收旋翼无人机的飞行信息和工作信息，并通过地面站显示以实现人机交互。
在本发明一实施例中，选用的旋翼无人机为Pixhawk四旋翼飞行器，搭载5300mHA3S锂电池。受地面站控制在与固定翼无人机对接并在固定翼无人机上方协同稳定飞行。飞行控制模块采用雷巡的pixhawk V5飞行控制模块；图像采集模块选用便携式的带有云台的GOPRO5摄像头；所述机载计算机通过Nvidia Jetson TX2实现，机载计算机模块采用额外的Ubuntu18.04+Opencv3.4.2的处理平台对获得的图像进行识别，并且根据对图像处理的结果控制飞机的飞行状态，利用Nvidia Jetson TX2接收其他模块的传过来的信息；机载GPS模块采用型号为NEO V2 Pro的GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并传达至飞行控制模块；所述机载通信模块采用有人公司的4G无线通讯模块WH-LTE-7S4-V2；载货模块使用电磁铁吸附待运货物。
在本发明一实施例中，选用的固定翼无人机为Pixhawk固定翼飞行器，搭载5300mHA 3S锂电池。受地面站控制由原航线转到地面站规划的接收货物航线上飞行，接收旋翼无人机转运的货物；飞行控制模块采用雷巡的pixhawk V5飞行控制模块；所述机载计算机根据需求采用STM32F103嵌入式控制器实现，STM32F103需要向飞行控制模块转发通信模块接收的飞行控制信号，转发行线信息，同时控制载货模块的工作，利用STM32F103收集固定翼无人机飞行控制模块的信息和载货模块的信息并由通信模块转发至地面站；机载GPS模块采用型号为NEO V2 Pro的GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并传达至飞行控制模块；所述机载通信模块采用有人公司的4G无线通讯模块WH-LTE-7S4-V2；载货模块是一个具有部分自动化功能的储物箱，可以识别箱内是否放入货物，可以自动控制箱体的开闭，可以和STM32F103通信并由STM32F103控制箱体的开闭。
在本发明一实施例中，所述的地面站包括PC端，PC端安装Ubuntu18.04+ROS***。
在本发明一实施例中，所述的地面站的协同控制模块，包括对固定翼无人机和旋翼无人机的协同控制模块，用于控制固定翼无人机的飞行的路线和速度，当固定翼无人机接近转运货物空域时，降低航行高度和航行速度，固定翼无人机调整姿态的同时，地面站控制旋翼无人机的起飞时机、飞行路线和飞行速度，使固定翼无人机在调整到目标飞行高度和飞行速度时，旋翼无人机能够刚好处于固定翼无人机的上方；控制旋翼无人机和旋翼无人机的货物转接时，当固定翼无人机与旋翼无人机实现协同稳定飞行时，控制固定翼无人机打开货箱然后旋翼无人机的载货模块脱离货物，控制固定翼无人机接收货物并关闭货箱，然后控制无人机完成货物交接后安全返回原状态。
在本发明一实施例中，所述地面站的路径规划模块，用于规划固定翼无人机进入货物准备接收阶段的飞行路线，协同规划旋翼无人机捕获并接近旋翼无人机的飞行路线，并分别上传至固定于无人机与旋翼无人机。采用RTT寻路算法原理寻找固定翼飞机的最优飞行航线，具体实现方法为：地面站导入货物转运地的三维地图，设置飞行高度，根据固定翼飞机当前设置路径的起始点，按照RTT算法规划飞行路径。对固定翼无人机由原航线飞往接货地、降低高度协同稳定飞行阶段以及返航航线进行分别规划，之后作为三个航线任务上传至固定翼无人机。根据固定翼无人机当前航线规划旋翼无人机航线，主要在于控制起飞时间，使旋翼无人机升空后能够与固定翼无人机恰好对接。
在本发明一实施例中，所述地面站的通信模块，通过云服务器转发实现固定翼无人机和旋翼无人机与地面站的通信，接收固定翼无人机与旋翼无人机的飞行状态并将地面站控制信息和规划的路径信息发送给固定翼无人机和旋翼无人机，地面站运行在可以连接互联网的PC机上，机载通信模块通过无线4G模块向有人云发送数据，在有人云服务器上设置数据转发方式，在PC机上虚拟一个串口即可接收服务器转发过来的数据。
在本发明一实施例中，所述地面站的监管模块，包括三个部分，分别是固定翼无人机状态信息接收与监测模块，旋翼无人机状态信息接收与检测模块，对固定翼无人机和旋翼无人机的规划与控制模块以及人机交互模块。地面站的图形界面通过QT实现，地面站基于ROS编写相关功能。
如图3所示，本发明一实施例提供的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，当前任务是由地面向空中转运货物，其步骤如下：
步骤1：启动地面站、旋翼无人机、固定翼无人机；
步骤2：为旋翼无人机装载货物，并向地面站发出转运需求；
步骤3：控制固定翼无人机进入指定运输航线飞行，等待地面站指令；
步骤4：地面站接到旋翼无人机的转运需求，搜索附近航线符合当前货物转运目的地的固定翼无人机，选择符合要求的固定翼无人机，引导其改变当前航线，飞向有转运需求的旋翼无人机所在地；
步骤5：地面站的路径规划模块为固定翼无人机规划接收货物过程的飞行航线，并上传至固定翼无人机，待固定翼飞至合适位置并进入接收货物准备状态后，协同控制模块向旋翼无人机发送起飞指令，并控制旋翼无人机接近并识别目标固定翼无人机；
步骤6：旋翼无人机识别目标固定翼无人机并接近目标固定翼无人机，识别固定翼无人机上的相应标识，在协同稳定模块的控制下移动至相对固定翼无人机可以实现货物转接的位置，然后协同飞行一段距离，期间保证相对静止，在协同飞行时载货模块完成货物的转接操作；
如图5所示载货模块包括固定翼无人机的载货模块和旋翼无人机的载货模块，载货模块开始工作的触发条件是固定翼无人机与旋翼无人机协同稳定飞行，此时固定翼无人机首先打开储物箱，旋翼无人机再次微调飞行姿态，是货物准确的放入储物箱，储物箱确认货物放好之后，旋翼无人机与货物脱离，确认旋翼无人机与货物脱离后，固定翼无人机关闭在储物箱。整个过程需要固定翼无人机载货模块、旋翼无人机载货模块和地面站的协同控制。
如图7所示，图7为本发明一实施例的固定翼无人机与旋翼无人机的协同稳定飞行的示意图，主要依靠旋翼无人机的图像采集模块和机载计算机处理和固定翼无人机上的圆形红色标识。协同稳定飞行实现的最终结果如图7所示，此时旋翼无人机靠近固定翼无人机但是不接触，旋翼无人机的正下方为储物箱，旋翼无人机的斜下方是圆形红色标识。旋翼无人机与固定翼无人机协同稳定飞行时，旋翼无人机图像采集模块指向圆形红色标识，相对位置事先在地面上进行标定，利用PID算法控制旋翼无人机保持与事先标定的相同位置。协同稳定飞行可以通过协同稳定模块实现，协同稳定模块是工作在旋翼无人机的机载计算机上的程序。
图像处理模块采用带有云台的摄像头，摄像头指向角度可以受机载计算机的控制。
步骤7：地面站确认转接操作完成，为固定翼无人机规划安全的返航路线，为旋翼无人机规划路线返回原航线，然后分别上传固定翼无人机与旋翼无人机。
步骤8：控制固定翼无人机返回原航线继续飞行；控制旋翼无人机返航落地，等待继续装载货物，完成下一次转运任务。
本发明地面站是***的总控制***，即有最高控制权限，监控整个***的数据传输和工作状态，指挥固定翼无人机接收货物，控制旋翼无人机升空对接，控制固定翼无人机与旋翼无人机协同转运货物，控制固定翼无人机与旋翼无人机安全返航。地面站是一个运行于PC端的软件，具备图像化交互功能，可以图像化显示无人机的飞行姿态和工作状态，显示固定翼飞机当前航线和旋翼无人机图像采集模块采集得到的图像。
如图4所示，本发明一实施例提供的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，当前任务是从空中向地面转运货物，其步骤如下：
步骤1：启动地面站、旋翼无人机、固定翼无人机；
步骤2：保持旋翼无人机为空载状态，等待地面站的控制指令；
步骤3：控制固定翼无人机进入需要转运货物的空域，向地面站发出请求转运请求；
步骤4：地面站接收固定翼无人机的请求，启动旋翼无人机准备升空对接；
步骤5：地面站的路径规划模块为固定翼无人机规划转接货物过程的飞行轨迹，并上传至固定翼无人机，待固定翼飞至合适位置并进入转接货物准备状态后，地面站的协同控制模块向旋翼无人机发送起飞指令，并控制旋翼无人机接近并识别目标固定翼无人机；
步骤6：旋翼无人机识别目标固定翼无人机并接近目标固定翼无人机，在协同控制模块的控制下移动至相对固定翼无人机可以实现货物转接的位置，然后与固定翼无人机协同飞行一段距离，协同飞行期间旋翼无人机和固定翼无人机保证相对静止，在协同飞行时载货模块完成货物的协同转接操作。
如图7所示，图7为本发明一实施例的固定翼无人机与旋翼无人机的协同稳定飞行的示意图，主要依靠旋翼无人机的图像采集模块和机载计算机处理和固定翼无人机上的圆形红色标识。协同稳定飞行实现的最终结果如图7所示，此时旋翼无人机靠近固定翼无人机但是不接触，旋翼无人机的正下方为储物箱，旋翼无人机的斜下方是圆形红色标识。旋翼无人机与固定翼无人机协同稳定飞行时，旋翼无人机图像采集模块指向圆形红色标识，相对位置事先在地面上进行标定，利用PID算法控制旋翼无人机保持与事先标定的相同位置。协同稳定飞行可以通过协同稳定模块实现，协同稳定模块是工作在旋翼无人机的机载计算机上的程序。
步骤7：地面站确认货物转接操作完成，为固定翼无人机规划返航路线，为旋翼无人机规划返航路线，然后分别上传固定翼无人机与旋翼无人机；
步骤8：控制固定翼无人机返回原航线继续飞行；控制旋翼无人机返航落地，等待继续装载货物，或卸载转运下来的货物，准备下一次转运任务。
如图6所示载货模块包括固定翼无人机的载货模块和旋翼无人机的载货模块，载货模块开始工作的触发条件是固定翼无人机与旋翼无人机协同稳定飞行，此时固定翼无人机首先打开储物箱(或者叫储物箱)，旋翼无人机再次微调飞行姿态，将货物与自身载货模块结合，确认旋翼无人机的载货模块与货物结合，确认货物离开固定翼无人机储物箱，固定翼无人机关闭在储物箱。整个过程需要固定翼无人机载货模块、旋翼无人机载货模块和地面站的协同控制。
综上所述，虽然本发明以多个实施例列举如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种改动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书界定的范围为准。
Claims (12)
1.固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，包括：
旋翼无人机，与地面站以及固定翼无人机通信，将其自身位置和速度信息实时发送到地面站，其飞行航线和工作状态受地面站控制；负责装载地面上需要转运的货物，在地面站的控制下将货物从地面转运至空中，识别并接近固定翼无人机，将货物转移至固定翼无人机后返回地面，或/和在地面站的控制下，在空中识别并接近固定翼无人机，将货物从固定翼无人机转移至旋翼无人机，由旋翼无人机将货物转运至地面；
固定翼无人机，与地面站以及旋翼无人机进行通信，将其自身位置和速度信息实时发送到地面站，其飞行航线和工作状态受地面站控制；在地面站的控制下，在空中接收旋翼无人机送上来的货物并将其转运至指定地点，或/和在地面站的控制下，在空中将从指定地点转运来的货物转接给旋翼无人机；
地面站，用于接收固定翼无人机和旋翼无人机传回的信息，并对固定翼无人机和旋翼无人机进行路径规划和飞行控制，控制旋翼无人机起飞并接近固定翼无人机，在固定翼无人机与旋翼无人机协同稳定飞行时完成货物转接。
2.根据权利要求1所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，所述旋翼无人机包括飞行控制模块、图像采集模块、机载计算机、机载GPS模块、机载通信模块和载货模块；图像采集模块与机载计算机相连接，机载GPS模块与飞行控制模块相连接，飞行控制模块、机载通信模块和载货模块均与机载计算机相连接，机载计算机通过通信模块与地面站通讯相连；
所述的飞行控制模块，用于控制无人机的按照机载计算机的指令飞行，同时将无人机的飞行信息发送至机载计算机；
所述的图像采集模块为带云台的便携式摄像头，摄像头安装在旋翼无人机的底部，用于采集指定方向上的图像并发送至机载计算机；
所述的机载计算机，用于控制图像采集模块、飞行控制模块和载货模块的工作，用于接收飞行控制模块回传的信息和图像采集模块采集的图像信息并进行分析处理，用于向飞行控制模块下达飞行指令，用于控制旋翼无人机与固定翼无人机的协同稳定飞行，用于根据指令控制载货模块进行相应操作，用于将接收到的GPS信息、图像信息、载货模块信息通过机载通信模块发送至地面站；
所述的机载GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并发送至飞行控制模块；
所述的机载通信模块，用于与地面站进行通信；
所述的载货模块，用于装载需要转运的货物，并根据指令将货物与旋翼无人机脱离或者将货物与旋翼无人机衔接。
3.根据权利要求2所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，旋翼无人机的机载计算机通过Nvidia Jetson TX2实现。
4.根据权利要求2或3所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，所述固定翼无人机包括飞行控制模块、机载嵌入式模块，机载GPS模块、机载通信模块、载货模块，飞行控制模块与机载GPS模块相连，飞行控制模块、机载通信模块、载货模块与机载计算机相连，机载计算机通过机载通信模块与地面站通讯相连；
所述的飞行控制模块，用于控制固定翼无人机的按照机载计算机的指令飞行，同时将无人机的飞行姿态信息和机载GPS模块的信息发送给机载计算机；
所述的机载嵌入式模块，用于解析来自地面站的指令并控制无人机的飞行控制模块和载货模块的正常工作，用于接收飞行控制模块和载货模块的信息并转发送给地面站；
所述的机载GPS模块，用于实时获取无人机的GPS信息并发送至飞行控制模块；
所述的机载通信模块，用于与地面站进行通信；
所述的载货模块，用于装载来自旋翼无人机投送的货物或需要转接给旋翼无人机的货物。
5.根据权利要求4所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，所述的固定翼无人机的机载嵌入式模块通过STM32实现。
6.根据权利要求4所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，所述的地面站包括PC端，PC端上设有协同控制模块、路径规划模块、通信模块和监管模块；通信模块与固定翼无人机和旋翼无人机的机载通信模块相连；
所述的协同控制模块，包括对固定翼无人机和旋翼无人机的协同控制模块，用于控制固定翼无人机的飞行的航线和速度，用于控制旋翼无人机的起飞时机、飞行路线和飞行速度，用于控制旋翼无人机的载货模块脱离货物的时机，用于控制固定翼无人机接收货物的时机，用于控制无人机完成货物交接后的返航路线；
所述的路径规划模块，用于规划固定翼无人机完成货物转运过程的飞行路线，用于协同规划旋翼无人机对接固定翼无人机的飞行路线；
所述通信模块，用于实现固定翼无人机和旋翼无人机与地面站的通信，接收固定翼无人机与旋翼无人机的飞行状态并将地面站控制指令和规划的航线信息发送至固定翼无人机和旋翼无人机；
所述的监管模块，包括三个部分，分别是固定翼无人机状态信息接收与监测模块，旋翼无人机状态信息接收与监测模块，对固定翼无人机和旋翼无人机的规划与控制以及人机交互模块。
7.根据权利要求6所述的的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输***，其特征在于，所述的旋翼无人机和固定翼无人机的机载通信模块为无线4G通信模块；无线4G通信模块通过云服务器的转发，实现旋翼无人机、固定翼无人机与地面站的组网，且能实现固定翼无人机与旋翼无人机的直连；地面站通过无线4G通信模块接收固定翼无人机和旋翼无人机的状态信息，并且将飞行航线和控制指令发送至固定翼无人机和旋翼无人机。
8.一种固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：启动地面站、旋翼无人机、固定翼无人机；
步骤2：判断当前任务类型，任务类型包括从地面向空中转运货物以及从空中向地面转运货物；
步骤3，如果当前任务是从地面向空中转运货物，则为旋翼无人机装载货物，并向地面站发出转运需求；控制固定翼无人机进入指定转运航线飞行，等待地面站指令；地面站接到旋翼无人机的转运需求，搜索附近航线符合当前货物转运目的地的固定翼无人机，发送指令引导其前来接收货物；
如果当前任务是从空中向地面转运货物，则保持旋翼无人机为空载状态，等待地面站的控制指令；固定翼无人机即将进入需要转运货物的空域，向地面站发出请求转运请求；地面站接收固定翼无人机的请求，启动旋翼无人机准备升空对接；
步骤4：地面站的路径规划模块为固定翼无人机规划转接货物过程的飞行轨迹，并上传至固定翼无人机，待固定翼飞至合适位置并进入转接货物准备状态后，地面站的协同控制模块向旋翼无人机发送起飞指令，并控制旋翼无人机接近并识别目标固定翼无人机；
步骤5：旋翼无人机识别目标固定翼无人机并接近目标固定翼无人机，在旋翼无人机其机载计算机中的协同稳定模块的控制下移动至相对固定翼无人机可以实现货物转接的位置，然后与固定翼无人机协同飞行一段距离，协同飞行期间旋翼无人机和固定翼无人机保证相对静止，在协同飞行时载货模块完成货物的协同转接操作；
步骤6：地面站确认货物转接操作完成，为固定翼无人机规划返航路线，为旋翼无人机规划返航路线，然后分别上传固定翼无人机与旋翼无人机；
步骤7：控制固定翼无人机返回原航线继续飞行；控制旋翼无人机返航落地，等待继续装载货物，或卸载转运下来的货物，准备下一次转运任务。
9.根据权利要求8所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，其特征在于，步骤4中地面站的路径规划模块的路径规划方案，是基于对转运活动发生地周围的三维立体环境的分析决定的，方法为：引导固定翼无人机脱离原航线飞向转接货物空域，在三位立体环境中找到一条具有安全高度的足够长度的直线航线，作为固定翼无人机与旋翼无人机转接货物的航线。
10.根据权利要求9所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，其特征在于，步骤4中地面站的协同控制模块针对的对象为旋翼无人机，其控制方案为：对旋翼无人机的各项性能进行评估，计算旋翼无人机在载货情况下能够达到的最大飞行速度，并实时监测固定翼无人机的位置和速度，通过设计旋翼无人机的起飞时间和飞行轨迹，使固定翼无人机能够在进入步骤4中路径规划模块规划的直线航线前被旋翼无人机的图像采集模块捕获，捕获时应保证旋翼无人机在固定翼无人机的上方。
11.根据权利要求8所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，其特征在于，步骤5中协同稳定模块的协同控制，其方案为：旋翼无人机的图像采集模块采集指定方向的图像信息，将图像信息传送至旋翼无人机的机载计算机，由旋翼无人机的机载计算机进行处理；旋翼无人机的机载计算机的处理分为两部分，第一部分为识别并接近目标固定翼无人机，目标固定翼无人机被旋翼无人机的图像采集模块捕获，旋翼无人机的机载计算机通过对图像进行处理，得到与目标固定翼无人机的距离和目标固定翼无人机所处的方向，通过PID算法控制旋翼无人机飞行，缩短旋翼无人机与目标固定翼无人机之间的间距，当缩短到一定距离时，图像处理模块能够清晰捕获固定翼无人机机体上的设定标识，进入第二部分；第二部分为机载计算机通过处理图像采集模块的采集的图像数据，分析得到目标固定翼无人机上的设定标识进而由机载计算机控制旋翼无人机移动到事先标定的相对位置，利用图像伺服控制算法控制旋翼无人机在该相对位置作相对于固定翼无人机稳定的飞行，即旋翼无人机与固定翼无人机协同飞行一段距离，协同飞行期间旋翼无人机和固定翼无人机保证相对静止。
12.根据权利要求8所述的固定翼无人机与旋翼无人机自主协同运输方法，其特征在于，步骤5中载货模块包括固定翼无人机的载货模块和旋翼无人机的载货模块，这两个载货模块之间存在协同转接货物的操作，流程为：旋翼无人机载货模块从地面装载货物起飞，当旋翼无人机相对固定翼无人机作相对稳定飞行时，固定翼无人机的储物箱打开，进入准备转接货物阶段，旋翼无人机控制自身姿态使货物对准固定翼无人机储物箱，旋翼无人机将携带货物脱离载货模块或者将货物与载货模块对接，固定翼无人机确认接收货物或确认货物被旋翼无人机取走之后关闭储物箱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210413 |