CN106094877A - 一种无人机着陆导航系统及控制方法 - Google Patents

一种无人机着陆导航系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人机着陆导航系统及控制方法。解决现有技术中无人机不能准确定点着陆的问题。系统包括无人机、着陆平台，在无人机的四个翼上分别设置有激光接收单元，无人机内设置有无人机GPS单元、无人机控制单元和无人机通信单元。着陆平台上摆动设置有第一激光发射单元、第二激光发射单元，着陆平台内设置有平台控制单元、平台通信单元、平台GPS单元。本发明通过激光对无人机进行引导，调整位置自动激光接收单元都接收到激光信号，定位无人机下降位置，使得无人机准确降落在着陆平台上，实现了无人机精确定位着陆，满足了用户的使用要求。

Description

一种无人机着陆导航系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种无人机技术领域，尤其是涉及一种无人机着陆导航系统及控制方法。
背景技术
无人机是一种拥有动力装置的无人驾驶飞行系统。它具有广泛的应用，既可以用于航拍、交通巡逻等民用领域，也可以用于侦查、监控等军事领域。
无人机在某些使用领域需要定点着陆，然后目前很多无人机还做不到准确的定点着陆，达不到用户的需求。目前一般无人机都是通过GPS进行定位，但是GPS信号的接收易受建筑物，树木的阻隔而被干扰，并且由于多路径效应，接收机会接收到经过建筑物或者水面等一系列反射面反射后的干扰信号，使得信号的路径变长了，伪距产生系统偏差，最后导致定位不准。另外即使不受障碍物干扰在空旷位置接收到的GPS位置信息与实际位置信息也还存在一些偏差，这些原因都导致无人机不能做到准确的定点着陆。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中无人机不能准确定点着陆的问题，提供了一种无人机着陆导航系统及控制方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种无人机着陆导航系统，包括四旋翼无人机、着陆平台，在无人机的四个翼上分别设置有激光接收单元，无人机内设置有无人机GPS单元、无人机控制单元和无人机通信单元，无人机GPS单元、无人机通信单元、激光接收单元分别与无人机控制单元相连，着陆平台上摆动设置有第一激光发射单元、第二激光发射单元，着陆平台内设置有平台控制单元、平台通信单元、平台GPS单元，第一激光发射单元、第二激光发射单元、平台通信单元、平台GPS单元分别与平台控制单元相连，无人机通信单元和平台通信单元无线相连。本发明通过激光对无人机进行引导，实现了无人机精确定位着陆。四个激光接收单元分别安装在四旋翼无人机四个翼的端头上，且以无人机中心为中点，各激光接收单元之间的夹角为直角。激光接收单元用于接收激光信号。无人机GPS单元用于定位无人机的位置，并将无人机位置信息发送给着陆平台。无人机控制单元根据四个激光接收单元的信号控制无人机飞行位置。第一激光发射单元和第二激光发射单元在着陆平台上进行来回摆动，第一激光发射单元摆动面与第二激光发射单元摆动面相交且相垂直。平台GPS单元用于定位着陆平台的位置。平台控制单元根据无人机位置相对着陆平台位置的距离和方向生成无人机飞行控制命令，并发送给无人机。
作为一种优选方案，所述第一激光发射单元和第二激光发射单元相邻设置，第一激光发射单元前后摆动，第二激光发射单元左右摆动，第一激光发射单元摆动轨迹所在面与第二激光发射单元摆动轨迹所在面垂直相交。本方案限定了第一激光发射单元与第二激光发射单元摆动设置结构。第一激光发射单元与第二激光发射单元相邻设置，第一激光发射单元激光从前端射出，以后端为轴前后摆动，第二激光发射单元激光从前端射出，以后端为轴左右摆动，若以xyz坐标进行标定，第一激光发射单元在x轴z轴构成的面内摆动，第二激光发射单元在y轴z轴构成的面内摆动。第一激光发射单元连接第一舵机，第一舵机控制第一激光发射单元进行前后摆动，第二激光发射单元连接第二舵机，第二舵机控制第二激光发射单元进行左右摆动。
作为一种优选方案，系统还包括有基准站，所述基准站包括基准站GPS单元、基准站控制单元和基准站通信单元，基准站GPS单元、基准站通信单元分别与基准站控制单元相连，基准站通信单元分别与无人机通信单元、平台通信单元无线相连。基准站用于对无人机、着陆平台的位置信息进行校正，使得它们的位置信息更加精确，便于着陆控制。基准站具有准确的实际位置信息，基准站GPS单元进行定位采集位置信息。基准站控制单元根据实际位置信息和采集的位置信息计算出位置信息校正值，然后分别发送给无人机和着陆平台，对它们的位置信息进行校正。
作为一种优选方案，着陆平台还包括地图单元，所述地图单元与平台控制单元相连接。地图单元提供地图信息，平台控制单元根据平台位置信息和无人机位置信息在地图上进行定位，在地图上无人机与着陆平台之间距离和方向计算更加准确。
一种无人机着陆导航控制方法，包括以下步骤：
S1.定位无人机和着陆平台的位置，控制无人机向着陆平台靠拢；
S2.控制无人机绕着陆平台巡逻，捕捉激光信号；
S3.捕捉到激光信号后，调整无人机位置使得无人机四个激光接收单元都接收到激光信号；
S4.垂直下降无人机，直至准确停落在着陆平台上。
本发明通过激光对无人机进行引导，定位无人机下降位置，使得无人机准确降落在着陆平台上，实现了无人机精确定位着陆。
作为一种优选方案，步骤S1中无人机向着陆平台靠拢的具体过程包括：
S11.无人机定位位置，并将位置信息发送给着陆平台；
S12.着陆平台定位位置，将无人机和着陆平台的位置信息在地图上定位，计算无人机与着陆平台之间的距离和角度，生成控制命令发送给无人机；
S13.无人机根据控制命令向着陆平台靠近，直至无人机位置与着陆平台位置在地图上重合，无人机悬停。本方案将无人机、着陆平台位置信息在地图上进行定位，并根据位置信息控制无人机向着陆平台靠近。
作为一种优选方案，在定位无人机和着陆平台位置时，还对无人机和着陆平台的位置信息进行校正，其校正步骤包括：
SS1.将基准站实际位置信息记为（X0、Y0、Z0），通过基准站GPS单元获取位置信息记为（X1、Y1、Z1）；
SS2.计算获得位置校正值（△X、△Y、△Z），△X=X0-X1，△Y=Y0-Y1，△Z=Z0-Z1，将位置校正值分别发送给无人机和着陆平台；
SS3.无人机通过无人机GPS单元获取位置信息记为（X2、Y2、Z2），根据位置校正值获得校正后的无人机位置信息（X2'、Y2'、Z2'），X2'=X2-△X，Y2'=Y2-△Y，Z2'=Z2-△Z；着陆平台通过平台GPS单元获取位置信息记为（X3、Y3、Z3），根据位置校正值获得校正后的着陆平台位置信息（X3'、Y3'、Z3'），X3'=X3-△X，Y3'=Y3-△Y，Z3'=Z3-△Z。基准站本身具有准确的实际位置信息，通过基准站GPS单元获取的位置信息与实际位置信息相差，从而获取校正值，将校正值用以无人机和着陆平台获取的位置信息上，通过校正后获得的位置信息更加准确。
作为一种优选方案，步骤S2中无人机绕着陆平台巡逻捕捉激光信号的具体过程包括：
S21.无人机在其悬停的水平面上绕着陆平台以螺旋线为飞行轨迹进行飞行；无人机以螺旋线为飞行轨迹逐渐向外扩张以便能快速捕捉到激光信号。
S22.在飞行过程中，无人机上任一激光接收单元接收到激光信息，则无人机悬停。
作为一种优选方案，步骤S3中调整无人机位置使得无人机四个激光接收单元都接收到激光信号的具体过程包括：
S31.当无人机上一个激光接收单元接收到激光信息，将该激光接收单元记为A，无人机上其余激光接收单元分别记为B、C、D，其中A和B呈中心相对，C和D呈中心相对，无人机悬停；
S32.无人机绕A进行水平旋转，直到B接收到激光信号，无人机悬停，并确认A和B都接收到激光信号；
S33.将无人机沿着接收到的激光信号的在水平面上的摆动路径进行移动，同时根据无人机位置与着陆平台位置之间距离变化判断移动方向；当无人机与着陆平台支架距离变大，则控制无人机往反方向移动，若距离变小，则飞行方向正确。
S34.移动无人机直到C和D都接收到激光信号，则控制无人机垂直下降。
因此，本发明的优点是：通过激光对无人机进行引导，定位无人机下降位置，使得无人机准确降落在着陆平台上，实现了无人机精确定位着陆，满足了用户的使用要求。
附图说明
附图1是本发明的一种结构框示图；
附图2是本发明定位着陆的一种状态示意图。
1-无人机 2-着陆平台 3-基准站 11-无人机控制单元 12-无人机GPS单元 13-无人机通信单元 14-激光接收单元 21-平台控制单元 22-平台GPS单元 23-平台通信单元24-第一激光发射单元 25-第二激光发射单元 26-地图单元 31-基准站控制单元 32-基准站GPS单元 33-基准站通信单元。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例一种无人机着陆导航系统，如图1所示，包括四旋翼无人机1、着陆平台2、基准站3。
在无人机的四个翼上分别设置有激光接收单元14，无人机内设置有无人机GPS单元12、无人机控制单元11和无人机通信单元13，无人机GPS单元、无人机通信单元、激光接收单元分别与无人机控制单元相连。
着陆平台上摆动设置有第一激光发射单元24、第二激光发射单元25，着陆平台内设置有平台控制单元21、平台通信单元23、平台GPS单元22、地图单元26，第一激光发射单元、第二激光发射单元、平台通信单元、平台GPS单元、地图单元分别与平台控制单元相连，无人机通信单元和平台通信单元无线相连。如图2所示，第一激光发射单元和第二激光发射单元相邻设置，在着陆平台内设置有第一舵机和第二舵机，第一舵机与第一激光发射单元下端连接，控制第一激光发射单元前后摆动，第二舵机与第二激光发射单元下端连接，控制第二激光发射单元左右摆动。第一激光发射单元摆动轨迹所在面与第二激光发射单元摆动轨迹所在面垂直相交。
基准站3包括基准站GPS单元32、基准站控制单元31和基准站通信单元33，基准站GPS单元、基准站通信单元分别与基准站控制单元相连，基准站通信单元分别与无人机通信单元13、平台通信单元23无线相连。
一种无人机着陆导航控制方法，包括以下步骤：
S1.定位无人机和着陆平台的位置，控制无人机向着陆平台靠拢；
S2.控制无人机绕着陆平台巡逻，捕捉激光信号；
S3.捕捉到激光信号后，调整无人机位置使得无人机四个激光接收单元都接收到激光信号；
S4.垂直下降无人机，直至准确停落在着陆平台上。
步骤S1中无人机向着陆平台靠拢的具体过程包括：
S11.无人机定位位置，并将位置信息发送给着陆平台；
S12.着陆平台定位位置，将无人机和着陆平台的位置信息在地图上定位，计算无人机与着陆平台之间的距离和角度，生成控制命令发送给无人机；
S13.无人机根据控制命令向着陆平台靠近，直至无人机位置与着陆平台位置在地图上重合，无人机悬停。
在定位无人机和着陆平台位置时，还对无人机和着陆平台的位置信息进行校正，其校正步骤包括：
SS1.将基准站实际位置信息记为（X0、Y0、Z0），通过基准站GPS单元获取位置信息记为（X1、Y1、Z1）；
SS2.计算获得位置校正值（△X、△Y、△Z），△X=X0-X1，△Y=Y0-Y1，△Z=Z0-Z1，将位置校正值分别发送给无人机和着陆平台；
SS3.无人机通过无人机GPS单元获取位置信息记为（X2、Y2、Z2），根据位置校正值获得校正后的无人机位置信息（X2'、Y2'、Z2'），X2'=X2-△X，Y2'=Y2-△Y，Z2'=Z2-△Z；着陆平台通过平台GPS单元获取位置信息记为（X3、Y3、Z3），根据位置校正值获得校正后的着陆平台位置信息（X3'、Y3'、Z3'），X3'=X3-△X，Y3'=Y3-△Y，Z3'=Z3-△Z。
步骤S2中无人机绕着陆平台巡逻捕捉激光信号的具体过程包括：
S21.无人机在其悬停的水平面上绕着陆平台以螺旋线为飞行轨迹进行飞行；
S22.在飞行过程中，无人机上任一激光接收单元接收到激光信息，则无人机悬停。
步骤S3中调整无人机位置使得无人机四个激光接收单元都接收到激光信号的具体过程包括：
S31.当无人机上一个激光接收单元接收到激光信息，如图2所示，将该激光接收单元记为A，无人机上其余激光接收单元分别记为B、C、D，其中A和B呈中心相对，C和D呈中心相对，无人机悬停；
S32.无人机绕A进行水平旋转，直到B接收到激光信号，无人机悬停，并确认A和B都接收到激光信号；
S33.将无人机沿着接收到的激光信号的在水平面上的摆动路径进行移动，同时根据无人机位置与着陆平台位置之间距离变化判断移动方向；
S34.移动无人机直到C和D都接收到激光信号，则控制无人机垂直下降。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了无人机、着陆平台、基准站、无人机控制单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种无人机着陆导航系统，其特征在于：包括四旋翼无人机（1）、着陆平台（2），在无人机的四个翼上分别设置有激光接收单元（14），无人机内设置有无人机GPS单元（12）、无人机控制单元（11）和无人机通信单元（13），无人机GPS单元、无人机通信单元、激光接收单元分别与无人机控制单元相连，着陆平台上摆动设置有第一激光发射单元（24）、第二激光发射单元（25），着陆平台内设置有平台控制单元（21）、平台通信单元（23）、平台GPS单元（22），第一激光发射单元、第二激光发射单元、平台通信单元、平台GPS单元分别与平台控制单元相连，无人机通信单元和平台通信单元无线相连。
2.根据权利要求1所述的一种无人机着陆导航系统，其特征是所述第一激光发射单元（24）和第二激光发射单元（25）相邻设置，第一激光发射单元前后摆动，第二激光发射单元左右摆动，第一激光发射单元摆动轨迹所在面与第二激光发射单元摆动轨迹所在面垂直相交。
3.根据权利要求1或2所述的一种无人机着陆导航系统，其特征是还包括有基准站（3），所述基准站包括基准站GPS单元（32）、基准站控制单元（31）和基准站通信单元（33），基准站GPS单元、基准站通信单元分别与基准站控制单元相连，基准站通信单元分别与无人机通信单元（13）、平台通信单元（23）无线相连。
4.根据权利要求1或2所述的一种无人机着陆导航系统，其特征是着陆平台（2）还包括地图单元（26），所述地图单元与平台控制单元（21）相连接。
5.一种无人机着陆导航控制方法，采用权利要求1-4任一项中的系统，其特征是包括以下步骤：
S1.定位无人机和着陆平台的位置，控制无人机向着陆平台靠拢；
S2.控制无人机绕着陆平台巡逻，捕捉激光信号；
S3.捕捉到激光信号后，调整无人机位置使得无人机四个激光接收单元都接收到激光信号；
S4.垂直下降无人机，直至准确停落在着陆平台上。
6.根据权利要求5所述的一种无人机着陆导航控制方法，其特征是步骤S1中无人机向着陆平台靠拢的具体过程包括：
S11.无人机定位位置，并将位置信息发送给着陆平台；
S12.着陆平台定位位置，将无人机和着陆平台的位置信息在地图上定位，计算无人机与着陆平台之间的距离和角度，生成控制命令发送给无人机；
S13.无人机根据控制命令向着陆平台靠近，直至无人机位置与着陆平台位置在地图上重合，无人机悬停。
7.根据权利要求5或6所述的一种无人机着陆导航控制方法，其特征是在定位无人机和着陆平台位置时，还对无人机和着陆平台的位置信息进行校正，其校正步骤包括：
SS1.将基准站实际位置信息记为（X0、Y0、Z0），通过基准站GPS单元获取位置信息记为（X1、Y1、Z1）；
SS2.计算获得位置校正值（△X、△Y、△Z），△X=X0-X1，△Y=Y0-Y1，△Z=Z0-Z1，将位置校正值分别发送给无人机和着陆平台；
SS3.无人机通过无人机GPS单元获取位置信息记为（X2、Y2、Z2），根据位置校正值获得校正后的无人机位置信息（X2'、Y2'、Z2'），X2'=X2-△X，Y2'=Y2-△Y，Z2'=Z2-△Z；着陆平台通过平台GPS单元获取位置信息记为（X3、Y3、Z3），根据位置校正值获得校正后的着陆平台位置信息（X3'、Y3'、Z3'），X3'=X3-△X，Y3'=Y3-△Y，Z3'=Z3-△Z。
8.根据权利要求5或6所述的一种无人机着陆导航控制方法，其特征是步骤S2中无人机绕着陆平台巡逻捕捉激光信号的具体过程包括：
S21.无人机在其悬停的水平面上绕着陆平台以螺旋线为飞行轨迹进行飞行；
S22.在飞行过程中，无人机上任一激光接收单元接收到激光信息，则无人机悬停。
9.根据权利要求5或6所述的一种无人机着陆导航控制方法，其特征是步骤S3中调整无人机位置使得无人机四个激光接收单元都接收到激光信号的具体过程包括：
S31.当无人机上一个激光接收单元接收到激光信息，将该激光接收单元记为A，无人机上其余激光接收单元分别记为B、C、D，其中A和B呈中心相对，C和D呈中心相对，无人机悬停；
S32.无人机绕A进行水平旋转，直到B接收到激光信号，无人机悬停，并确认A和B都接收到激光信号；
S33.将无人机沿着接收到的激光信号的在水平面上的摆动路径进行移动，同时根据无人机位置与着陆平台位置之间距离变化判断移动方向；
S34.移动无人机直到C和D都接收到激光信号，则控制无人机垂直下降。
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