CN112051858A - 移动载体的无人机动态回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种移动载体的无人机动态回收方法，包括搭载在无人机上的飞控系统和设置有停机坪的移动载体；飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换，并且根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离；无人机进入预设距离，飞控系统开启自动跟踪系统，保持无人机在预设距离内跟随移动载体持续移动；飞控系统开启辅助降落系统，识别并定位停机坪位置，无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪；该方法通过以上的步骤，实现无人机与移动载体之间根据不同位置距离切换使用不同精度的定位方式，以确保最终的精确降落。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种移动载体的无人机动态回收方法。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”（“UAV”），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行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞机的研制工作。
车载无人机是一种以陆地车辆为基站的机种，具有较好的侦查能力以及机动性强的特点，能最大程度的适应陆地的工作环境以及自然环境；现有的无人机的定位与导航只能依靠GPS和惯性导航系统，但在惯性导航系统中，由于其传感器容易受到外界环境干扰，因此导致定位精度低；在GPS定位系统中，由于地形、人造建筑物等因素的限制，局部地区GPS信号较弱或者无GPS信号，因此这些区域也无法依靠GPS实现定位，故亟需一种根据无人机相对于动态基站的距离改变定位方式，从而实现无人机的精准定位和精准起降的方案。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种移动载体的无人机动态回收方法，能够使无人机根据无人机相对移动载体的相对位置，进行定位方式以及定位网络的切换，从而实现无人机在接近移动载体时精准的定位和起降。
为实现上述目的，本发明提供一种移动载体的无人机动态回收方法，包括搭载在无人机上的飞控系统和设置有停机坪的移动载体；
飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换，并且根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离；
无人机进入预设距离，飞控系统开启自动跟踪系统，保持无人机在预设距离内跟随移动载体持续移动；
飞控系统开启辅助降落系统，识别并定位停机坪位置，无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪。
作为优选：飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换的过程中，数据交换包括对无人机和移动载体的经纬度、运动方向和运动速度的数据交换。
作为优选：根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离的过程中，定位信号由移动载体上的GPS、北斗和伽利略组成的定位系统发出。
作为优选：飞控系统开启自动跟踪系统的过程中包括：飞控系统由定位系统控制切换为自组网信号控制，移动载体将实时的前进方向以及实时的位置信息通过自组网传送至飞控系统，飞控系统根据位置信息和前进方向信息进行实时飞行线路的计算，根据计算的飞行路线跟踪并缓慢靠近移动载体、
作为优选：飞控系统开启辅助降落系统之前，还包括一个步骤：飞控系统接收移动载体的实时位置信息，并且计算无人机与移动载体之间的相对距离，根据相对距离控制无人机进入第二预设距离。
作为优选：辅助降落系统包括复合传感器，通过复合传感器内设置的超声波传感器、激光传感器以及光流传感器识别并定位停机坪位置。
作为优选：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程包括：超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与移动载体之间的垂直距离，光流传感器用于获取无人机与移动载体之间的水平距离。
作为优选：停机坪上设置有用于光流传感器识别的识别标志，光流传感器用于获取无人机与移动载体之间的水平距离时，通过摄像头采集识别标志的图像数据，通过光流算法计算图像数据中两帧识别标志的位移，从而获得无人机与移动载体之间的水平位移。
作为优选：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程包括：无人机通过复合传感器获取无人机与移动载体之间的精确距离，并将距离数据通过自组网实时传输至移动载体。
作为优选：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程还包括：移动载体上还设置有机械臂，无人机靠近所述停机坪至一个预设的距离时，以一个与移动载体相对静止的飞行状态进行飞行，此时机械臂启动并抓取无人机，引导无人机减速停靠至停机坪。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的一种移动载体的无人机动态回收方法，包括搭载在无人机上的飞控系统和设置有停机坪的移动载体；飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换，并且根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离；无人机进入预设距离，飞控系统开启自动跟踪系统，保持无人机在预设距离内跟随移动载体持续移动；飞控系统开启辅助降落系统，识别并定位停机坪位置，无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪；该方法通过以上的步骤，实现无人机与移动载体之间根据不同位置距离切换使用不同精度的定位方式，以确保最终的精确降落。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
现有的无人机的定位与导航只能依靠GPS和惯性导航系统，但在惯性导航系统中，由于其传感器容易受到外界环境干扰，因此导致定位精度低；在GPS定位系统中，由于地形、人造建筑物等因素的限制，局部地区GPS信号较弱或者无GPS信号，因此这些区域也无法依靠GPS实现定位，故亟需一种根据无人机相对于动态基站的距离改变定位方式，从而实现无人机的精准定位和精准起降的方案。
具体的为本发明提供的一种移动载体的无人机动态回收方法，请参阅图1，该方法包括搭载在无人机上的飞控系统和设置有停机坪的移动载体；
飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换，并且根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离；
无人机进入预设距离，飞控系统开启自动跟踪系统，保持无人机在预设距离内跟随移动载体持续移动；
飞控系统开启辅助降落系统，识别并定位停机坪位置，无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪；
移动载体可以为搭载地面控制站的车、船，但不限于此；由于移动载体始终处于一个动态运动的状态，故飞控系统与移动载体的数据交换是实时刷新的，也处于一个动态交换状态。
其中一个实施例提及：飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换的过程中，数据交换包括对无人机和移动载体的经纬度、运动方向和运动速度的数据交换；飞控系统接收到移动载体的经纬度、运动方向和运动速度信息，通过内部计算可以迅速规划出回飞移动载体的最佳路线；移动载体接收到无人机的经纬度、运动方向和运动速度的信息，可以将其显示在载体控制端上，由于无人机的回飞路径极有可能是移动载体行经过的路径，移动载体根据收集到的环境信息结合接收到的无人机经纬度、运动方向和运动速度的信息，可以辅助无人机计算出最佳路线，避免回飞路径上可能产生的意外情况。
其中一个实施例提及：根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离的过程中，定位信号由移动载体上的GPS、北斗和伽利略组成的定位系统发出；多种定位系统组成的综合定位系统，可以确保在远距离端回飞的无人机的定位以及运动方向的准确性，采用单一的定位系统存在定位精度不高，在信号干扰严重地区容易受电磁干扰导致定位信号不稳定的问题，由于第一阶段的回飞是长距离的，并且目的是为了使无人机靠近移动载体至预设距离以内，故选择的定位方式并不需要具备非常高的精度。
其中一个实施例提及：飞控系统开启自动跟踪系统的过程中包括：飞控系统由定位系统控制切换为自组网信号控制，移动载体将实时的前进方向以及实时的位置信息通过自组网传送至飞控系统，飞控系统根据位置信息和前进方向信息进行实时飞行线路的计算，根据计算的飞行路线跟踪并缓慢靠近移动载体；预设的距离大约为水平方向距离100m之内，此时采用定位系统进行控制精度不高，并且在此范围内对飞机的精准控制较为重要，需要将飞机的定位精度提高，采用自组网的控制方式可以实现控制信号的稳定传输，并且定位精度相对定位系统的定位也略有提升。
其中一个实施例提及：飞控系统开启辅助降落系统之前，还包括一个步骤：飞控系统接收移动载体的实时位置信息，并且计算无人机与移动载体之间的相对距离，根据相对距离控制无人机进入第二预设距离；在飞控系统开启自动跟踪系统后，无人机跟随移动载体的移动的同时，缓慢靠近移动载体，并且在靠近的同时与移动载体保持持续的位置距离信息交换，在进入大约为3m的第二预设距离时，无人机开启辅助降落系统，辅助降落系统的定位精度远高于定位系统和自动跟踪系统。
其中一个实施例提及：辅助降落系统包括复合传感器，通过复合传感器内设置的超声波传感器、激光传感器以及光流传感器识别并定位停机坪位置；超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点；激光测距传感器：先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离；一个摄像头采集图像数据，然后采用光流算法计算两帧图像的位移，进而实现对无人机的定位。
其中一个实施例提及：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程包括：超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与移动载体之间的垂直距离，光流传感器用于获取无人机与移动载体之间的水平距离；超声波传感器以及激光传感器同样可以用于获取无人机与移动载体之间水平方向的位移，但是由于停机坪的水平方向上可用于反射的遮挡物较少，故采用超声波传感器以及激光传感器获取水平方向上的位移的精度低于采用光流传感器获取水平方向上的位移。
其中一个实施例提及：停机坪上设置有用于光流传感器识别的识别标志，识别标志主要用于光流传感器的拍摄识别用，光流传感器用于获取无人机与移动载体之间的水平距离时，通过摄像头采集识别标志的图像数据，通过光流算法计算图像数据中两帧识别标志的位移，从而获得无人机与移动载体之间的水平位移；具体的无人机先通过摄像头获取多张车载上降落点的图像，在拍摄过程中无人机和车载均在运动过程中；采集得到多张图像后，相邻两帧图像之间具有两个特点，第一是两者的灰度值不变，第二是相邻的两帧像素具有相对运动；基于上述两个特点可以得下述关系式：I(x，y，t)=I(x+dx，y+dy，t+dt)；其中I(x，y，t）表示在时间dt后移动到第二帧图像（x+dx,y+dy）的位置，经过变换后并微分后就可以得到灰度值在X方向、Y方向上的梯度；但是上述方法是无法得到无人机在X方向上的速度u和在Y方向上的速度v，为了解决这个问题，进一步可以采用经典的lucas-Kanade方法来进行求解；得到U和V的值；最后利用积分定位得到无人机车载降落点之间的相对位置，由于U和V均是无人机相对车载在水平面上的速度分量，最终得到的相对位置也就是无人机与车载在水平面上的相对位置。
其中一个实施例提及：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程包括：无人机通过复合传感器获取无人机与移动载体之间的精确距离，并将距离数据通过自组网实时传输至移动载体；由于处于无人机停靠步骤，靠近时对无人机和移动载体之间的距离要求比较高，故需要进行实时的数据交换，来保证无人机和移动载体在缓慢靠近的同时避免碰撞。
其中一个实施例提及：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程还包括：移动载体上还设置有机械臂，无人机靠近停机坪至一个预设的距离时，以一个与移动载体相对静止的飞行状态进行飞行，此时机械臂启动并抓取无人机，引导无人机减速停靠至停机坪；无人机进入一个预设的距离，该距离为机械臂可抓持无人机的最大距离，进入该预设距离的同时无人机将距离信息传输至移动载体，移动载体和无人机判断无人机与移动载体之间的距离是否小于预设距离，当判定为小于预设距离时无人机保持与移动载体的相对静止速度飞行，移动载体控制机械臂对无人机进行抓持，当手臂抓持到无人机后，无人机逐渐减速至完全停止飞行，此时由机械臂引导无人机直至完全停靠至停机坪。
本发明的优势在于：
1、本发明根据无人机相对移动载体的不同距离范围，采用不同精度的定位方式，并且采用不同控制系统的切换，实现无人机相对动态移动载体的精准回收。
2、GPS、北斗和伽利略组成的定位系统，实现低精度定位的稳定性，避免定位中断的情况发生。
3、设置了复合传感器，通过复合传感器内的超声波传感器以及激光传感器对无人机与移动载体之间垂直方向距离的获取以及光流传感器对无人机与移动载体之间水平方向距离的获取，实现高精度的降落定位。
4、回收过程中数据传递方式的切换以及实时的数据传输，保证了不同时刻位置的准确性，提高了定位精度。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：包括搭载在无人机上的飞控系统和设置有停机坪的移动载体；
飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换，并且根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离；
无人机进入预设距离，飞控系统开启自动跟踪系统，保持无人机在预设距离内跟随移动载体持续移动；
飞控系统开启辅助降落系统，识别并定位停机坪位置，无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪。
2.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：飞控系统接收到来自移动载体的回飞指令，与移动载体进行数据实时的数据交换的过程中，数据交换包括对无人机和移动载体的经纬度、运动方向和运动速度的数据交换。
3.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：根据移动载体发出的定位信号靠近移动载体直至无人机进入预设距离的过程中，定位信号由移动载体上的GPS、北斗和伽利略组成的定位系统发出。
4.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：飞控系统开启自动跟踪系统的过程中包括：飞控系统由定位系统控制切换为自组网信号控制，移动载体将实时的前进方向以及实时的位置信息通过自组网传送至飞控系统，飞控系统根据位置信息和前进方向信息进行实时飞行线路的计算，根据计算的飞行路线跟踪并缓慢靠近移动载体。
5.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：飞控系统开启辅助降落系统之前，还包括一个步骤：飞控系统接收移动载体的实时位置信息，并且计算无人机与移动载体之间的相对距离，根据相对距离控制无人机进入第二预设距离。
6.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：辅助降落系统包括复合传感器，通过复合传感器内设置的超声波传感器、激光传感器以及光流传感器识别并定位停机坪位置。
7.根据权利要求6所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程包括：超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与移动载体之间的垂直距离，光流传感器用于获取无人机与移动载体之间的水平距离。
8.根据权利要求7所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：停机坪上设置有用于光流传感器识别的识别标志，光流传感器用于获取无人机与移动载体之间的水平距离时，通过摄像头采集识别标志的图像数据，通过光流算法计算图像数据中两帧识别标志的位移，从而获得无人机与移动载体之间的水平位移。
9.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程包括：无人机通过复合传感器获取无人机与移动载体之间的精确距离，并将距离数据通过自组网实时传输至移动载体。
10.根据权利要求1所述的移动载体的无人机动态回收方法，其特征在于：无人机向停机坪靠近直至停靠至停机坪的过程还包括：移动载体上还设置有机械臂，无人机靠近所述停机坪至一个预设的距离时，以一个与移动载体相对静止的飞行状态进行飞行，此时机械臂启动并抓取无人机，引导无人机减速停靠至停机坪。
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