CN105487550A - 一种飞行装置的自主降落的系统及降落方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种飞行装置的自动降落系统，距离获取模块,用于获取飞行装置与目标标记物之间的距离信息和所述目标标记物与所述飞行装置的机头部分在当前飞行方向上的偏离角度信息；航线设计模块,能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息来设计飞行装置的降落航线，控制飞行装置执行降落。本发明还提供一种飞行装置的自动降落方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行装置降落系统及降落方法，尤其涉及一种飞行装置自主降落系统及降落方法。
背景技术
飞行器的起降是飞行器整个飞行过程中最容易发生故障的阶段，飞行器自主降落功能是飞行器自主飞行功能的先决基础。
现有的无人机降落方法基本上采用手动操控控制端，通过人工的方式降落无人机到指定地点，这种降落方法无法实现自主降落；随着无人机技术的发展，出现的自主降落功能的飞行器大多采用了基于图像数据处理的方法来降落到指定位置上。
CN104932522A公开的自主降落方法是通过基于拍摄的图像数据检测出降落目标点的降落位置上，然后形成控制策略。这种采用图像处理的自主降落方法对图像处理的算法要求较高，当出现相近且相似的降落位置时，降落位置的判断将会出现偏差，导致无人机误降。而且这种方法容易受到障碍物和光线的干扰。
基于以上描述的缺陷，有必要发明一种自主降落方法，使无人机精确自主降落到降落位置上。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种飞行装置的自动降落系统，包括：距离获取模块,用于获取飞行装置与目标标记物之间的距离信息和所述目标标记物与所述飞行装置的机头部分在当前飞行方向上的偏离角度信息；航线设计模块,能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息来设计飞行装置的降落航线，控制飞行装置执行降落。
优选地，所述自动降落系统还包括无线测距模块，能够发送和接收无线信号，实现与降落位置处的所述目标标记物之间的信号传输；所述距离获取模块根据所述无线测距模块发送和接收所述无线信号的时间获取所述无线信号在空中的传输时间，并基于所述传输时间来获得所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，所述无线测距模块包括让第一射频单元向所述目标标记物发射第一询问信号并接收来自所述目标标记物的第一响应信号的第一射频定位模块和让第二射频单元向所述目标标记物发射第二询问信号并接收来自所述目标标记物的第二响应信号的第二射频定位模块；其中，所述第一响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第一询问信号后向所述第一射频定位单元所发送的，所述第二响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第二询问信号后向所述第二射频定位单元所发送的；所述第一射频定位模块能够分别记录所述第一射频单元发射所述第一询问信号的第一时间和收到所述目标标记物发射所述第一响应信号的第二时间以及所述目标标记物接收到所述第一询问信号的第三时间和所述目标标记物发出所述第一响应信号的第四时间；第二射频定位模块能够分别记录所述第二射频单元发射所述第二询问信号的第五时间和收到所述目标标记物发射所述第二响应信号第六时间以及所述目标标记物接收到所述第二询问信号的第七时间和所述目标标记物发出所述第二响应信号的第八时间；其中，所述距离获取模块通过将所述第二时间和所述第一时间的差值减去所述第四时间和所述第三时间的差值获取所述第一射频定位单元的第一传输时间，通过将所述第六时间和所述第五时间的差值减去所述第八时间和所述第七时间的差值获取所述第二射频定位单元的第二传输时间，基于所述第一传输时间和所述第二传输时间分别获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第一距离值和第二距离值，并基于所述第一距离值和所述第二距离值以及获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，所述第一射频定位模块还能够让所述第一射频单元向所述目标标记物发送第三响应信号和所述第二射频定位模块还能够让所述第二射频单元向所述目标标记物发送第四响应信号；所述第一射频定位模块还能够分别记录所述第三响应信号、发送所述第三响应信号的第九时间，以及所述目标标记物接收到所述第三响应信号的第十一时间；第二射频定位模块还能够分别记录所述第四响应信号、发送所述第四响应信号的第十时间，以及所述目标标记物接收到所述第四响应信号的第十二时间；其中，所述距离获取模块还通过将所述第十一时间和所述第四时间的差值减去所述第九时间和所述第二时间的差值获取所述第一射频定位单元的第三传输时间，将所述第十二时间和所述第八时间的差值减去所述第十时间和所述第六时间的差值获取所述第二射频定位单元的第四传输时间，并基于所述第三传输时间和第四传输时间获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第三距离值和第四距离值；将所述第一距离值和所述第三距离值相加后除以2作为所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离，将所述第二距离值和所述第四距离值相加后除以2后的距离作为所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离；所述距离获取模块基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离和所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，所述自动降落系统还包括高度测量模块，能够获取所述飞行装置的第一高度；所述距离获取模块基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第一高度和所述目标标记物自身的第二高度获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，所述第一和第二射频定位模块分别具有第一计时模块和第二计时模块，所述第一计时模块能够记录所述第一时间、所述第二时间和所述第九时间，所述第二计时模块能够记录所述第五时间、所述第六时间和所述第十时间；所述目标标记物具有第三计时模块，所述第三计时模块能够记录所述第三时间、所述第四时间、所述第七时间、所述第八时间、所述第十一时间和第十二时间。
优选地，所述航线设计模块能够根据所述飞行装置的第一高度和所述目标标记物的第二高度，控制所述飞行装置竖直飞行，使其高于所述目标标记物。
优选地，所述航线设计模块控制所述飞行装置水平飞行至所述目标标记物的上方，并判断飞行装置是否位于所述目标标记物的上方，当所述航线设计模块判断所述飞行装置位于所述目标标记物的上方后，则控制所述飞行装置竖直降落至所述目标标记物上。
优选地，所述航线设计模块根据所述飞行装置的所述第一高度与所述目标标记物的所述第二高度的差值和所述飞行装置与所述目标标记物之间的距离信息是否相等进行判断所述飞行装置是否位于所述目标标记物的上方。
优选地，所述航线设计模块还包括调整模块，能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息调整所述飞行装置的飞行方向。
优选地，所述自动降落系统还包括拍摄模块；所述拍摄模块能够旋转，能够从不同方位和视角对目标标记物进行拍摄并获取图像信息；所述航线设计模块能够根据所述拍摄模块的拍摄角度以及拍摄的图像判断所述飞行装置相对于所述目标标记物的位置。
优选地，当所述航线设计模块判断飞行装置位于目标标记物的上方后，调整所述拍摄模块竖直向下并执行拍摄，根据目标标记物是否在所述拍摄的图像的中心位置判断所述飞行装置是否位于目标标记物的正上方，最后根据判断的结果控制飞行装置水平飞行或者竖直下降。
优选地，还包括地面终端模块，能够向所述飞行装置发送各种参数或/和各种指令。
本发明还提供一种飞行装置的自动降落方法，包括：距离获取步骤,获取飞行装置与目标标记物之间的距离信息和所述目标标记物与所述飞行装置的机头部分在当前飞行方向上的偏离角度信息；航线设计步骤,能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息来设计飞行装置的降落航线，控制飞行装置执行降落。
优选地，还包括：无线测距步骤，发送和接收无线信号，实现距离获取模块与降落位置处的所述目标标记物之间的信号传输；在所述距离获取步骤中，根据所述无线测距步骤中发送和接收所述无线信号的时间获取所述无线信号在空中的传输时间，并基于所述传输时间来获得所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，所述无线测距步骤包括：让第一射频单元向所述目标标记物发射第一询问信号并接收来自所述目标标记物的第一响应信号和让第二射频单元向所述目标标记物发射第二询问信号并接收来自所述目标标记物的第二响应信号；记录所述第一射频单元发射所述第一询问信号的第一时间和收到所述目标标记物发射所述第一响应信号的第二时间以及所述目标标记物接收到所述第一询问信号的第三时间和所述目标标记物发出所述第一响应信号的第四时间；记录所述第二射频单元发射所述第二询问信号的第五时间和收到所述目标标记物发射所述第二响应信号第六时间以及所述目标标记物接收到所述第二询问信号的第七时间和所述目标标记物发出所述第二响应信号的第八时间；其中，所述第一响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第一询问信号后向所述第一射频定位单元所发送的，所述第二响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第二询问信号后向所述第二射频定位单元所发送的；其中，在所述距离获取步骤中，通过将所述第二时间和所述第一时间的差值减去所述第四时间和所述第三时间的差值获取所述第一射频定位单元的第一传输时间，通过将所述第六时间和所述第五时间的差值减去所述第八时间和所述第七时间的差值获取所述第二射频定位单元的第二传输时间，基于所述第一传输时间和所述第二传输时间分别获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第一距离值和第二距离值，并基于所述第一距离值和所述第二距离值以及获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，在所述无线测距步骤中，让所述第一射频单元向所述目标标记物发送第三响应信号和让所述第二射频单元向所述目标标记物发送第四响应信号；记录所述第三响应信号、发送所述第三响应信号的第九时间，以及所述目标标记物接收到所述第三响应信号的第十一时间；记录所述第四响应信号、发送所述第四响应信号的第十时间，以及所述目标标记物接收到所述第四响应信号的第十二时间；其中，在所述距离获取步骤中，还通过将所述第十一时间和所述第四时间的差值减去所述第九时间和所述第二时间的差值获取所述第一射频定位单元的第三传输时间，将所述第十二时间和所述第八时间的差值减去所述第十时间和所述第六时间的差值获取所述第二射频定位单元的第四传输时间，并基于所述第三传输时间和第四传输时间获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第三距离值和第四距离值；将所述第一距离值和所述第三距离值相加后除以2作为所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离，将所述第二距离值和所述第四距离值相加后除以2后的距离作为所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离；基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离和所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，还包括：高度测量步骤，获取所述飞行装置的第一高度；在所述距离获取步骤中，基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第一高度和所述目标标记物自身的第二高度获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
优选地，在所述航线设计步骤中，根据所述飞行装置的第一高度和所述目标标记物的第二高度，控制所述飞行装置竖直飞行，使其高于所述目标标记物。
优选地，在所述航线设计步骤中，控制所述飞行装置水平飞行至所述目标标记物的上方，并判断飞行装置是否位于所述目标标记物的上方，当所述航线设计模块判断所述飞行装置位于所述目标标记物的上方后，则控制所述飞行装置竖直降落至所述目标标记物上。
优选地，在所述航线设计步骤中，根据所述飞行装置的所述第一高度与所述目标标记物的所述第二高度的差值和所述飞行装置与所述目标标记物之间的距离信息是否相等进行判断所述飞行装置是否位于所述目标标记物的上方。
优选地，所述航线设计步骤还包括调整步骤，根据所述距离信息和所述偏离角度信息调整所述飞行装置的飞行方向。
优选地，还包括：拍摄步骤，从不同方位和视角对目标标记物进行拍摄并获取图像信息；
在所述航线设计步骤中，根据所述拍摄步骤中的拍摄角度以及拍摄的图像判断所述飞行装置相对于所述目标标记物的位置。
优选地，在所述航线设计步骤中，当判断飞行装置位于目标标记物的上方后，调整拍摄模块竖直向下并执行拍摄，根据判断目标标记物是否位于所述拍摄的图像的中心位置判断所述飞行装置是否位于目标标记物的正上方，最后根据判断的结果控制飞行装置水平飞行或者竖直下降。
优选地，还包括：参数或/和指令发送步骤，从地面终端模块向所述飞行装置发送各种参数或/和各种指令。
本发明所提供的飞行装置的自动降落系统，能够精确的实现飞行装置的定点降落，而且不易受到光线等因素的干扰，可以用于一切需要飞行装置与实际物体相接触的作业，例如飞行装置需要充电时将目标标记物放置于充电桩上，或者飞行装置送快递时将目标标记物置于需放置包裹处等等。
附图说明
图1为本发明第一实施例涉及的飞行装置的自主降落系统的结构示意图；
图2为本发明第一实施例所涉及的无线测距模块的结构示意图；
图3为本发明第一实施例所涉及的目标标记物的结构示意图；
图4为本发明第一实施例所涉及的飞行装置的自主降落方法流程图；
图5为本发明第一实施例所涉及的飞行装置探测目标标记物的位置信息的流程图；
图6为本发明例涉及的无线测距模块测量与目标标记物位置的示意图；
图7为本发明第一实施例变更例的飞行装置的自主降落方法流程图；
图8为本发明第二实施例所涉及的飞行装置的自主降落系统的结构示意图；
图9为本发明第二实施例所涉及的飞行装置的自主降落方法流程图。
具体实施方式
下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
在本发明中,可以事先将目标标记物（或追踪器）放置在希望飞行装置降落的位置。通过地面终端向上述飞行装置发送相关的参数和/或指令，上述飞行装置机接收通过地面终端所发送的各种参数和/或包括降落命令在内的各种指令。上述飞行装置在接收到降落命令后探测目标标记物的位置，根据所探测到的目标标记物的位置，飞控系统设计上述飞行装置的降落航线轨迹，上述飞行装置沿航线轨迹降落。
在降落的过程中，不断重复探测目标标记物的位置和根据所探测到的目标标记物的位置设计飞行装置的降落航线轨迹。
另外，在本发明中，还可以通过目标标记物和图像的结合来实现降落航线轨迹的设计。比如，在上述过程中，当上述飞行装置探测到目标标记物的位置后，判断上述目标标记物是否处于安装在上述飞行装置上的摄像头的摄像范围之内，如果上述目标标记物处于上述摄像范围之内，则拍摄上述目标标记物。然后，飞控系统根据上述飞行装置探测到目标标记物的位置和上述摄像头所拍摄到的图像设计上述飞行装置的降落航线轨迹，上述飞行装置沿航线轨迹降落。在降落的过程中，不断重复探测目标标记物的位置、判断上述目标标记物是否处于摄像范围之内以及根据上述飞行装置探测到目标标记物的位置和上述摄像头所拍摄到的图像设计降落航线轨迹。
下面举例说明本发明涉及的飞行装置自主降落系统及降落方法。
实施例1
图1为本实施例涉及的飞行装置的自主降落系统的结构示意图。所述系统包括位于飞行装置10上的无线测距模块1、核心处理模块2、高度测量模块3、存储模块4以及数据接收模块5，还包括地面控制终端20以及设置于目标位置处的目标标记物30。所述飞行装置10上的各模块之间能够进行通信连接和数据传递。所述飞行装置10优选地为无人机。所述飞行装置10能够通过无线通信方式分别与地面控制终端20和目标标记物30进行数据传输。所述目标标记物30可以通过无线通信方式与所述无线测距模块1进行通信连接，从而实现所述目标标记物30与飞行装置10之间的通信连接。所述地面控制终端20可以位于地面上，例如可以是手机APP或者遥控器等终端设备，地面控制终端20以无线通信的方式与飞行装置10进行通信连接。
所述无线测距模块1设置于所述飞行装置10上，包括两个相同的射频定位单元11/11’，所述射频定位单元11和11’分别位于所述飞行装置10的不同位置处。优选地，所述射频定位单元11和11’位于飞行装置10正面且分别位于所述飞行装置10的机头部分的两侧位置。优选地，两个射频定位单元11和11’与所述机头部分沿一直线设置。更优选地，所述两个射频定位单元11和11’距离机头部分的距离相等。图2为所述射频定位单元11/11’的结构示意图。如图2所示所述射频定位单元11/11’包括信号发射单元111、计时单元112、处理单元113、存储单元114和信号接收单元115，所述各单元之间通过数据总线116进行相互的通信连接。其中所述信号发射单元111能够发射无线电信号（即询问信号），所述信号接收单元115能够接收目标标记物30发射的无线电信号，所述处理单元113能够对无线测距模块1所发射和接收到的数据信息进行处理，并根据处理的结果识别特定的射频定位单元发射或接收的无线电信号，同时控制所述信号发射单元111发射无线电信号。所述计时单元112具有计时功能，能够对信号发射单元111发射无线电信号的时间信息和所述信号接收单元115接收到所述目标标记物30所发送的响应信号的时间信息进行记录，所述存储单元114可以存储所述计时单元112所记录的时间信息以及其他数据或信息等，同时所述计时单元112也可以将所记录的时间信息发送到所述核心处理模块2。优选地，所述信号发射单元111为UWB信号发射装置，能够发射UWB信号。上述UWB信号为超宽频信号，具有多频道、高带宽、低功率等优点，工作于3.1GHz～10.6GHz。
返回图1，所述核心处理模块2能够利用无线测距模块1的射频定位单元11和11’发射和接收无线电信号以及发送和接收相关信息等的时间信息计算飞行装置10距离目标标记物30的距离信息、飞行装置10相对于目标标记物30的俯冲角度信息和目标标记物30与当前飞行方向上的飞行装置10的机头部分的偏离角度，并根据该角度信息调整飞行装置10的飞行方向，并根据飞行装置10和目标标记物30的高度信息设计飞行装置10的飞行轨迹，控制飞行装置10精确的降落至目标标记物30处。同时，所述核心处理模块2能够通过数据接收模块5接收地面控制终端20发送的指令信息并控制射频定位单元11和11’发射或接收无线电信号以及发送和接收相关数据信息等的工作，如控制无线电信号发射的频率、信道、时钟等。
所述核心处理模块2包括信息处理单元21、调整单元22以及控制单元23。所述信息处理单元21接收无线测距模块1发送无线电信号的时间信息以及其他数据信息，并根据所述接收到的无线电信号的时间信息等计算出目标标记物30与飞行装置10的距离信息、飞行装置10相对于目标标记物30的俯冲角度信息和目标标记物30与当前飞行方向上的飞行装置10的机头部分的偏离角度信息，同时将计算的距离及偏离角度信息发送至调整单元22并存储于存储模块4。调整单元22根据信息处理单元21计算的目标标记物30与飞行装置10的偏离角度信息，调整飞行装置的飞行方向。所述控制单元23能够根据目标标记物30与飞行装置10的距离信息和目标标记物30与当前飞行方向上的飞行装置10的机头部分的偏离角度信息，以及高度测量模块3测得的飞行装置10的高度和目标标记物的高度信息，设计飞行装置10的飞行轨迹，并控制飞行装置10按照所述飞行轨迹飞行至所述目标标记物30处。
图3为本实施例所涉及的目标标记物的结构示意图。如图3所示，所述目标标记物30包括信号收发单元31、计时单元32、存储单元33、处理单元34以及高度测量单元35，能够通过数据总线36进行通信连接。其中所述信号收发单元31能够接收来自所述无线测距模块1的射频定位单元11和11’的无线电信号或其他数据信息，所述无线电信号为UWB信号（UWB信号为超宽频信号，具有多频道、高带宽、低功率等优点，工作于3.1GHz～10.6GHz）。所述处理单元34能够对所述信号收发单元31所接收到的无线电信号和数据信息进行处理，产生响应信号，并将所述响应信号通过信号收发单元31发送给无线测距模块1和核心处理模块2。所述计时单元32具有计时功能，能够对信号收发单元31接收的来自所述无线测距模块1的无线电信号的时间信息和发送的响应信号的时间信息进行记录。所述存储单元33可以存储所述计时单元32所记录的时间信息以及其他数据信息等，同时所述计时单元32也可以将所记录的时间信息发送到所述核心处理模块2。所述高度测量单元35能够获取目标标记物30的高度信息，并通过信号收发单元31发送至飞行装置10。
图4为本实施例涉及的飞行装置的自主降落方法流程图。如图4所示，首先操作人员将目标标记物30放置于希望无人机降落的预定位置（步骤S1）。然后操作人员通过地面控制终端20向飞行装置10发送降落指令（步骤S2）。飞行装置10的数据接收模块5接收数据信息，由核心处理模块2判断接收到的数据信息是否为降落指令（步骤S3），如果不是（步骤S3为否），则继续接收数据信息；如果是（步骤S3为是），飞行装置10上的高度测量模块3和目标标记物30上的高度测量单元35分别测量飞行装置10的高度h 1与目标标记物的高度h 2，同时目标标记物将其高度h 2发送至飞行装置10（步骤S4）。所述飞行装置10的核心处理模块2判断飞行装置10是否高于目标标记物的高度（步骤S5）；如果高于目标标记物的高度（步骤S5为是），则飞行装置10的无线测距模块1的射频定位单元11和11’分别探测与目标标记物的距离（步骤S6）：飞行装置10通过无线测距模块1的射频定位单元11发送或接收无线电信号获取射频定位单元11与目标标记物30之间的直线距离d 11（具体过程如图5所示），同理能够获取射频定位单元11’与目标标记物30的直线距离d 11’。如果不高于目标标记物的高度（步骤S5为否），则核心处理模块2的控制单元23控制飞行装置10上升，直至飞行装置10高于目标标记物所在高度，优选地，控制飞行装置10飞行至高于目标标记物1～2米的位置高度（步骤S7），然后执行步骤S6。
图5为射频定位单元11探测目标标记物的距离的流程图。具体的，首先在所述核心处理模块2判断接收到所述降落指令后，所述核心处理模块2控制所述射频定位单元11的处理单元113让所述无线信号发射单元111发射带有ID信息的无线电信号（Poll信号），以及所述射频定位单元11的计时单元112记录发射上述Poll信号的时间T a 并将时间T a 存储到所述射频定位单元11的存储单元114中（步骤S41）。其中，上述ID信息可以是信号收发单元31能够识别所述射频定位单元的特定码信息。所述信号发射单元111所发射的Poll信号由目标标记物的所述信号收发单元31接收。所述目标标记物的处理单元34根据ID信息判断所述信号收发单元31是否接收到来自所述信号发射单元111的所述Poll信号（步骤S42）。如果所述目标标记物30的处理单元34判断未接收到所述Poll信号（步骤S42为否），则继续等待。如果所述目标标记物30的处理单元34判断接收到所述Poll信号（步骤S42为是），所述目标标记物30的计时单元32记录接收到所述Poll信号的时间T b 并存储到所述目标标记物30的存储单元33（步骤S43）。所述目标标记物30的处理单元34对所收到的Poll信号进行确认处理并产生相应的响应信号（步骤S44），并将带有ID信息的所述响应信号、发送所述响应信号时所记录的发送时间T d 和所述时间T b 等信息一起发送至所述信号发射单元111（步骤S45）。所述射频定位单元11的处理单元113接收到目标标记物30发送的信息后，根据所述ID信息判断是否接收到步骤S45发送的响应信号及所述时间T d 和所述时间T b 等信息（步骤S46）。如果所述射频定位单元11的处理单元113判断未接收到所述响应信号等信息（步骤S46：否），则继续等待。如果所述射频定位单元11接收到所述响应信号等信息（步骤S46：是），所述射频定位单元11的计时单元112记录接收到所述响应信号的时间T c 并存储到所述射频定位单元11的存储单元114（步骤S47），同时所述射频定位单元11对接收到的响应信号进行确认处理。所述射频定位单元11将上述时间信息T b 、T d 都发送至核心处理模块2，所述核心处理模块2计算无线信号（Poll信号）和响应信号在空中飞行所用时间T 1＝(T c －T a )－(T d －T b )。同时，因为信号在空中的飞行速度可视为与光速相当，所以可以测算射频定位单元11与目标标记物之间的第一距离为d 1=（T 1×光速）/2（步骤S48）。所述信号接收单元115在收到所述信号收发单元31的响应信号的同时所述信号发射单元111发出带有ID信息的第二响应信号等信息发送至目标标记物30，同时所述计时单元112记录所述信号发射单元111发送所述第二响应信号的时间T e （步骤S49）。目标标记物30的处理单元34根据ID信息判断接收到的信号是否为步骤S49发送的信息（步骤S410），如果所述目标标记物30的处理单元34判断未接收到所述第二响应信号、时间T e 以及时间信息T c 等信息（步骤S410为否），则继续等待。如果目标标记物30接收到所述第二响应信号等信息（步骤S410为是），所述目标标记物30的计时单元32记录接收到所述信息的时间T f 并存储到存储单元33（步骤S411）。之后所述目标标记物30将时间信息T f 、T d 发送至飞行装置10的核心处理模块2，所述核心处理模块2计算所述响应信号和所述第二响应信号在空中的飞行时间为T 2＝(T f －T d ）－(T e －T c )，并测算出射频定位单元11与目标标记物之间的第二距离d 2=（T 2×光速）/2（步骤S412）。核心处理模块2对上述步骤S48和S412中的两个距离取平均，即为飞行装置的射频定位单元11与目标标记物之间的距离：d 11＝(d 1＋d 2)/2（步骤S413）。同样的方法可以获取射频定位单元11’与目标标记物的距离d 11’。
返回图4，当飞行装置的无线测距模块1探测完目标标记物的位置后，核心处理模块2根据步骤S6获取的射频定位单元11和11’与目标标记物之间的距离d 11、d 11’、步骤S4获取的高度h 1、h 2以及其他信息获取飞行装置10机头部分与目标标记物之间的距离d和俯冲角度α以及偏离角度β（步骤S8）：如图6所示，UWB1为射频定位单元11，UWB2为射频定位单元11’，d u 和d u ’分别为飞行装置机头部分到UWB1和UWB2之间的距离，为已知量；同时，UWB1和UWB2和飞行装置前端部分三者所形成的角度、UWB1和UWB2之间的直线距离，以及飞行装置机头部分和目标标记物的高度也为已知量，根据d 11、d 11’以及上述已知量信息通过三角几何关系即可计算出目标标记物30与飞行装置10之间的距离d和俯冲角度α以及目标标记物30与当前飞行方向上的飞行装置10的机头部分的偏离角度β(无图视)。
核心处理模块2的调整单元22根据获取的俯冲角度信息α和偏离角度信息β调整飞行装置10的机头部分指向目标标记物30，调整飞行装置10的飞行方向，同时根据获取的距离d调整飞行装置10的飞行速度（步骤S9）。按照S9中调整的飞行装置10的飞行方向按照所述飞行速度执行飞行，在飞行过程中不断的重复步骤S4～步骤S9使得飞行装置10能够实时的调整飞行航线，确保飞行装置10精确的降落在目标标记物上（步骤S10）。
在本实施方式中，飞行装置10根据步骤S8获取的角度信息α、β调整飞行装置10的机头部分的指向方向，并控制该飞行装置沿着该方向直接飞至目标标记物上。但不仅限于此，当飞行装置10高于目标标记物30后，飞行装置10的核心处理模块根据步骤S8获取的角度信息β调整飞行装置10的机头部分的指向方向（即飞行装置10的飞行方向），控制飞行装置10水平飞行至目标标记物30的正上方悬停，然后再竖直降落至目标标记物30上。过程如图7所示。图7所示的过程中步骤S21～S28与图4中的步骤S1～S8过程相同，在此不再重复说明。飞行装置10的核心处模块2根据获取飞行装置10的距离目标标记物30的高度（h 1-h 2）和距离d的信息，计算飞行装置10距离目标标记物30的水平距离，并根据角度信息β调整飞行装置10的飞行方向后，控制飞行装置水平飞行（步骤S29）；在飞行过程中，核心控制模块2控制无线测距模块1定时的与目标标记物进行信号传输，实时测定目标标记物与飞行装置10机头部分的距离d。核心控制模块2判断所述距离d与步骤S24获取的飞行装置10和目标标记物30的高度的高度差(h 1-h 2)是否相等(步骤S210)。如果两者不相等（步骤S210为否），则控制飞行装置10继续水平飞行。如果相等（步骤S210为是），则核心处理模块控制飞行装置10悬停，并控制飞行装置10竖直降落至目标标记物上（步骤S211）。
实施例2
在飞行过程中，实施例1中的飞行装置的降落系统的降落过程仅依赖于与目标标记物之间信号的检测，可能会影响降落位置的精确性。在本实施例中，所述降落系统的飞行装置增加拍摄模块、图像处理模块、图像传输模块，从而使飞行装置能够实时的拍摄目标标记物，根据拍摄的图像和目标标记物的测距结合，精确规划飞行装置的航线轨迹，更加提高了自主降落的精度。
图8为本实施例所涉及的飞行装置的自主降落系统的结构示意图。如图8所示，与实施例1相比，本实施例中的飞行装置10还包括拍摄模块6、图像处理模块7和图像传输模块8，所述拍摄模块6可用于控制摄像头，优选地，所述摄像头为一个单目摄像头，所述单目摄像头的方位和视角可以调节，拍摄模块6能够根据信息处理单元21获取的角度信息控制调整摄像头的拍摄角度，使其能够对某特定区域进行目标的拍摄或成像，并将拍摄的图片或视频发送至图像处理模块7，同时存储于存储模块4。图像处理模块7能够对拍摄模块6拍摄的图片信息或者存储于存储模块4内的图片信息进行处理得到相应目标图像信息；或者通过图像传输模块8发送至地面控制终端20。图6中其他的单元和模块的功能与实施例1中相应的模块的功能相同，在此不再重复说明。
所述摄像头可能为360度旋转摄像头，也可能为旋转角度较小的摄像头或者固定摄像头。所述摄像头旋转角度不同时，所述无人机降落过程也有差别。下面分别对上述两种摄像头分别进行降落过程的说明。
图9为拍射模块6所控制的摄像头为360度旋转摄像头时，本实施例所涉及的飞行装置10的自主降落方法流程图。如图9所示，步骤S11～S18与实施例1中的步骤S1～S8过程相同，在此不再重复说明。当飞行装置10获取了其机头部分与目标标记物30的距离d和角度α、β信息后，拍摄模块6调整摄像头的方向，使其指向飞行装置10的机头部分的正前方（步骤S19）。飞行装置10的核心处理模块2的调整单元22根据获取的角度α、β信息调整飞行装置10的机头部分指向目标标记物30（飞行装置保持水平飞行），确定飞行装置10的飞行方向；同时根据飞行装置10与目标标记物30的距离d和角度α、β或飞行装置10与目标标记物30的高度差（h 1-h 2）获取飞行装置10水平飞行的距离，并调整飞行装置10的飞行速度（步骤S110）。飞行装置10的拍摄模块6根据所述角度α、β调整摄像头的拍摄角度，使其能够对目标标记物30所在的位置进行拍摄，并将拍摄的图像发送至图像处理模块7，由图像处理模块7对拍摄的图像进行处理，并将处理后的图像发送至核心处理模块2或地面控制终端20（步骤S111）。核心处理模块2根据处理后的图像判断目标标记物30是否位于图像的中心位置附近（步骤S112），如果没有位于中心位置附近（步骤S112为否），则飞行装置的核心处理模块2的拍摄模块6根据获取的角度α、β信息重新调整摄像头对准目标标记物30，并拍摄目标标记物30（步骤S113）；重新判断目标标记物30是否位于图像的中心位置附近。如果位于中心位置附近（步骤S112为是），核心处理模块2的控制单元23控制飞行装置10水平飞行（步骤S114）。飞行装置10在水平飞行的过程中，实时探测射频定位单元11和11’与目标标记物30的距离，获取飞行装置10与目标标记物30的距离、高度以及角度α、β信息，该过程与步骤S14、S16、S18过程相同，在此不再重复说明（步骤S115）。在飞行过程中，拍摄模块6根据获取的飞行装置10与目标标记物30的角度α、β信息，控制调整摄像头的方向，使目标标记物始终位于在拍摄图像的中心位置附近（步骤S116）。根据步骤S115获取的飞行装置10与目标标记物30的距离和高度信息，判断飞行装置10和目标标记物30的高度差(h 1-h 2)与距离d是否相等，粗略判断飞行装置10是否位于目标标记物30的正上方（步骤S117）。如果不相等（步骤S117为否），则返回步骤S112。如果相等（步骤S117为是），拍摄模块6调整摄像头拍摄角度，此时摄像头为竖直向下的拍摄方向，对目标标记物30进行拍摄（步骤S118）。核心处理模块2运用图像处理方法判断目标标记物在视频画面中的位置，并根据此位置是否在画面正中心来判断飞行装置10是否位于目标标记物30的正上方（步骤S119）。如果判断飞行装置10没有位于目标标记物30的正上方（步骤S119为否），则核心处理模块2控制飞行装置10水平移动（步骤S120），并执行步骤S119。如果判断飞行装置10位于目标标记物30的正上方（步骤S119为是），则核心处理模块2控制飞行装置10竖直降落至目标标记物30上（步骤S121）。
当摄像头旋转角度较小，小于90度时，飞行装置10在降落起始阶段中，所述拍摄模块6控制调整摄像头的拍摄方向，使其能够拍摄到目标标记物30，使目标标记物30能够位于所述拍摄的图像中，上述过程与图9的步骤S110～S114过程相同；当飞行装置10继续靠近目标标记物30的正上方时，所述拍摄模块6根据获取的飞行装置10与目标标记物30之间的角度信息控制所述摄像头旋转，摄像头旋转到所述角度但始终无法搜索到目标标记物30，或者核心控制模块2判断所述角度超出所述摄像头的旋转角度时，飞行装置10在执行降落时，自动切换为依赖于目标标记物30和飞行装置10的无线测距模块和高度测量模块/单元来规划降落轨迹的方式，此时飞行装置10的降落过程与实施例1的步骤相同。
当飞行装置10的摄像头为固定摄像头飞行装置在飞行过程中大部分时间拍摄不到目标标记物30，或者飞行装置10与目标标记物30之间有障碍物阻挡，或者摄像头固定指向飞行装置10机头部分而目标标记物30位于飞行装置10后端部分时，飞行装置10在飞行过程中无法拍摄到目标标记物30，这时就依赖目标标记物30与飞行装置10之间的无线测距模块和高度测量模块/单元来规划飞行航线（过程与实施例1所述的过程相同）。
在本实施方式中，所述目标标记物和飞行装置的位置关系依赖于无线测距模块、高度测量模块/单元，但不仅限于此，还可以是根据GPS定位装置，获取目标标记物和飞行装置的空间坐标，以确定两者的位置关系，规划降落航线。
Claims (25)
1.一种飞行装置的自动降落系统，包括：
距离获取模块,用于获取飞行装置与目标标记物之间的距离信息和所述目标标记物与所述飞行装置的机头部分在当前飞行方向上的偏离角度信息；
航线设计模块,能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息来设计飞行装置的降落航线，控制飞行装置执行降落。
2.根据权利要求1所述的自动降落系统，其特征在于：
所述自动降落系统还包括无线测距模块，能够发送和接收无线信号，实现与降落位置处的所述目标标记物之间的信号传输；
所述距离获取模块根据所述无线测距模块发送和接收所述无线信号的时间获取所述无线信号在空中的传输时间，并基于所述传输时间来获得所述距离信息和所述偏离角度信息。
3.根据权利要求2所述的自动降落系统，其特征在于：
所述无线测距模块包括让第一射频单元向所述目标标记物发射第一询问信号并接收来自所述目标标记物的第一响应信号的第一射频定位模块和让第二射频单元向所述目标标记物发射第二询问信号并接收来自所述目标标记物的第二响应信号的第二射频定位模块；
其中，所述第一响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第一询问信号后向所述第一射频定位单元所发送的，所述第二响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第二询问信号后向所述第二射频定位单元所发送的；
所述第一射频定位模块能够分别记录所述第一射频单元发射所述第一询问信号的第一时间和收到所述目标标记物发射所述第一响应信号的第二时间以及所述目标标记物接收到所述第一询问信号的第三时间和所述目标标记物发出所述第一响应信号的第四时间；第二射频定位模块能够分别记录所述第二射频单元发射所述第二询问信号的第五时间和收到所述目标标记物发射所述第二响应信号第六时间以及所述目标标记物接收到所述第二询问信号的第七时间和所述目标标记物发出所述第二响应信号的第八时间；
其中，所述距离获取模块通过将所述第二时间和所述第一时间的差值减去所述第四时间和所述第三时间的差值获取所述第一射频定位单元的第一传输时间，通过将所述第六时间和所述第五时间的差值减去所述第八时间和所述第七时间的差值获取所述第二射频定位单元的第二传输时间，基于所述第一传输时间和所述第二传输时间分别获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第一距离值和第二距离值，并基于所述第一距离值和所述第二距离值以及获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
4.根据权利要求3所述的自动降落系统，其特征在于：
所述第一射频定位模块还能够让所述第一射频单元向所述目标标记物发送第三响应信号和所述第二射频定位模块还能够让所述第二射频单元向所述目标标记物发送第四响应信号；
所述第一射频定位模块还能够分别记录所述第三响应信号、发送所述第三响应信号的第九时间，以及所述目标标记物接收到所述第三响应信号的第十一时间；
第二射频定位模块还能够分别记录所述第四响应信号、发送所述第四响应信号的第十时间，以及所述目标标记物接收到所述第四响应信号的第十二时间；
其中，所述距离获取模块还通过将所述第十一时间和所述第四时间的差值减去所述第九时间和所述第二时间的差值获取所述第一射频定位单元的第三传输时间，将所述第十二时间和所述第八时间的差值减去所述第十时间和所述第六时间的差值获取所述第二射频定位单元的第四传输时间，并基于所述第三传输时间和第四传输时间获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第三距离值和第四距离值；
将所述第一距离值和所述第三距离值相加后除以2作为所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离，将所述第二距离值和所述第四距离值相加后除以2后的距离作为所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离；
所述距离获取模块基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离和所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
5.根据权利要求4所述的自动降落系统，其特征在于：
所述自动降落系统还包括高度测量模块，能够获取所述飞行装置的第一高度；
所述距离获取模块基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第一高度和所述目标标记物自身的第二高度获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
6.根据权利要求4所述的自动降落系统，其特征在于：
所述第一和第二射频定位模块分别具有第一计时模块和第二计时模块，所述第一计时模块能够记录所述第一时间、所述第二时间和所述第九时间，所述第二计时模块能够记录所述第五时间、所述第六时间和所述第十时间；
所述目标标记物具有第三计时模块，所述第三计时模块能够记录所述第三时间、所述第四时间、所述第七时间、所述第八时间、所述第十一时间和第十二时间。
7.根据权利要求5所述的自动降落系统，其特征在于：
所述航线设计模块能够根据所述飞行装置的第一高度和所述目标标记物的第二高度，控制所述飞行装置竖直飞行，使其高于所述目标标记物。
8.根据权利要求7所述的自动降落系统，其特征在于：
所述航线设计模块控制所述飞行装置水平飞行至所述目标标记物的上方，并判断飞行装置是否位于所述目标标记物的上方，当所述航线设计模块判断所述飞行装置位于所述目标标记物的上方后，则控制所述飞行装置竖直降落至所述目标标记物上。
9.根据权利要求8所述的自动降落系统，其特征在于：
所述航线设计模块根据所述飞行装置的所述第一高度与所述目标标记物的所述第二高度的差值和所述飞行装置与所述目标标记物之间的距离信息是否相等进行判断所述飞行装置是否位于所述目标标记物的上方。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的自动降落系统，其特征在于：
所述航线设计模块还包括调整模块，能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息调整所述飞行装置的飞行方向。
11.根据权利要求1-8任意一项所述的自动降落系统，其特征在于：所述自动降落系统还包括拍摄模块；
所述拍摄模块能够旋转，能够从不同方位和视角对目标标记物进行拍摄并获取图像信息；
所述航线设计模块能够根据所述拍摄模块的拍摄角度以及拍摄的图像判断所述飞行装置相对于所述目标标记物的位置。
12.根据权利要求11所述的自动降落系统，其特征在于：
当所述航线设计模块判断飞行装置位于目标标记物的上方后，调整所述拍摄模块竖直向下并执行拍摄，根据目标标记物是否在所述拍摄的图像的中心位置判断所述飞行装置是否位于目标标记物的正上方，最后根据判断的结果控制飞行装置水平飞行或者竖直下降。
13.根据权利要求1～9中任一项所述的自动降落系统，还包括地面终端模块，能够向所述飞行装置发送各种参数或/和各种指令。
14.一种飞行装置的自动降落方法，包括：
距离获取步骤,获取飞行装置与目标标记物之间的距离信息和所述目标标记物与所述飞行装置的机头部分在当前飞行方向上的偏离角度信息；
航线设计步骤,能够根据所述距离信息和所述偏离角度信息来设计飞行装置的降落航线，控制飞行装置执行降落。
15.根据权利要求14所述的自动降落方法，还包括：
无线测距步骤，发送和接收无线信号，实现距离获取模块与降落位置处的所述目标标记物之间的信号传输；
在所述距离获取步骤中，根据所述无线测距步骤中发送和接收所述无线信号的时间获取所述无线信号在空中的传输时间，并基于所述传输时间来获得所述距离信息和所述偏离角度信息。
16.根据权利要求15所述的自动降落方法，其特征在于：所述无线测距步骤包括：
让第一射频单元向所述目标标记物发射第一询问信号并接收来自所述目标标记物的第一响应信号和让第二射频单元向所述目标标记物发射第二询问信号并接收来自所述目标标记物的第二响应信号；
记录所述第一射频单元发射所述第一询问信号的第一时间和收到所述目标标记物发射所述第一响应信号的第二时间以及所述目标标记物接收到所述第一询问信号的第三时间和所述目标标记物发出所述第一响应信号的第四时间；
记录所述第二射频单元发射所述第二询问信号的第五时间和收到所述目标标记物发射所述第二响应信号第六时间以及所述目标标记物接收到所述第二询问信号的第七时间和所述目标标记物发出所述第二响应信号的第八时间；
其中，所述第一响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第一询问信号后向所述第一射频定位单元所发送的，所述第二响应信号是所述目标标记物基于所接收到的所述第二询问信号后向所述第二射频定位单元所发送的；其中，在所述距离获取步骤中，通过将所述第二时间和所述第一时间的差值减去所述第四时间和所述第三时间的差值获取所述第一射频定位单元的第一传输时间，通过将所述第六时间和所述第五时间的差值减去所述第八时间和所述第七时间的差值获取所述第二射频定位单元的第二传输时间，基于所述第一传输时间和所述第二传输时间分别获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第一距离值和第二距离值，并基于所述第一距离值和所述第二距离值以及获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
17.根据权利要求16所述的自动降落方法，其特征在于：
在所述无线测距步骤中，让所述第一射频单元向所述目标标记物发送第三响应信号和让所述第二射频单元向所述目标标记物发送第四响应信号；
记录所述第三响应信号、发送所述第三响应信号的第九时间，以及所述目标标记物接收到所述第三响应信号的第十一时间；
记录所述第四响应信号、发送所述第四响应信号的第十时间，以及所述目标标记物接收到所述第四响应信号的第十二时间；
其中，在所述距离获取步骤中，还通过将所述第十一时间和所述第四时间的差值减去所述第九时间和所述第二时间的差值获取所述第一射频定位单元的第三传输时间，将所述第十二时间和所述第八时间的差值减去所述第十时间和所述第六时间的差值获取所述第二射频定位单元的第四传输时间，并基于所述第三传输时间和第四传输时间获取所述第一射频定位单元和第二射频定位单元与所述目标标记物之间的第三距离值和第四距离值；
将所述第一距离值和所述第三距离值相加后除以2作为所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离，将所述第二距离值和所述第四距离值相加后除以2后的距离作为所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离；
基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离和所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
18.根据权利要求17所述的自动降落方法，还包括：高度测量步骤，获取所述飞行装置的第一高度；
在所述距离获取步骤中，基于所述第一射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第二射频定位单元与所述目标标记物的距离、所述第一高度和所述目标标记物自身的第二高度获取所述距离信息和所述偏离角度信息。
19.根据权利要求18所述的自动降落方法，其特征在于：
在所述航线设计步骤中，根据所述飞行装置的第一高度和所述目标标记物的第二高度，控制所述飞行装置竖直飞行，使其高于所述目标标记物。
20.根据权利要求19所述的自动降落方法，其特征在于：
在所述航线设计步骤中，控制所述飞行装置水平飞行至所述目标标记物的上方，并判断飞行装置是否位于所述目标标记物的上方，当所述航线设计模块判断所述飞行装置位于所述目标标记物的上方后，则控制所述飞行装置竖直降落至所述目标标记物上。
21.根据权利要求20所述的自动降落方法，其特征在于：
在所述航线设计步骤中，根据所述飞行装置的所述第一高度与所述目标标记物的所述第二高度的差值和所述飞行装置与所述目标标记物之间的距离信息是否相等进行判断所述飞行装置是否位于所述目标标记物的上方。
22.根据权利要求14-21任意一项所述的自动降落方法，其特征在于：
所述航线设计步骤还包括调整步骤，根据所述距离信息和所述偏离角度信息调整所述飞行装置的飞行方向。
23.根据权利要求14-20任意一项所述的自动降落方法，还包括：拍摄步骤，从不同方位和视角对目标标记物进行拍摄并获取图像信息；
在所述航线设计步骤中，根据所述拍摄步骤中的拍摄角度以及拍摄的图像判断所述飞行装置相对于所述目标标记物的位置。
24.根据权利要求23所述的自动降落方法，其特征在于：
在所述航线设计步骤中，当判断飞行装置位于目标标记物的上方后，调整拍摄模块竖直向下并执行拍摄，根据判断目标标记物是否位于所述拍摄的图像的中心位置判断所述飞行装置是否位于目标标记物的正上方，最后根据判断的结果控制飞行装置水平飞行或者竖直下降。
25.根据权利要求14～21中任一项所述的自动降落方法，还包括：参数或/和指令发送步骤，从地面终端模块向所述飞行装置发送各种参数或/和各种指令。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |