CN114524105B - 一种无人机动态起降装置及起降方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机动态起降装置及起降方法，安装在载体基座上，包括姿态调整机构、以及设置在姿态调整机构上的停机坪，姿态调整机构设置在载体基座上，用于动态调整停机坪的位姿状态，停机坪内设有用于存放无人机的停机位；姿态调整机构和停机坪均连接有控制器，控制器用于实时动态调整姿态调整机构的位姿，以使停机坪始终保持水平状态。本发明所述的一种无人机动态起降装置及起降方法通过设置姿态调整机构，将停机坪放置于姿态调整机构上方，控制单元置于载体上，共同组成无人机起降装置；姿态调整机构采用U型框架设计，合理利用紧凑空间，预留合理空间安置停机坪下舱，实现姿态调整机构最小化、最优化设计。

Description

一种无人机动态起降装置及起降方法
技术领域
本发明属于无人机技术领域，尤其是涉及一种无人机动态起降装置及起降方法。
背景技术
无人机在交通、安防、林业、电力、石油等行业应用越来越广，如何才能实现无人机的长距离、大范围、高频次作业普查、监测显得尤为重要。随着无人机控制技术的不断提升，如何最大限度减少人为参与，节省人工成本，实现无人机自主执行任务的需求变得尤为重要。
目前，为保证无人机能快速到达指定地点作业，不少用户将无人机起降装置安放于车辆、船舶等移动载体，当车辆、船舶等载体移动时，由于地面及海平面易受地势、海浪等复杂环境影响，现有的无人机起降装置通过姿态传感器感知载体姿态变化，大部分通过气缸进行起降装置水平调整，实时调整速度较慢，导致无人机起降过程较为复杂；同时，在无人机起飞过程中，由于无人机机头朝向与航线第一目标点并不重合，因此空中需要不断调整无人机机头，进行转弯飞向第一目标点，飞行距离增大的同时会损耗一定电量；在无人机降落时，需要根据移动载体对无人机机头进行实时调整，在不断调整无人机下降位置时还要不断调整无人机机头方向保持于平台朝向一致，大大增加降落难度，且降落过程中耗电量较多；因此，本专利申请设计了一种无人机动态起降装置及起降方法。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种无人机动态起降装置及起降方法，以解决无人机起降装置调整不便，无人机起降难度较大，且容易消耗较多电量，严重影响无人机任务执行的工作效率的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种无人机动态起降装置，安装在载体基座上，包括姿态调整机构、以及设置在姿态调整机构上的停机坪，姿态调整机构设置在载体基座上，用于动态调整停机坪的位姿状态，停机坪内设有用于存放无人机的停机位；
姿态调整机构和停机坪均连接有控制器；所述控制器用于起飞前接收无人机任务航线第一目标点信息，并计算目标角度值，根据计算的目标角度值调整姿态调整机构以使停机坪实时指向第一目标点，保证机头始终朝向第一目标点；所述控制器用于降落前接收无人机航向信息，并计算姿态调整机构方位指向角度，根据计算的方位指向角度调整姿态调整机构以使停机坪进行水平调整，保证停机坪朝向与机头始终保持一致。
进一步的，姿态调整机构包括方位转台、俯仰转台和横滚转台；方位转台设置在载体基座上，方位转台用于调节停机坪的水平旋转角度，俯仰转台转动设置在方位转台的顶部，俯仰转台为U形结构，俯仰转台用于调节停机坪的俯仰角度，横滚转台转动安装在俯仰转台上，停机坪固定设置在横滚转台上，横滚状态用于调节停机坪的横滚角度。
进一步的，方位转台包括固定基座和方位转盘，固定基座上设有多组固定孔，固定基座通过螺栓固定安装在载体基座上，固定基座与方位转盘之间装配安装有齿轮一，方位转盘上固定设置有方位电机，方位电机的输出轴端安装有齿轮二，齿轮二与齿轮一相啮合，方位转盘上还固定设置有方位编码器，方位编码器的主轴端安装有齿轮三，齿轮三也与齿轮一相啮合；
俯仰转台包括支撑架和转向架，支撑架固定设置在方位转盘上，支撑架的侧板上固定设置有俯仰电机，俯仰电机的输出轴固定设置有齿轮四，支撑架的两侧板内壁上设有多组对应的滚轮，两侧滚轮之间设有用于安装转向架的安置位，转向架为U形结构，转向架的底端设有与齿轮四啮合的弧形齿条一，转向架的两侧外壁上固设有与滚轮配合的弧形凸起部，支撑架的另一侧板上设有对记录转向架转向角度的俯仰编码器；
横滚转台包括角度调节板、横滚电机和横滚编码器，角度调节板的数量为两组，两组角度调节板对应转动安装在转向架的两端，两组角度调节板之间留有用于安装停机坪的空隙，两组角度调节板的底端均设有弧形齿条二，横滚电机和横滚编码器通过固定板安装在转向架上，横滚电机的输出轴端固定设置有齿轮五，齿轮五与其中一组角度调节板上设有的弧形齿条二相啮合，横滚编码器的主轴端安装有齿轮六，齿轮六与另一组角度调节板上设有的弧形齿条二相啮合。
进一步的，停机坪包括上舱体和下舱体，上舱体的顶端设有开合的舱门，上舱体内设有对无人机自动归位居中的归位机构，下舱体内设有升降机构和充电机构，上舱体的底板中心位置设有供升降机构上下升降的通孔，升降机构的升降平台上设有与充电机构的充电电极对应的贯穿孔，升降机构控制归位后的无人机与充电机构的充电电极精准对接。
进一步的，控制器固定设置在方位转台的固定基座上，控制器包括控制电路板，控制电路板上集成配置有伺服控制模块，伺服控制模块用于数据实时解析， 伺服控制模块连接有惯性导航模块和5G模块，惯性导航模块设置在载体上，用于感知载***置、姿态和航向信息，5G模块的数量为两组，一组安装在无人机上，另一组安装在载体上，通过5G模块进行信息交互，将无人机航线及姿态信息实时回传至伺服控制模块，并将载体信息实时回传给无人机。
进一步的，控制电路板上还集成配置有用于控制方位电机工作的方位驱动单元、用于控制俯仰电机工作的俯仰驱动单元和用于控制横滚电机工作的横滚驱动单元，方位驱动单元、俯仰驱动单元和横滚驱动单元均连接伺服控制模块；
姿态调整机构、停机坪和控制器均连接有电源模块。
另一方面，本发明提供了一种无人机动态起降方法，包括起飞方法，所述起飞方法包括如下步骤：
A1、无人机接收起飞指令执行飞行任务，姿态调整机构自动增稳，隔离载体扰动，保证起降装置处于水平状态；
A2、判断步骤A1中的起降装置水平稳定精度是否符合起飞要求；若符合，则停机坪自动打开舱门，无人机升至起飞位；若不符合，则调整起降装置水平状态，直至符合起飞要求；
A3、对升至起飞位后的无人机，伺服控制模块通过5G模块接收无人机航线第一目标点位置信息，并与惯性导航模块进行数据融合处理，计算姿态调整机构方位指向角度，停机坪带动无人机，无人机机头实时指向航线第一目标点；
A4、判断步骤A3中的起降装置方位指向精度是否符合指向起飞要求；若符合，则进行下一步；若不符合，则调整起降装置方位指向直至符合起飞要求；
A5、起降装置方位符合指向起飞要求，锁紧机构释放，无人机解锁起飞；此时，停机坪关闭舱门，姿态调整结构收藏至零位。
进一步的，步骤A3具体方法为：
利用无人机航线第一目标点和惯性导航模块的经度、纬度和高度信息，计算出地球坐标系下载体指向无人机航线第一目标点的方向向量，再融合载体惯性导航模块当前姿态信息，利用坐标变换方式进行目标角度计算，计算出姿态调整机构的方位指向角度；
其中，无人机航线第一目标点的方向向量计算表达式为：
地球坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 119015DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 973838DEST_PATH_IMAGE002
为地球半径，
Figure 425680DEST_PATH_IMAGE003
为无人机航线第一目标点的经度、纬度、高 度，
Figure 758572DEST_PATH_IMAGE004
为载体的经度、纬度、高度；
利用载体的经度、纬度信息可以得到地球坐标系与当地水平面坐标系的变换矩阵 为
Figure 805900DEST_PATH_IMAGE005
，从而计算出当地水平面坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 566046DEST_PATH_IMAGE006
；
当地水平面坐标系到载体坐标系的变换矩阵为：
Figure 770762DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 907345DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 12442DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 943489DEST_PATH_IMAGE010
为方位转台、横滚转台、俯仰转台角度值；
载体坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 838764DEST_PATH_IMAGE011
姿态调整模块的方位角为：
Figure 513459DEST_PATH_IMAGE012
。
进一步的，还包括降落方法，所述降落方法包括如下步骤：
B1、无人机接收任务结束指令执行降落任务，姿态调整机构水平增稳，隔离载体扰动；
B2、判断步骤B1中的起降装置水平稳定精度是否符合降落要求；若符合，则停机坪自动打开舱门，升降平台升至顶端；若不符合，则调整起降装置水平状态，直至符合降落要求；
B3、升降平台升至顶端后，伺服控制模块通过5G模块接收无人机航向信息，并与惯性导航模块进行数据融合处理，计算姿态调整机构方位指向角度，保证停机坪与无人机机头方向一致；
B4、判断步骤B3中的起降装置方位指向精度是否符合指向降落要求；若符合，则进行下一步；若不符合，则调整起降装置方位指向直至符合降落要求；
B5、起降装置方位符合指向起飞要求，无人机自主降落；归位机构、锁紧机构和升降机构动作，将无人机降落至停机坪内，充电机构对无人机自动充电，停机坪关闭舱门，姿态调整机构归零。
进一步的，步骤B3具体方法为：
伺服控制模块将无人机航向信息与惯性导航模块当前姿态信息进行数据融合，利用坐标变换方式进行目标角度解算，计算出姿态调整机构的方位指向角度；
无人机降落时航向角度为
Figure 473062DEST_PATH_IMAGE013
，为保证无人机快速平稳降落，降低移动降落难度，停 机坪方位空间角度也需调整为
Figure 840590DEST_PATH_IMAGE013
；
当地水平面坐标系下，载体指向无人机的方向向量为：
Figure 19898DEST_PATH_IMAGE014
；
当地水平面坐标系到载体坐标系的变换矩阵为：
Figure 29443DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 109132DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 381981DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 48586DEST_PATH_IMAGE018
为方位转台、横滚转台、俯仰转台角度值；
载体坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 65084DEST_PATH_IMAGE019
；
姿态调整模块的方位角为：
Figure 999279DEST_PATH_IMAGE020
。
相对于现有技术，本发明所述的一种无人机动态起降装置及起降方法具有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种无人机动态起降装置将停机坪放置于姿态调整机构上方，控制单元置于载体上，共同组成无人机起降装置，姿态调整机构采用U型框架设计，合理利用紧凑空间，预留合理空间安置停机坪下舱，实现姿态调整机构最小化、最优化设计；
无人机起降过程中，起降装置始终处于水平状态，有效隔离车体、船体等移动过程中颠簸造成的大角度扰动，为无人机起降提供良好环境；
无人机起降后，停机坪自动收藏，姿态调整机构自动归零，回归初始位置，不再进行姿态调整，节省电量。
（2）本发明所述的一种无人机动态起降装置可实现无人机起飞前，停机坪舱门自动打开，无人机升至起飞位，锁紧机构释放，无人机起飞；无人机起飞后，停机坪舱门自动关闭。无人机降落前，停机坪舱门自动打开；无人机降落后，停机坪自动进行无人机归位、锁紧、下降、充电、关闭舱门等全自主流程，无需人为干预，有效增加无人机防护。
（3）本发明所述的一种无人机动态起降方法在无人机接收到起飞指令下达后，伺服控制模块融合惯性导航模块信息进行姿态解算，实现起降装置水平调整，隔离载体扰动；舱门自动打开，无人机升至起飞位，此时，伺服控制器通过无人机5G模块，接收无人机任务航线第一目标点经纬度坐标，并融合惯性导航模块信息进行目标角度解算，并驱动姿态调整机构电机使停机坪实时指向第一目标点，保证机头始终朝向第一目标点，锁紧机构释放，无人机自动起飞。
（4）本发明所述的一种无人机动态起降方法实现无人机执行任务航线固定翼模式飞向移动起降点，达到预设高度后，切入旋翼模式进行下降，此时伺服控制模块通过5G模块接收无人机航向信息，并融合惯性导航模块信息进行数据融合姿态解算，计算出姿态调整机构方位指向角度，姿态调整机构带动停机坪进行水平调整，保持停机坪朝向与机头始终保持一致，无人机整个下降过程中无需进行机头调整，只需要进行水平调整即可，大大降低移动降落难度，节省电量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种无人机动态起降装置***图；
图2为本发明实施例所述的一种无人机动态起降装置整体结构示意图；
图3为本发明实施例所述的姿态调整机构第一角度结构示意图；
图4为本发明实施例所述的姿态调整机构第二角度结构示意图；
图5为本发明实施例所述的停机坪舱门打开状态时的正视图；
图6为本发明实施例所述的归位机构、升降机构和充电机构俯视图；
图7为本发明实施例所述的归位机构、升降机构和充电机构正视图；
图8为本发明实施例所述的升降机构和充电机构结构示意图；
图9为本发明实施例所述的无人机降落至停机坪起降装置时的俯视图；
图10为本发明实施例所述的无人机动态起飞方法流程图；
图11为本发明实施例所述的无人机动态降落方法流程图；
图12为本发明实施例所述的伺服控制模块电路图；
图13为本发明实施例所述的方位驱动单元电路图；
图14为本发明实施例所述的俯仰驱动单元电路图；
图15为本发明实施例所述的横滚驱动单元电路图。
附图标记说明：
1、姿态调整机构；11、方位转台；111、固定基座；112、方位转盘；113、齿轮一；114、方位电机；115、齿轮二；116、方位编码器；117、齿轮三；12、俯仰转台；121、支撑架；122、转向架；123、俯仰电机；124、齿轮四；125、滚轮；126、弧形齿条一；127、弧形凸起部；128、俯仰编码器；13、横滚转台；131、角度调节板；132、横滚电机；133、横滚编码器；134、弧形齿条二；135、固定板；136、齿轮五；137、齿轮六；2、停机坪；21、上舱体；212、舱门；22、下舱体；23、归位机构；24、升降机构；25、充电机构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一，请参阅图1和图2所示，本发明实施例提供了一种无人机动态起降装置，安装在载体（车、船等移动载体）基座上，包括姿态调整机构1、以及设置在姿态调整机构1上的停机坪2，姿态调整机构1设置在载体基座上，用于动态调整停机坪2的位姿状态，停机坪内设有用于存放无人机的停机位；将停机坪2放置于姿态调整机构1上方，控制单元置于载体上，共同组成无人机起降装置，姿态调整机构1采用U型框架设计，合理利用紧凑空间，预留合理空间安置停机坪2下舱，实现姿态调整机构1最小化、最优化设计；
无人机起降过程中，起降装置始终处于水平状态，有效隔离车体、船体等移动过程中颠簸造成的大角度扰动，为无人机起降提供良好环境；
无人机起降后，停机坪自动收藏，姿态调整机构自动归零，回归初始位置，不再进行姿态调整，节省电量；
姿态调整机构1和停机坪2均连接有控制器；所述控制器用于起飞前接收无人机任务航线第一目标点信息，并计算目标角度值，根据计算的目标角度值调整姿态调整机构1以使停机坪2实时指向第一目标点，保证机头始终朝向第一目标点；所述控制器用于降落前接收无人机航向信息，并计算姿态调整机构1方位指向角度，根据计算的方位指向角度调整姿态调整机构1以使停机坪2进行水平调整，保证停机坪2朝向与机头始终保持一致；
除采用本专利申请设计的姿态调整机构1以外，也可采用现有的常规姿态调整机构，即能够对停机坪2的位置进行实时调整。
如图3和图4所示，姿态调整机构1包括方位转台11、俯仰转台12和横滚转台13；方位转台11设置在载体基座上，方位转台11用于调节停机坪2的水平旋转角度，俯仰转台12转动设置在方位转台11的顶部，俯仰转台12为U形结构，俯仰转台12用于调节停机坪2的俯仰角度，横滚转台13转动安装在俯仰转台12上，停机坪2固定设置在横滚转台13上，横滚转台13用于调节停机坪2的横滚角度；姿态调整机构1能够实现方位上的360°旋转，俯仰转台12和横滚转台13转动角度范围为-45°~+45°。
方位转台11包括固定基座111和方位转盘112，固定基座111上设有多组固定孔，固定基座111通过螺栓固定安装在载体基座上，固定基座111与方位转盘112之间装配安装有齿轮一113，方位转盘112上固定设置有方位电机114，方位电机114的输出轴端安装有齿轮二115，齿轮二115与齿轮一113相啮合，方位转盘112上还固定设置有方位编码器116，方位编码器116的主轴端安装有齿轮三117，齿轮三117也与齿轮一113相啮合；
俯仰转台12包括支撑架121和转向架122，支撑架121固定设置在方位转盘112上，支撑架121的侧板上固定设置有俯仰电机123，俯仰电机123的输出轴固定设置有齿轮四124，支撑架121的两侧板内壁上设有多组对应的滚轮125，两侧滚轮125之间设有用于安装转向架122的安置位，转向架122为U形结构，转向架122的底端设有与齿轮四124啮合的弧形齿条一126，转向架122的两侧外壁上固设有与滚轮125配合的弧形凸起部127，支撑架121的另一侧板上设有记录转向架122转向角度的俯仰编码器128；
横滚转台13包括角度调节板131、横滚电机132和横滚编码器133，角度调节板131的数量为两组，两组角度调节板131对应转动安装在转向架122的两端，两组角度调节板131之间留有用于安装停机坪2的空隙，停机坪2与角度调节板131刚性连接，两组角度调节板131的底端均设有弧形齿条二134，横滚电机132和横滚编码器133通过固定板135安装在转向架122上，横滚电机132的输出轴端固定设置有齿轮五136，齿轮五136与其中一组角度调节板131上设有的弧形齿条二134相啮合，横滚编码器133的主轴端安装有齿轮六137，齿轮六137与另一组角度调节板131上设有的弧形齿条二134相啮合。
如图5至图7所示，停机坪2包括上舱体21和下舱体22，上舱体21的顶端设有开合的舱门212，上舱体21内设有对无人机自动归位居中的归位机构23，当无人机降落至停机坪2的上舱体21平台后，归位机构23的水平推杆和竖直推杆两个方向同时推进，实现无人机归中，本技术方案中采用的归位机构23为本领域常规设置，故不再过多赘述；上舱体21内还设有对无人机锁紧的锁紧卡钩，锁紧卡钩未在附图中展示，本技术方案采用的锁紧卡钩为本领域技术人员熟知的常规技术，本专利申请并未对锁紧卡钩进行改进，该锁紧卡钩的结构也不是本专利申请的创新点，仅能够实现对无人机进行锁紧固定即可，因此，不再作过多赘述；
如图7和图8所示，下舱体的正面设有开合门，下舱体22内设有升降机构24和充电机构25，上舱体21的底板中心位置设有供升降机构24上下升降的通孔，升降机构24的升降平台上设有与充电机构25的充电电极对应的贯穿孔，充电机构25的充电电极连接充电电源，升降机构24控制归位后的无人机与充电机构25的充电电极精准对接；
升降机构24的升降模组带动升降平台进行升降动作，整个无人机采用局部升降方式，当无人机归中后，升降机构24将无人机起落架降至停机坪2的上舱体21内，下舱体22内的充电电极与无人机起落架电极实现精准对接，实现无人机内部电池自动充电，舱门212自动关闭；
停机坪2与无人机机头朝向相对位置如图9所示，X为机头及转台零位方向，Y为无人机机翼方向；无人机降落后机头与起降装置相对位置保持一致，此时的停机坪面积最小；无人机降落后，归位机构23从水平、竖直两个方向同时推进，进行无人机快速归位居中；利用锁紧机构实现无人机锁紧，锁紧后升降机构24带动无人机下降，到达底位后实现无人机起落架电极与下舱体22设有的充电电极精准对接，无人机电池进行自动充电。
控制器固定设置在方位转台11的固定基座111上，控制器包括控制电路板，控制电路板上集成配置有伺服控制模块，伺服控制模块用于数据实时解析，伺服控制模块连接有惯性导航模块和5G模块，惯性导航模块设置在载体上，用于感知载***置、姿态和航向信息数据，惯性导航模块由三轴陀螺、三轴加速度计用GPS和IMU紧耦合技术，提供高精度的三维位置、速度和姿态信息，双天线分为主从天线，可感知载***置及姿态信息，惯性导航模块采用七维航测公司生产的SDI-699GI型号成熟产品，故不再作进一步赘述；5G模块的数量为两组，一组安装在无人机上，另一组安装在载体上，通过5G模块进行信息交互，将无人机航线及姿态信息实时回传至伺服控制模块，并将载体信息实时回传给无人机，本专利申请采用的惯性导航模块和5G模块均为本领域常规的成熟技术，本专利申请并未对其进行改进，具体模块间连接关系故不再作进一步赘述；
伺服控制模块为整个动态起降装置控制核心，主要功能如下：
（1）连接惯性导航模块、5G模块，实现数据实时解析；
（2）接收惯性导航模块姿态信息，实时解算姿态调整机构电机指向角度，并通过编码器做位置闭环控制，保持停机坪处于水平，隔离载体扰动；
（3）无人机起飞前，通过5G模块实时接收无人机任务航线第一目标点，并结合载体惯性导航模块做数据融合，实时解算方位指向角度，驱动方位电机带动停机坪旋转，保证载体移动过程中，无人机机头始终朝向第一目标点；
（4）无人机降落过程中，通过5G模块实时接收无人机航向信息，并结合惯性导航模块做数据融合，实时解算方位指向角度，驱动方位电机带动停机坪旋转，保证载体移动过程中，保证停机坪始终指向机头；
（5）无人机起降后，驱动停机坪电机实现无人机归位、锁紧、升降、充电、舱门开关等全自主流程；
（6）无人机收藏至停机坪后，控制姿态调整机构方位、俯仰、横滚电机自动指向零位，姿态调整机构归零。
控制电路板上还集成配置有用于控制方位电机114工作的方位驱动单元、用于控制俯仰电机123工作的俯仰驱动单元和用于控制横滚电机132工作的横滚驱动单元，方位驱动单元、俯仰驱动单元和横滚驱动单元均连接伺服控制模块；
电源模块对整个姿态调整机构1、停机坪2及控制器内部模块进行供电。
具体实施时，如图12所示，伺服控制模块包括主控芯片U6，主控芯片采用但不限于STM32F405VGT7型号芯片，主控芯片U6的PD5管脚、PD6管脚通过RS422串口通信电路连接惯性导航模块，主控芯片U6的PA9管脚、PA10管脚通过RS422串口通信电路连接5G模块，RS422串口通信电路为本领域常规的通信电路，故不再作进一步赘述；
如图13至图15所示，方位驱动单元包括芯片U2，俯仰驱动单元包括芯片U3，横滚单元包括芯片U4，芯片U2、芯片U3和芯片U4采用但不限于G_HOR5/100SE芯片，主控芯片U6的PC12管脚、PD2管脚对应连接芯片U2的RS232_TX管脚、RS232_RX管脚，芯片U2的M2管脚、M3管脚对应连接方位电机输入端，主控芯片U6的PC6管脚、PC7管脚对应连接芯片U3的RS232_TX管脚、RS232_RX管脚，芯片U3的M2管脚、M3管脚对应连接俯仰电机输入端，主控芯片U6的PC10管脚、PC11管脚对应连接芯片U4的RS232_TX管脚、RS232_RX管脚，芯片U4的M2管脚、M3管脚对应连接横滚电机输入端，主控芯片U6的PD12管脚、PD13管脚通过RS422串口通信电路对应连接方位编码器，主控芯片U6的PD10管脚、PD11管脚通过RS422串口通信电路对应连接俯仰编码器，主控芯片U6的PD14管脚、PD15管脚通过RS422串口通信电路对应连接横滚编码器。
该起降装置适用于安装于车载、船载等移动载体或静止载体上，适用无人机主要包括垂直起降无人机，多旋翼无人机，主要包括姿态调整机构、停机坪、控制器三部分组成，姿态调整机构采用U型框架形式，放置停机坪下方，合理利用空间，且姿态调整机构可带动停机坪实现360°旋转；
动态起降装置可有效隔离载体扰动，在无人机起降过程中，始终保持停机坪处于水平，为无人机起降提供良好、稳定起降装置。
实施例二，本发明实施例还提供了一种无人机动态起降方法，该方法包括起飞方法和降落方法；
如图10所示，所述起飞方法包括如下步骤：
伺服控制模块接收到起飞指令后，融合惯性导航模块速度、姿态信息进行增稳控制，隔离载体扰动，三轴框架速度补偿的表达式如下：
Figure 708609DEST_PATH_IMAGE021
Figure 596931DEST_PATH_IMAGE022
Figure 417120DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 409084DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 289315DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 664933DEST_PATH_IMAGE026
分别为方位、横滚、俯仰转动角速度；
Figure 23233DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 932021DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 248733DEST_PATH_IMAGE029
为惯性导航 模块输出的载体角速度沿坐标轴分量，
Figure 111647DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 273638DEST_PATH_IMAGE031
为方位、横滚框架角度值；
当起降装置空间水平稳定精度＜0.5°，停机坪打开舱门，无人机升至起飞位；
无人机航线第一目标点经度、纬度信息度通过5G模块传输给伺服控制单元，利用无人机航线第一目标点和惯性导航模块的经度、纬度、高度信息，计算出地球坐标系下载体指向无人机航线第一目标点的方向向量，再融合惯性导航模块当前姿态信息，利用坐标变换方式进行目标角度解算，计算出姿态调整机构的方位指向角；具体的计算表达式如下式所示：
地球坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 771353DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 993387DEST_PATH_IMAGE033
为地球半径，
Figure 671493DEST_PATH_IMAGE034
为无人机航线第一目标点的经度、纬度、高度，
Figure 637175DEST_PATH_IMAGE035
为载体的经度、纬度、高度；
利用载体的经度、纬度信息可以得到地球坐标系与当地水平面坐标系的变换矩阵 为
Figure 756441DEST_PATH_IMAGE036
，从而计算出当地水平面坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 647911DEST_PATH_IMAGE037
；
当地水平面坐标系到载体坐标系的变换矩阵为：
Figure 485417DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 989211DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 228562DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 25355DEST_PATH_IMAGE041
为方位、横滚、俯仰框架角度值；
载体坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 553419DEST_PATH_IMAGE042
；
姿态调整模块的方位角为：
Figure 860904DEST_PATH_IMAGE043
驱动姿态调整机构电机运动，使得停机坪实时指向第一目标点，当方位指向精度＜0.5°时，锁紧机构释放，无人机解锁起飞；
确认无人机起飞后，停机坪关闭舱门，转台收藏至方位、俯仰、横滚零位。
如图11所示，所述降落方法包括如下步骤：
伺服控制模块接收到无人机任务结束指令后，融合惯性导航模块速度、姿态信息进行增稳控制，隔离载体扰动；起降装置速度补偿的表达式如下式所示：
Figure 689182DEST_PATH_IMAGE044
Figure 922455DEST_PATH_IMAGE045
Figure 468974DEST_PATH_IMAGE046
其中，
Figure 580150DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 528514DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 932688DEST_PATH_IMAGE049
分别为方位、横滚、俯仰转动角速度；
Figure 966503DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 881370DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 684241DEST_PATH_IMAGE052
为惯性导 航模块输出的载体角速度沿坐标轴分量，
Figure 88677DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 108324DEST_PATH_IMAGE054
为方位、横滚平台角度值；
当起降装置空间水平稳定精度＜0.5°，停机坪打开舱门；
伺服控制模块将无人机航向信息与惯性导航模块当前姿态信息进行数据融合，利用坐标变换方式进行目标角度解算，计算出姿态调整机构的方位指向角，具体计算表达式如下：
无人机降落时航向角度为
Figure 295722DEST_PATH_IMAGE055
，为保证无人机快速平稳降落，降低移动降落难度， 停机坪方位空间角度也需调整为
Figure 218679DEST_PATH_IMAGE055
；
当地水平面坐标系下，载体指向无人机的方向向量为：
Figure 466121DEST_PATH_IMAGE056
；
当地水平面坐标系到载体坐标系的变换矩阵为：
Figure 973063DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 964153DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 741616DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 159959DEST_PATH_IMAGE060
为方位、横滚、俯仰转台角度值；
载体坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 154198DEST_PATH_IMAGE061
；
姿态调整模块的方位角为
Figure 948978DEST_PATH_IMAGE062
；
驱动姿态调整机构电机运动，使得停机坪实时指向无人机机头方向，当方位指向精度＜0.5°时，无人机自主降落；
确认无人机降落后，无人机归中、锁紧机构释放、降至底部、关闭舱门，起降装置收藏至方位、俯仰、横滚零位。
当无人机起飞指令下达后，姿态调整机构自动增稳，隔离载体扰动，保证平台处于水平；此时，舱门自动打开，无人机升至起飞位，伺服控制器通过5G模块接收无人机航线第一目标点位置信息，并融合惯性导航模块做数据融合，计算姿态调整机构方位指向角度，保证载体移动过程中，停机坪始终朝向任务航线第一目标点，无人机垂直起降至设定高度后，最短距离飞向第一目标点，无需空中调整机头，节省电量，快速到达第一目标点。
当无人机移动降落过程中，姿态调整机构水平稳定，隔离载体扰动；伺服控制器通过5G模块接收无人机航向信息，并融合惯性导航模块做数据融合，计算姿态调整机构方位指向角度，保证停机坪与机头方向一致；无人机在移动降落中无需进行机头调整，降低移动降落难度，缩短降落时间，节省无人机电量。
无人机起、降后，停机坪自动进行无人机归位、锁紧、收藏、充电、舱门自动关闭等全自主流程，无需人为干预，停机坪收藏后可对无人机进行有效防护。
无人机任务结束，停机坪收藏后，姿态调整机构自动归零，保持与载体（车身或船体）相对位置一致，不在进行姿态调整，节省能量损耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机动态起降装置，安装在载体基座上，其特征在于：包括姿态调整机构(1)、以及设置在姿态调整机构(1)上的停机坪(2)，姿态调整机构(1)设置在载体基座上，用于动态调整停机坪(2)的位姿状态，停机坪内设有用于存放无人机的停机位；
姿态调整机构(1)和停机坪(2)均连接控制器，控制器包括控制电路板，控制电路板上集成配置有伺服控制模块，伺服控制模块用于数据实时解析， 伺服控制模块连接有惯性导航模块和5G模块，通过5G模块进行信息交互，将无人机航线及姿态信息实时回传至伺服控制模块，并将载体信息实时回传给无人机；
所述控制器用于起飞前接收无人机任务航线第一目标点信息，并计算目标角度值，根据计算的目标角度值调整姿态调整机构(1)以使停机坪(2)实时指向第一目标点，保证机头始终朝向第一目标点；所述控制器用于降落前接收无人机航向信息，并计算姿态调整机构(1)方位指向角度，根据计算的方位指向角度调整姿态调整机构(1)以使停机坪(2)进行水平调整，保证停机坪(2)朝向与机头始终保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种无人机动态起降装置，其特征在于：姿态调整机构(1)包括方位转台(11)、俯仰转台(12)和横滚转台(13)；方位转台(11)设置在载体基座上，方位转台(11)用于调节停机坪(2)的水平旋转角度，俯仰转台(12)转动设置在方位转台(11)的顶部，俯仰转台(12)为U形结构，俯仰转台(12)用于调节停机坪(2)的俯仰角度，横滚转台(13)转动安装在俯仰转台(12)上，停机坪(2)固定设置在横滚转台(13)上，横滚转台(13)用于调节停机坪(2)的横滚角度。
3.根据权利要求2所述的一种无人机动态起降装置，其特征在于：方位转台(11)包括固定基座(111)和方位转盘(112)，固定基座(111)上设有多组固定孔，固定基座(111)通过螺栓固定安装在载体基座上，固定基座(111)与方位转盘(112)之间装配安装有齿轮一(113)，方位转盘(112)上固定设置有方位电机(114)，方位电机(114)的输出轴端安装有齿轮二(115)，齿轮二(115)与齿轮一(113)相啮合，方位转盘(112)上还固定设置有方位编码器(116)，方位编码器(116)的主轴端安装有齿轮三(117)，齿轮三(117)也与齿轮一(113)相啮合；
俯仰转台(12)包括支撑架(121)和转向架(122)，支撑架(121)固定设置在方位转盘(112)上，支撑架(121)的侧板上固定设置有俯仰电机(123)，俯仰电机(123)的输出轴固定设置有齿轮四(124)，支撑架(121)的两侧板内壁上设有多组对应的滚轮(125)，两侧滚轮(125)之间设有用于安装转向架(122)的安置位，转向架(122)为U形结构，转向架(122)的底端设有与齿轮四(124)啮合的弧形齿条一(126)，转向架(122)的两侧外壁上固设有与滚轮(125)配合的弧形凸起部(127)，支撑架(121)的另一侧板上设有记录转向架(122)转向角度的俯仰编码器(128)；
横滚转台(13)包括角度调节板(131)、横滚电机(132)和横滚编码器(133)，角度调节板(131)的数量为两组，两组角度调节板(131)对应转动安装在转向架(122)的两端，两组角度调节板(131)之间留有用于安装停机坪(2)的空隙，两组角度调节板(131)的底端均设有弧形齿条二(134)，横滚电机(132)和横滚编码器(133)通过固定板(135)安装在转向架(122)上，横滚电机(132)的输出轴端固定设置有齿轮五(136)，齿轮五(136)与其中一组角度调节板(131)上设有的弧形齿条二(134)相啮合，横滚编码器(133)的主轴端安装有齿轮六(137)，齿轮六(137)与另一组角度调节板(131)上设有的弧形齿条二(134)相啮合。
4.根据权利要求3所述的一种无人机动态起降装置，其特征在于：停机坪(2)包括上舱体(21)和下舱体(22)，上舱体(21)的顶端设有开合的舱门(212)，上舱体(21)内设有对无人机自动归位居中的归位机构(23)，下舱体(22)内设有升降机构(24)和充电机构(25)，上舱体(21)的底板中心位置设有供升降机构(24)上下升降的通孔，升降机构(24)的升降平台上设有与充电机构(25)的充电电极对应的贯穿孔，升降机构(24)控制归位后的无人机与充电机构(25)的充电电极精准对接。
5.根据权利要求4所述的一种无人机动态起降装置，其特征在于：控制器固定设置在方位转台(11)的固定基座(111)上，惯性导航模块设置在载体上，用于感知载***置、姿态和航向信息，5G模块的数量为两组，一组安装在无人机上，另一组安装在载体上。
6.根据权利要求5所述的一种无人机动态起降装置，其特征在于：控制电路板上还集成配置有用于控制方位电机(114)工作的方位驱动单元、用于控制俯仰电机(123)工作的俯仰驱动单元和用于控制横滚电机(132)工作的横滚驱动单元，方位驱动单元、俯仰驱动单元和横滚驱动单元均连接伺服控制模块；
姿态调整机构(1)、停机坪(2)和控制器均连接电源模块。
7.一种应用于权利要求6所述的一种无人机动态起降装置的动态起降方法，其特征在于：包括起飞方法，所述起飞方法包括如下步骤：
A1、无人机接收起飞指令执行飞行任务，姿态调整机构自动增稳，隔离载体扰动，保证起降装置处于水平状态；
A2、判断步骤A1中的起降装置水平稳定精度是否符合起飞要求；若符合，则停机坪自动打开舱门，无人机升至起飞位；若不符合，则调整起降装置水平状态，直至符合起飞要求；
A3、对升至起飞位后的无人机，伺服控制模块通过5G模块接收无人机航线第一目标点位置信息，并与惯性导航模块进行数据融合处理，计算姿态调整机构方位指向角度，停机坪带动无人机，无人机机头实时指向航线第一目标点；
A4、判断步骤A3中的起降装置方位指向精度是否符合指向起飞要求；若符合，则进行下一步；若不符合，则调整起降装置方位指向直至符合指向起飞要求；
A5、起降装置方位符合指向起飞要求，锁紧机构释放，无人机解锁起飞；此时，停机坪关闭舱门，姿态调整结构收藏至零位。
8.根据权利要求7所述的一种无人机动态起降方法，其特征在于，步骤A3具体方法为：
利用无人机航线第一目标点和惯性导航模块的经度、纬度和高度信息，计算出地球坐标系下载体指向无人机航线第一目标点的方向向量，再融合载体惯性导航模块当前姿态信息，利用坐标变换方式进行目标角度计算，计算出姿态调整机构的方位指向角度；
其中，无人机航线第一目标点的方向向量计算表达式为：
地球坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 658543DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 149567DEST_PATH_IMAGE002
为地球半径，
Figure 145336DEST_PATH_IMAGE003
为无人机航线第一目标点的经度、纬度、高度，
Figure 659494DEST_PATH_IMAGE004
为载体的经度、纬度、高度；
利用载体的经度、纬度信息可以得到地球坐标系与当地水平面坐标系的变换矩阵为
Figure 913758DEST_PATH_IMAGE005
，从而计算出当地水平面坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 931392DEST_PATH_IMAGE006
；
当地水平面坐标系到载体坐标系的变换矩阵为：
Figure 566904DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 427413DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 360734DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 108241DEST_PATH_IMAGE010
为方位转台、横滚转台、俯仰转台角度值；
载体坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 836025DEST_PATH_IMAGE011
姿态调整模块的方位角为：
Figure 183830DEST_PATH_IMAGE012
。
9.根据权利要求7所述的一种无人机动态起降方法，其特征在于：还包括降落方法，所述降落方法包括如下步骤：
B1、无人机接收任务结束指令执行降落任务，姿态调整机构水平增稳，隔离载体扰动；
B2、判断步骤B1中的起降装置水平稳定精度是否符合降落要求；若符合，则停机坪自动打开舱门，升降平台升至顶端；若不符合，则调整起降装置水平状态，直至符合降落要求；
B3、升降平台升至顶端后，伺服控制模块通过5G模块接收无人机航向信息，并与惯性导航模块进行数据融合处理，计算姿态调整机构方位指向角度，保证停机坪与无人机机头方向一致；
B4、判断步骤B3中的起降装置方位指向精度是否符合指向降落要求；若符合，则进行下一步；若不符合，则调整起降装置方位指向直至符合指向降落要求；
B5、起降装置方位符合指向起飞要求，无人机自主降落；归位机构、锁紧机构和升降机构动作，将无人机降落至停机坪内，充电机构对无人机自动充电，停机坪关闭舱门，姿态调整机构归零。
10.根据权利要求9所述的一种无人机动态起降方法，其特征在于，步骤B3具体方法为：
伺服控制模块将无人机航向信息与惯性导航模块当前姿态信息进行数据融合，利用坐标变换方式进行目标角度解算，计算出姿态调整机构的方位指向角度；
无人机降落时航向角度为
Figure 465382DEST_PATH_IMAGE013
，为保证无人机快速平稳降落，降低移动降落难度，停机坪 方位空间角度也需调整为
Figure 457609DEST_PATH_IMAGE013
；
当地水平面坐标系下，载体指向无人机的方向向量为：
Figure 746508DEST_PATH_IMAGE014
；
当地水平面坐标系到载体坐标系的变换矩阵为：
Figure 191396DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 76306DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 516515DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 320523DEST_PATH_IMAGE010
为方位转台、横滚转台、俯仰转台角度值；
载体坐标系下，载体指向无人机航线第一目标点的方向向量为：
Figure 393652DEST_PATH_IMAGE011
；
姿态调整模块的方位角为：
Figure 941308DEST_PATH_IMAGE012
。
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