CN106184786A - 一种无人机自动降落系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机技术领域，提供了一种无人机自动降落系统，包括无人机与降落平台，所述降落平台包括：地面无线电通信单元、多个超声波发射探头及超声波脉冲信号控制单元；所述无人机包括：机载无线电通信单元、超声波接收探头、超声波信号处理单元及飞控单元。本发明还提供了一种无人机自动降落方法。本发明通过无人机降落平台中多个超声波发射探头的引导，借助超声波传播速度远远低于无线电传播速度的原理，实现无人机精准降落，且性能稳定，抗干扰能力强。

Description

一种无人机自动降落系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机自动降落系统及方法。

背景技术

实现无人机的高精度降落是建设无人机场、进行无人机快递的关键要素，在目前无人机领域是一大难点，无人机降落引导一般通过两类技术来实现：一是定位技术，二是机器视觉。

目前常用的定位技术包括卫星定位(如GPS定位)、射频定位、WiFi定位、蓝牙定位、超声波定位、红外激光定位等，目前这些定位技术精度都比较差，最高精度仅可实现厘米级，无法满足无人机精准降落的需求。除GPS外，均为室内定位技术，一般根据无线信号的强弱来定位，或者根据测得的距离进行定位。这里以超声波定位为例进行分析，在无人机上安装了多个超声波发射探头和接收探头，可以向多个方向发射超声波，超声波在遇到物体后反射回来，被超声波接收探头接收，根据超声波来回传播的时间，可以算出物体离无人机的距离，多个方向的距离即可定位无人机相对周围物体的位置。由于超声波从发射到接收，电子电路有一定的反应时间，因此当物体离无人机很近的时候，即当超声波来回传播的时间小于电子电路的反应时间时，就无法测出距离，从而无法进行定位。其他利用无线信号强弱进行定位的技术由于无线信号不稳定，定位精度非常差，一般在米级。

机器视觉主要利用无人机上的摄像头对无人机起降平台上的图像进行实时拍照并识别，并与存储在无人机存储器中的图像进行对比，以引导无人机进行降落。这种方案最大的问题是受光线干扰比较严重。

总之，现有技术中最大的问题和缺点是：(1)定位精度低，无法满足无人机精准降落的需求；(2)稳定性差；(3)抗干扰能力差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种无人机自动降落系统及方法，能够精准引导无人机降落，且性能稳定，抗干扰能力强。

本发明提供的一种无人机自动降落系统，包括无人机与降落平台，所述降落平台包括：地面无线电通信单元，用于向无人机发送预设信号；多个超声波发射探头，用于向无人机发射超声波信号，所述超声波发射探头的数量为3个或3个以上，超声波发射探头之间的距离以及各个超声波发射探头与降落平台中心的距离为确定值；超声波脉冲信号控制单元，用于在所述地面无线电通信单元发送预设信号的同时驱动所述超声波发射探头发射超声波信号，所述超声波发射探头发射的超声波信号无方向性；所述无人机包括：机载无线电通信单元，用于接收无线电信号并判断是否为降落平台发送的预设信号；超声波接收探头，用于接收所述多个超声波发射探头发射的超声波信号；超声波信号处理单元，用于记录机载无线电通信单元接收到预设信号的第一时间及超声波接收探头接收到各个超声波发射探头所发射超声波信号的第二时间，根据第二时间与第一时间之间的差值及超声波在空气中的传输速率计算出超声波接收探头和多个超声波发射探头之间的距离值，并根据所述距离值通过解析几何方程计算出无人机与降落平台间的偏差值；飞控单元，用于根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位。

其中，所述无人机自动降落系统还可包括距离检测单元，用于检测无人机与降落平台间距离是否低于阈值，所述距离检测单元设置于无人机或降落平台中，与无线电通信单元电连接。

其中，所述超声波接收探头为1个或2个，设置于无人机底部中心位置或于无人机底部呈对称布局。

其中，所述超声波发射探头为4个，以降落平台中心点为中心对称分布于降落平台四个角。

其中，所述降落平台中还设有与超声波接收探头位置点对应的降落参考点。

相应地，本发明还提供了一种无人机自动降落方法，包括步骤：接收无线电信号并判断是否为地面无线电通信单元发送的预设信号；若是，则记录接收到所述预设信号的第一时间；接收降落平台中多个超声波发射探头发射的超声波信号，所述超声波发射探头的数量为3个或3个以上，超声波发射探头之间的距离以及各个超声波发射探头与降落平台中心的距离为确定值，所述超声波信号与所述预设信号同时发射，所述超声波发射探头发射的超声波信号无方向性；记录接收到各个超声波发射探头所发射超声波信号的第二时间，根据第二时间与第一时间之间的差值及超声波在空气中的传输速率计算出超声波接收探头和多个超声波发射探头之间的距离值，并根据所述距离值通过解析几何方程计算出无人机与降落平台间的偏差值；根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位。

其中，在接收无线电信号并判断是否为地面无线电通信单元发送的预设信号步骤前还包括步骤：检测无人机与降落平台间距离是否小于阈值，若小于阈值，则建立无人机与降落平台间无线通信连接。

其中，在根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位步骤后还包括步骤：重复前述所有步骤直至无人机降落至降落平台。

其中，所述超声波接收探头为1个或2个，设置于无人机底部中心或于无人机底部呈对称布局；所述超声波发射探头为4个，以降落平台中心点为中心对称分布于降落平台四个角。

其中，所述降落平台中设有与超声波接收探头位置点对应的降落参考点。

由上述技术方案可知，本发明提供一种无人机自动降落系统及方法，通过无人机降落平台中多个超声波发射探头的引导，借助超声波传播速度远远低于无线电传播速度的原理，实现无人机精准降落，且性能稳定，抗干扰能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种无人机自动降落系统的结构示意图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种无人机自动降落方法流程示意图；

图3示出了本发明第三实施例所提供的一种无人机降落平台的结构示意图；

图4示出了本发明第四实施例所提供的一种无人机降落平台的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种无人机自动降落系统的结构示意图，如图所示，所述无人机自动降落系统，包括无人机1与降落平台2，所述降落平台包括：地面无线电通信单元3，用于向无人机1发送预设信号；4个超声波发射探头4，用于向无人机1发射超声波信号，4个超声波发射探头4以降落平台2中心点为中心对称分布于降落平台2的四个角E、F、G、H点，各个超声波发射探头4之间的距离以及各个超声波发射探头4与降落平台2中心的距离已知且固定，为确定值；超声波脉冲信号控制单元5，用于在所述地面无线电通信单元3发送预设信号的同时驱动所述超声波发射探头4工作；所述无人机1包括：机载无线电通信单元6，用于接收无线电信号并判断是否为降落平台2发送的预设信号；2个超声波接收探头7，用于接收所述多个超声波发射探头4发射的超声波信号，其中2个机载超声波接收探头7分别位于无人机1底部对称的前后两点A、B点；超声波信号处理单元8，用于记录接收到预设信号的第一时间及接收到各个超声波发射探头4所发射超声波信号的第二时间，并并根据第二时间与第一时间之间的差值及超声波在空气中的传输速率计算出超声波发射探头和多个超声波接收探头之间的距离，超声波信号处理单元根据该距离通过解析几何方程可推算出无人机与降落平台间的偏差值；飞控单元，用于根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位。所述超声波接收探头7可以为一个或多个，设置于无人机1底部中心或于无人机1底部对称布局；所述超声波发射探头4为三个或三个以上，由超声波发射探头4组成的三角形、四边形、五边形等形状的中心与降落平台2的中心重合，或者各个超声波发射探头4之间的距离以及各个超声波发射探头4与降落平台2中心的距离已知且固定，为确定值。

所述无人机自动降落系统，还包括：距离检测单元，用于检测无人机1与降落平台2间距离是否低于阈值，所述距离检测单元设置于无人机1或降落平台2中，与无线电通信单元电连接。当所述距离监测单元设置遇降落平台2时，通过检测无人机1与降落平台2间距离是否低于阈值以触发地面无线电单元3工作，发送预设信号。

所述降落平台2中设有与超声波接收探头7位置点对应的降落参考点，在降落平台2上有两个与A、B点位置对应的参考点C、D点，C、D点可以为虚拟的点，是无人机中心与降落平台中心在一条垂直直线上时，A、B点在降落平台上的投影。C、D点以降落平台中心为中心呈对称分布，二者之间的距离等于A、B之间的距离，当A点与C点重合、B点与D点重合的时候，无人机1精准降落引导即视为完成。

所述降落平台2发射的预设信号为时间戳。

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种无人机自动降落方法，包括步骤：

步骤一、当无人机无人机起降平台间距离达到数米或一米以内时，机载无线电通信单元与地面无线电通信模块建立无线电通信连接；

步骤二、地面无线电通信单元向机载无线电通信单元发出一个预设信号，如时间戳，机载无线电通信单元收到所述预设信号后，通知超声波信号处理单元开始计时，设该时刻为第一时间；

步骤三、在地面无线电通信单元向机载无线电通信单元发出所述预设信号的同时，地面无线电通信单元通知超声波脉冲信号控制单元驱动4个超声波发射探头同时分别发出4个不同的无方向性的超声波信号；

步骤四、两个机载超声波接收探头收到4个不同的所述超声波信号后，将所述超声波脉冲信号传输给超声波信号处理单元进行信号处理；

步骤五、根据2个机载超声波接收探头收到的所述4个超声波脉冲信号的第二时间与第一时间的间隔，通过解算几何方程，超声波信号处理单元可计算出无人机2个机载超声波接收探头所在的A、B点相对于起降平台上的参考点C、D点的三维坐标和/或位置偏差值，由于无线电传播速度远远大于超声波的传播速度，在本发明中从地面无线电通信单元到机载无线电通信单元无线电传播的时间可忽略不计；

步骤六、机载超声波信号处理单元将计算结果传送至无人机飞控系统，进行无人机姿态和/或方位调整；

步骤七、循环重复步骤二到步骤六，直至无人机2个机载超声波接收探头所在的A、B点分别与无人机起降平台上的C、D点重合，精准降落引导结束。

本发明还提供了一种无人机，包括：机载无线电通信单元，用于接收无线电信号并判断是否为降落平台发送的预设信号；超声波接收探头，用于接收降落平台中多个超声波发射探头发射的超声波信号，由所述多个超声波发射探头组成的多边形中心与降落平台中心重合，所述超声波信号与所述预设信号同时发射；超声波信号处理单元，用于记录接收到预设信号的第一时间及接收到各个超声波发射探头所发射超声波信号的第二时间，并根据第二时间与第一时间之间的差值及超声波在空气中的传输速率计算出超声波发射探头和多个超声波接收探头之间的距离，超声波信号处理单元根据该距离通过解析几何方程可推算出无人机与降落平台间的偏差值；飞控单元，用于根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位。

其中，所述无人机还可包括距离检测单元，用于检测无人机与降落平台间距离是否低于阈值，当低于阈值时，触发机载无线电通信单元工作，接收无线电信号，并判断是否为预设信号。

其中，所述无人机的超声波接收探头为1个或2个，设置于无人机底部中心或于无人机底部呈对称布局。

图3示出了本发明相关降落平台结构示意图，所述降落平台包括支架10、外箱20、货物收纳舱30和控制器。支架10用于支撑外箱20，且支架10可以伸缩以调整外箱的高度，所述支架01安装在阳台上或窗户内；所述外箱20和货物收纳舱30之间设有电机驱动的平行四边形铰接伸缩机构50，所述货物收纳舱30上设有基板40供无人机起降，上述外箱20的右侧设置有开口，供货物收纳舱30和基板40通过，当无人机即将到达降落平台时，控制器会控制平行四边形铰接伸缩机构50将货物收纳舱30和基板40推出到阳台外或窗户外，当货物收纳舱30和基板40伸出到规定位置后，无人机降落在基板40上。

上述基板40上设有与下方的货物收纳舱30内部相通的货物入口，且上述货物收纳舱30顶部设置有顶舱门31，该顶舱门31的开启和关闭由控制器控制，同时，该货物收纳舱30的左侧设置有侧舱门32，与之相对应的，所述外箱20的左侧设置有箱门21。在无人机降落在基板40上之后，控制器控制顶舱门31开启，此时无人机可将货物通过顶舱门31投放在货物收纳舱30中，货物投放完成后，控制器会控制顶舱门31关闭，之后控制器会控制平行四边形铰接伸缩机构50将货物收纳舱30和基板40收回至外箱内。待收货完成后，用户可以先打开外箱的箱门21，再打开货物收纳舱30的侧舱门32，从货物收纳舱30中取出货物。

上述基板40上设置有吸盘电磁铁41，该吸盘电磁铁41布置在基板40的四周，由控制器控制。在无人机降落在基板40上之后，控制器会控制吸盘电磁铁41锁定无人机，以防止风等外界因素对无人机造成干扰，待无人机将货物投放至货物收纳舱30中后，控制器会控制吸盘电磁铁41解锁释放无人机，以让无人机起飞。

支架10与外箱20可以是一体化结构，也可以是固定连接或者可拆卸连接；同样地，上述基板40与货物收纳舱30可以是一体化结构，也可以是固定连接或者可拆卸连接，4个超声波发射探头分别安装在基板40的四个角上。

所述降落平台还包括GPS模块和电子罗盘，其中GPS模块用于向无人机提供降落平台的数字化地址，所述数字化地址包括经度、纬度和高度三个位置信息，可以精确地为无人机导航；电子罗盘用于向无人机提供无人机起降平台的方向，以指导无人机在降落时的机头方向。

图4示出了本发明相关降落平台另一实施例结构示意图，所述降落平台包括货物收纳舱30和基板40，基板40布置在货物收纳舱30的顶部，在基板40中间设有与货物收纳舱30内部相通的货物入口50，基板40为正方形状，在基板40的四个角处分别设有展开板90，展开板90通过旋转轴80与基板40连接，旋转轴80由电机81驱动，在展开板90上还设有用于锁定无人机的锁定装置60，该锁定装置60为电磁吸盘，在货物收纳舱30的顶部，还可以设置与基板40的货物入口50对应的顶舱门(图中未示出)，4个超声波发射探头分别安装在4个旋转轴80或展开版90的正上方。

本实施例提供的无人机降落平台正常状态时，四个展开板90处于收起状态，无人机需要降落时，通过旋转轴80将展开板90打开，无人机的四个降落架分别降落在四个展开板90上，同时展开板90上的锁定装置60将无人机的降落架锁定，无人机飞离展开板90后，通过旋转轴10可将展开板90重新收起。

本发明利用了超声波在空气中的传播速度远远慢于无线电的传播速度，利用无线电通信进行时间戳的传输，利用超声波进行测距，通过解算几何方程，可获得无人机相对于无人机起降平台的精准位置，从而实现无人机的精准降落。本发明具有精度高、成本低、稳定性强、抗干扰能力强的优点，定位精度为毫米级。如果借助温度计对周围温度进行测量后，对超声波传播速度进行温度补偿，定位精度将进一步提高。与其他定位技术引导降落相比，定位精度大幅度提高，且稳定性强，比如利用红外激光引导降落精度在15-30厘米。与机器视觉引导降落相比，不受光线等外界因素的干扰，白天黑夜都可进行。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种无人机自动降落系统，包括无人机与降落平台，其特征在于，

所述降落平台包括：

地面无线电通信单元，用于向无人机发送预设信号；

多个超声波发射探头，用于向无人机发射超声波信号，所述超声波发射探头的数量为3个或3个以上，超声波发射探头之间的距离以及各个超声波发射探头与降落平台中心的距离为确定值；

超声波脉冲信号控制单元，用于在所述地面无线电通信单元发送预设信号的同时驱动所述超声波发射探头发射超声波信号，所述超声波发射探头发射的超声波信号无方向性；

所述无人机包括：

机载无线电通信单元，用于接收无线电信号并判断是否为降落平台发送的预设信号；

超声波接收探头，用于接收所述多个超声波发射探头发射的超声波信号；

超声波信号处理单元，用于记录机载无线电通信单元接收到预设信号的第一时间及超声波接收探头接收到各个超声波发射探头所发射超声波信号的第二时间，根据第二时间与第一时间之间的差值及超声波在空气中的传输速率计算出超声波接收探头和多个超声波发射探头之间的距离值，并根据所述距离值通过解析几何方程计算出无人机与降落平台间的偏差值；

飞控单元，用于根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位。

2.根据权利要求1所述的无人机自动降落系统，其特征在于，还包括：距离检测单元，用于检测无人机与降落平台间距离是否低于阈值，所述距离检测单元设置于无人机或降落平台中，与无线电通信单元电连接。

3.根据权利要求1所述的无人机自动降落系统，其特征在于，所述超声波接收探头为1个或2个，设置于无人机底部中心位置或于无人机底部呈对称布局。

4.根据权利要求3所述的无人机自动降落系统，其特征在于，所述超声波发射探头为4个，以降落平台中心点为中心对称分布于降落平台四个角。

5.根据权利要求1所述的无人机自动降落系统，其特征在于，所述降落平台中设有与超声波接收探头位置点对应的降落参考点。

6.一种无人机自动降落方法，其特征在于，包括步骤：

接收无线电信号并判断是否为地面无线电通信单元发送的预设信号；

若是，则记录接收到所述预设信号的第一时间；

接收降落平台中多个超声波发射探头发射的超声波信号，所述超声波发射探头的数量为3个或3个以上，超声波发射探头之间的距离以及各个超声波发射探头与降落平台中心的距离为确定值，所述超声波信号与所述预设信号同时发射，所述超声波发射探头发射的超声波信号无方向性；

记录接收到各个超声波发射探头所发射超声波信号的第二时间，根据第二时间与第一时间之间的差值及超声波在空气中的传输速率计算出超声波接收探头和多个超声波发射探头之间的距离值，并根据所述距离值通过解析几何方程计算出无人机与降落平台间的偏差值；

根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位。

7.根据权利要求6所述的自动降落方法，其特征在于，在接收无线电信号并判断是否为地面无线电通信单元发送的预设信号步骤前还包括步骤：检测无人机与降落平台间距离是否小于阈值，若小于阈值，则建立无人机与降落平台间无线通信连接。

8.根据权利要求6所述的自动降落方法，其特征在于，在根据所述偏差值调整无人机飞行姿态和/或方位步骤后还包括步骤：重复前述所有步骤直至无人机降落至降落平台。

9.根据权利要求6所述的自动降落方法，其特征在于，所述超声波接收探头为1个或2个，设置于无人机底部中心或于无人机底部呈对称布局；所述超声波发射探头为4个，以降落平台中心点为中心对称分布于降落平台四个角。

10.根据权利要求6所述的自动降落方法，其特征在于，所述降落平台中设有与超声波接收探头位置点对应的降落参考点。