CN102224078A - 无人机在靠近平台尤其海上平台以降落阶段的导航系统 - Google Patents

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Abstract

无人机在靠近平台特别是海上平台以进行降落的阶段的导航系统，其特征在于，平台配有下滑坡度引导设备，该设备在预定的角域上从水平面发射引导光束阵列，并且无人机配有光束采集摄影机(6)，该摄影机与图像分析装置(7)和无人机自动驾驶装置(9)的控制指令的计算装置(8)连接，以便使无人机追随引导光束。

Description

无人机在靠近平台尤其海上平台以降落阶段的导航系统
技术领域
本发明涉及无人机的在靠近平台以降落阶段的导航系统。
更特别的是，本发明涉及这种无人机在靠近平台例如尤其海上平台以降落的阶段的导航系统。
背景技术
已知该引导问题是自多年来现在得到发展的关键问题。
实际上，已经提出过基于GPS(全球定位系统)或雷达技术的针对此类应用的引导方法。
但是，在海上平台的特殊应用范围内，这些系统需要控制该平台，特别是了解它的运动和它的设备。
对这些问题还要加上保证回收无人机的困难，而无人机的位置常常是通过GPS测量的，由于卫星星座周跳、多路径又或干扰等，GPS的可用性不能在每个时刻都得到保证。
发明内容
因此，本发明的目的是解决这些问题。
为此，本发明的目标是无人机在靠近平台尤其是海上平台以便进行降落的阶段的导航系统，其特征在于，平台配有下滑坡度指示设备，该设备从水平出发在预定的角域上发射引导光束阵列(éventail)，并且无人机配有光束采集摄影机，该摄影机与图像分析装置和无人机自动驾驶装置的控制指令的计算装置连接，以便带引无人机追随着引导光束。
根据本发明的其它方面，导航系统包括以下特征中的一个或几个：
-引导光束阵列包括从水平面起上升并置的三个不同颜色的光束；
-第一光束为红色，第二光束为绿色，第三光束为黄色；
-第一光束的上升开角为4°，第二光束的上升开角为2°，第三光束的上升开角为8°；
-光束具有为30°的方位开角；
-光束在方位角上分为27°的第一左舷角域和在第一左舷角域的右侧的为3°的第二右舷角域；
-在第一左舷角域中，红色光束以1秒的周期闪烁，绿色光束不闪烁，黄色光束以2秒的周期闪烁，而在第二右舷角域中，所有光束以0.5秒的周期闪烁；
-图像分析装置适于向计算装置传送摄影机所感知的光束颜色信息和由光束闪烁周期确定的角域信息，并且无人机自动驾驶装置的控制指令的计算装置适于根据以下关系确定无人机的纵向速度Vx、侧向速度Vy和爬升速度Vz：
-如果感知光束的颜色为红色，则Vx＝Vcruise×0.22并且Vz＝Vzmax，其中Vcruise是无人机的巡航速度，Vzmax是无人机的最大爬升速度，这些速度预定单位为米/秒；
-如果感知光束的颜色为绿色，则Vx＝Vcruise×3/5并且Vz＝Vzmax；
-如果感知光束的颜色为黄色，则Vx＝Vcruise×3/5并且Vz＝-Vzmax；并且
-如果没有感知到任何光束，则Vx＝0并且Vz＝-Vzmax；和
-如果感知角域为所述第一左舷角域，则Vy＝-2；
-如果感知角域为所述第二右舷角域，则Vy＝7；和
-如果没有感知到任何角域，则Vy＝0；
-计算装置调适于考虑平台的移动速度；和
-所述平台是水面船舶；并且，所述下滑坡度指示设备在该水面船舶上横摇和俯仰稳定。
附图说明
借助下面仅作为例子给出并参照以下附图进行的描述，可以更好地了解本发明：
-图1表示配有属于符合本发明的导航系统构成部分的角域的下滑坡度指示设备的海上平台；
-图2表示这种设备发射的光束阵列；
-图3、4和5表示引导无人机时无人机所追随的理想轨迹；和
-图6表示框图，其示出包括集成在无人机中用以保证所述追随的不同装置。
具体实施方式
图1中实际上示出无人机在靠近平台特别是海上平台的阶段的导航系统。
该平台在该图中用总参考标号1表示，并且例如在后部具有无人机降落区。
实际上，该平台配有下滑坡度指示设备，该设备自水平面起在预定的角域上发射引导光束阵列。
在无人机方面，无人机配有光束采集摄影机，该摄影机与图像分析装置和无人机自动驾驶装置的控制指令的计算装置连接，以便使无人机追随引导光束。
在图1中，引导光束阵列用总参考标号2表示。
实际上，该引导光束阵列可包括三个从水平面起上升的颜色不同的并置光束，例如在该图1中分别用参考标号3、4和5表示的光束。
因而第一光束3可以是红色，第二光束4可为绿色，而第三光束5可为黄色。
另外，第一光束可具有为4°的上升开角，第二光束可具有为2°的上升开角，第三光束可具有为8°的上升开角。
这些光束还可以具有为30°的方位开角，这些光束在方位开角上分为27°的第一左舷角域和在第一左舷角域右侧的成3°的第二右舷角域。
另外，在这样确定的不同角域中，光束还能以不同的周期闪烁。
因此例如，在第一左舷角域中，红色光束能以1秒的周期闪烁，绿色光束不闪烁，而黄色光束能以2秒的周期闪烁。
在第二右舷角域中，所有光束以0.5秒的周期闪烁。
这在图2中示意地表示，在该图2中实际上看到颜色分别为红、绿、黄的相应第一、第二和第三光束3、4和5。
图2中还示出所述光束的为30°的方位开角，其中第一角域为27°，第二角域为3°。
因而如在图3、4和5中所示的，发现可确定无人机靠近平台的理想轨迹，而使无人机追随如图所示的轨道，在这些图中该轨道在第二和第三光束的左舷角域和右舷角域之间的结合处用粗黑线表示。
为此，如图6所示，无人机配有在该图中用总参考标号6表示的光束采集摄影机，摄影机的输出端与用总参考标号7表示的图像分析装置连接。
这些分析装置本身与无人机自动驾驶装置的控制指令的计算装置连接，以便带引无人机追随引导光束，指令计算装置用总参考标号8表示，无人机自动驾驶装置用总参考标号9表示。
因而可理解，该链条允许图像分析装置给计算装置传送从光束闪烁周期确定的角域信息和光束颜色信息，例如摄影机所感知的信息，以便使无人机自动驾驶装置的控制指令的计算装置确定该无人机的纵向速度Vx、侧向速度Vy和爬升速度Vz。
计算这些不同速度的算法因而可以如下：
如果感知光束的颜色为红色，则Vx＝Vcruise×0.22并且Vz＝Vzmax，Vcruise为无人机的巡航速度，Vzmax为它的最大爬升速度，这些速度例如通过无人机的制造者预先确定单位为米/秒。
相反，如果感知光束的颜色为绿色，则Vx＝Vcruise×3/5并且Vz＝Vzmx。
最后，如果感知光束的颜色为黄色，则Vx＝Vcruise×3/5并且Vz＝-Vzmax。
相反，如果没有感知任何光束，则Vx＝0并且Vz＝-Vzmax。
同样，如果感知角域为第一左舷角域，则Vy＝-2，并且如果感知角域为第二右舷角域，则Vy＝7。
如果没有感知到任何角域，则Vy确定为0。
则发现，这些驾驶指令允许无人机以或大或小的精度追随如前面确定的理想轨迹。
还要指出的是，在平台是船舶、例如水面船舶的情况下，下滑坡度指示设备因而以传统方式横摇和俯仰稳定。
同样，计算装置可调适于考虑平台的移动速度，以便进一步提高轨迹追踪的精度。
因而发现，在这种系统中，所述装置允许通过无人机的摄影机观察下滑坡度指示器的闪烁，然后向无人机给出纵向速度和侧向速度的指令，以便该无人机沿循着作为需保持的下降轨道的该下滑坡度指示器的频率过渡区。
形成的轨迹因而可以接近直升飞机在进场时的轨迹，以使目视安全控制对于例如在平台上的装载飞行官员相同。
这种系统因而完全是光学的，并且允许在GPS信号可能被刻意干扰或以一种方式或另一种方式使该信号不可用的区域回收无人机，而这是在这种下滑坡度指示器的光学范围内。
在平台与无人机之间完全失去连接又或GPS干扰的情况下，并且如果无人机在光学范围外，平台因而可以移动，以便通过在估计的无人机方向上发射光束阵列来寻找无人机。
在下滑坡度指示设备横摇和俯仰稳定的情况下，该无人机的轨迹同样与平台的横摇与俯仰无关，并且因而无人机通过追随着下降轨道重新追随船舶的艏摇运动。
总之，可以认为，最后，理想下滑坡度可被确定在4°。
由于下滑坡度指示装置可具有1.5NM的范围，因而该系统允许从固定高度并在平台后较远的会合位点引导无人机，直到通过短范围精确降落传感器负载无人机的位点。
这种设备还可引领例如没有无线电频率连接的无人机。
还要注意的是，当计算装置考虑了平台移动速度时，可以明显提高引导精度。
实际上，相对最佳引导轨道的误差因而更稳定。
这可减少降落过程持续时间，因为无人机追随一条短得多的路径，并且无人机围绕轨道的摆动更少。
实际上，还要注意的是，光束阵列的采集和处理的频率在导航精度中起非常重要的作用。
模拟已经验证了在大型护卫舰后方直达20m的距离上并且5级风力海况和45度后浪来对无人机进行引导，无人机以多于每秒5米的速度进行降落。
因而可看出，该系统相对现有技术中的已知结构具有相当数量的优点。
当然尽管所描述的实施例涉及此类设备在海上平台上的安装，但是根据本发明的系统还可应用于任何其他降落平台，并且下滑斜坡指示设备还可由可以临时和暂时地安装在海上平台或任何其它平台如陆上降落平台上的活动模块构成。

Claims (10)

1.无人机在靠近平台特别是海上平台(1)以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述平台配有下滑坡度指示设备，所述下滑坡度指示设备从水平面在预定的角域上发射引导光束阵列(2)；并且，所述无人机配有光束采集摄影机(6)，所述摄影机与图像分析装置(7)和无人机自动驾驶装置(9)的控制指令的计算装置(8)连接，以便带引所述无人机追随所述引导光束。
2.如权利要求1所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述引导光束阵列包括从水平面升高并置并且具有不同颜色的三个光束(3、4、5)。
3.如权利要求2所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，第一光束(3)为红色，第二光束(4)为绿色而第三光束(5)为黄色。
4.如权利要求2或3所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，第一光束(3)的上升开角为4°，第二光束(4)的上升开角为2°，并且第三光束(5)的上升开角为8°。
5.如权利要求2、3或4所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述光束的方位开角为30°。
6.如权利要求5所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述光束在方位角上分为27°的第一左舷角域和在所述第一左舷角域右侧的为3°的第二右舷角域。
7.如权利要求6所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，在所述第一左舷角域中，红色光束(3)以1秒的周期闪烁，绿色光束(4)不闪烁和黄色光束(5)以2秒的周期闪烁，而在所述第二右舷角域中，所有光束(3、4、5)以0.5秒的周期闪烁。
8.如权利要求7所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述图像分析装置(7)适于给所述计算装置(8)传送由所述摄影机(6)感知的基于光束闪烁周期确定的角域信息与光束颜色信息；并且，所述无人机自动驾驶装置的控制指令的计算装置(8)适于根据以下关系确定所述无人机的纵向速度Vx、侧向速度Vy和爬升速度Vz：
-如果感知光束的颜色为红色，则Vx＝Vcruise×0.22并且Vz＝Vzmax，其中Vcruise是无人机的巡航速度，Vzmax是无人机的最大爬升速度，这些速度预定单位为米/秒；
-如果感知光束的颜色为绿色，则Vx＝Vcruise×3/5并且Vz＝Vzmax；
-如果感知光束的颜色为黄色，则Vx＝Vcruise×3/5并且Vz＝-Vzmax；并且
-如果没有感知到任何光束，则Vx＝0并且Vz＝-Vzmax；
-如果感知角域为所述第一左舷角域，则Vy＝-2；
-如果感知角域为所述第二右舷角域，则Vy＝7，和
-如果没有感知到任何角域，则Vy＝0。
9.如权利要求8所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述计算装置(8)调适于考虑所述平台的移动速度。
10.如上述权利要求中任一项所述的无人机在靠近平台特别是海上平台以降落阶段的导航系统，其特征在于，所述平台是水面船舶(1)；并且，所述下滑坡度指示设备在该水面船舶上横摇和俯仰稳定。
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