CN106909162A - 一种通用型无人机车载自主降落装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通用型无人机车载自主降落装置，包括：微型云台和中央处理电路板；所述微型云台包括微型相机模组，所述微型相机模组用于在无人机自主降落时采集车载停机坪及其周围场景的图像信息；所述无人机车载自主降落装置又包括外部电气接口，设置在所述中央处理电路板上，作为数据传输接口和供电接口，通过电连接装置接头与无人机电连接。不具有车载自主降落功能的各类常规型无人机，只需与本发明提供的通用型无人机车载自主降落装置进行接口适配，就可以具备车载自主降落功能。
Description
技术领域
本发明涉及无人机车载领域，尤其涉及一种通用型无人机车载自主降落装置。
背景技术
为了实现无人机车载自主降落，无人机机体自身需要具备：1、需要挂载采集停机坪或者靶标及场景图像的载荷；2、无人机具有对靶标检测和跟踪的程序，以及无人机导引控制程序。
现有技术中，不具有车载自主降落功能的各类常规型无人机，如需改造成具有车载自主降落功能的无人机，需要在无人机上挂载云台及相机载荷，同时也需要额外增加或更改适配自主起降的云台控制策略、无人机对停机坪的检测与跟踪程序和无人机的飞行导引控制程序。同时，车载自主降落功能，需采用图像检测算法和目标跟踪算法对图像中的停机坪或者靶标进行图像检测和跟踪，运算量大、算法耗时长，对处理器运算能力有较高要求，并非所有常规型无人机的处理器都能满足，因此，上述改造方式繁琐复杂且缺乏通用性。
发明内容
针对上述不具有车载自主降落功能的常规型无人机，本发明提供一种通用型无人机车载自主降落装置。
本发明提供一种通用型无人机车载自主降落装置，包括：微型云台和中央处理电路板；所述微型云台包括：微型相机模组，其用于在无人机自主降落时采集车载停机坪及其周围场景的图像信息；其特征在于：所述无人机车载自主降落装置又包括：外部电气接口，设置在所述中央处理电路板上，作为数据传输接口和供电接口，通过电连接装置接头与无人机电连接。
优选的，所述微型云台还包括支撑板，所述中央处理电路板通过紧固件固定在所述支撑板上；所述支撑板包括设置在其上的外部机械连接结构，所述外部机械连接结构与无人机机械连接，用于将无人机车载自主降落装置整体固定在无人机机身上。
优选的，所述中央处理电路板上还设置有：第一接口，与微型云台连接，用于所述中央处理电路板获取所述微型云台各轴的角速度和加速度数据，以及输出控制信号控制所述微型云台转动；
优选的，所述中央处理电路板上还设置有：第二接口，与微型云台连接，用于所述中央处理电路板获取所述微型云台上所述微型相机模组采集的图像信息。
优选的，所述中央处理电路板，包括：车载停机坪检测与跟踪单元，检测与跟踪所述图像信息中所述车载停机坪的位置；控制指令生成单元，生成遥控器遥感量形式的无人机飞行控制指令，引导无人机自主降落至车载停机坪上。
优选的，所述无人机飞行控制指令包括：第一阶段飞行控制指令，是以车载停机坪的GPS位置为参考量，以无人机的GPS位置为反馈量，以获取的无人机的横向速度和纵向速度为中间反馈量计算生成，引导无人机飞行至车载停机坪正上空；第二阶段飞行控制指令，是以所述微型云台的横滚姿态角和俯仰姿态角为参考量，以无人机的横向速度和纵向速度为中间反馈量计算生成，引导无人机从车载停机坪正上空降落直至停在停机坪上。
优选地，所述第一阶段飞行控制指令包括摇杆控制横向分量，其生成步骤包括：以车载停机坪的GPS位置为参考量，无人机的GPS位置为反馈量，两者进行差值运算得到GPS位置误差量；将所述GPS位置误差量作为第一PID控制器的输入，经所述第一PID控制器运算得到速度参考量；将所述速度参考量分解为速度参考量横向分量和速度参考量纵向分量；将所述速度参考量横向分量与无人机的横向速度进行差值运算，得到横向差值量；将所述横向差值量作为第二PID控制器的输入，经所述第二PID控制器运算得到所述摇杆控制横向分量。
优选地，所述第一阶段飞行控制指令包括摇杆控制纵向分量，其生成步骤包括：以车载停机坪的GPS位置为参考量，无人机的GPS位置为反馈量，两者进行差值运算得到GPS位置误差量；将所述GPS位置误差量作为第一PID控制器的输入，经所述第一PID控制器运算得到速度参考量；将所述速度参考量分解为速度参考量横向分量和速度参考量纵向分量；将所述速度参考量纵向分量与无人机的纵向速度进行差值运算，得到纵向差值量；将所述纵向差值量作为第三PID控制器的输入，经所述第三PID控制器运算得到所述摇杆控制纵向分量。
优选的，所述第二阶段飞行控制指令包括摇杆控制横向分量，其生成步骤包括：将所述横滚姿态角与0度参考值进行差值运算得到第一差值量；将所述第一差值量作为第四PID控制器的输入，经所述第四PID控制器运算得到横向速度参考量；将所述横向速度参考量与获取的所述无人机横向速度进行差值运算得到第二差值量；将所述第二差值量作为第五PID控制器的输入，经所述第五PID控制器运算得到所述摇杆控制横向分量。
优选的，所述第二阶段飞行控制指令包括摇杆控制纵向分量，其生成步骤包括：将所述俯仰姿态角与90度参考值进行差值运算得到第三差值量；将所述第三差值量作为第六PID控制器的输入，经所述第六PID控制器运算得到纵向速度参考量；将所述纵向速度参考量与获取的所述无人机纵向速度进行差值运算得到第四差值量；将所述第四差值量作为第七PID控制器的输入，经所述第七PID控制器运算得到所述摇杆控制纵向分量。
优选的，所述支撑板设置在安装座的上部，所述中央处理电路板固定在所述支撑板上设置的所述外部机械连接结构限定的空间内。
采用本发明提供的通用型无人机车载自主降落装置的有益效果是：不具有车载自主降落功能的各类常规型无人机，只需与本发明提供的通用型无人机车载自主降落装置进行接口适配，就可以具备车载自主降落功能。本发明提供的通用型无人机车载自主降落装置，体积小、重量轻，对无人机续航时间影响小，具备通用化接口且对无人机挂载要求低。
附图说明
图1为本发明实施例所述的通用型无人机车载自主降落装置结构示意图；
图2为本发明实施例所述的通用型无人机车载自主降落装置框架结构示意图；
图3为本发明实施例所述的第一阶段飞行控制指令生成过程的框架结构示意图；
图4a为本发明实施例所述的第二阶段飞行控制指令中控制无人机横向运动的摇杆控制横向分量的生成过程的框架结构示意图；
图4b为本发明实施例所述的第二阶段飞行控制指令中控制无人机纵向运动的摇杆控制纵向分量的生成过程的框架结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述，通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种通用型无人机车载自主降落装置。图1为本发明实施例所述的通用型无人机车载自主降落装置结构示意图。如图1所示，所述通用型无人机车载自主降落装置100为整体式结构，整体模块包络尺寸为38*44*55mm，整体模块重量为55g。所述通用型无人机车载自主降落装置100包括中央处理电路板1和微型云台2，所述中央处理电路板1为一块集成的处理电路板，其具有较强的运算处理能力，运算耗时短、系统时延小；所述微型云台2为微型的三轴稳像云台，体积为25*30*49mm，重量为38g，体积小、重量轻。
微型云台2上设置有支撑板21、微型相机模组22。所述支撑板21设置在微型云台的安装座的上部（图中未示出），且所述支撑板21上设置有数个开放式的通用型外部机械连接结构211，用于与无人机进行机械连接，以便将无人机车载自主降落装置100整体固定在无人机机身上；中央处理电路板1通过紧固件固定在所述支撑板21上设置的所述外部机械连接结构211限定的空间内，微型相机模组22用于在无人机自主降落时采集车载停机坪以及其周围场景的图像信息。
所述中央处理电路板1上设置有数个外围连接接口，其包括：第一接口11、第二接口12和外部电气接口13。第一接口11为惯性测量单元（IMU，Inertial Measurement Unit）数据采集输出与云台电机驱动控制接口，用于中央处理电路板1从微型云台2获取微型云台2各轴的角速度和加速度数据，同时也用于中央处理电路板1输出控制信号控制微型云台2的转动，其中微型云台2的姿态角数据是根据上述微型云台2各轴的角速度和加速度数据，由中央处理电路板1中的处理器进行姿态解算得到，其中，计算得到的姿态角数据包括横滚姿态角和俯仰姿态角；第二接口12为移动产业处理器接口（MIPI，Mobile IndustryProcessor Interface），用于将微型云台2上微型相机模组22采集的图像信息传输至中央处理电路板1进行处理，第一接口11和第二接口12都与微型云台2相连；外部电气接口13为综合控制接口，也即无人机车载自主降落装置100的外围连接接口。所述外部电气接口13是通过通用型的电连接装置接头131与各类常规型无人机相连，外部电气接口13既用于无人机车载自主降落装置100与无人机之间的数据传输，也用作无人机车载自主降落装置100的供电接口。一方面，无人机车载自主降落装置100通过外部电气接口13实时获取来自无人机侧的数据，其包括：无人机的GPS位置信息、车载停机坪的GPS位置信息以及无人机自身的横向速度和纵向速度；另一方面，无人机车载自主降落装置100将生成的无人机飞行控制指令通过外部电气接口13发送至无人机，控制无人机的飞行运动。
图2为本发明实施例所述的通用型无人机车载自主降落装置框架结构示意图。如图2所示，中央处理电路板1包括图像处理单元14、车载停机坪检测与跟踪单元15、控制指令生成单元16、微型云台控制单元17。图像处理单元14用于对微型相机模组22采集的图像信息进行常规的基本处理，形成图像数据流。车载停机坪检测与跟踪单元15对图像数据流中车载停机坪的位置进行实时的检测与跟踪。微型云台控制单元17根据图像数据流中车载停机坪的位置生成调整微型云台2转动的控制信号，调整微型摄像模组22的角度。
具体的，图像处理单元14首先会对微型云台2发送过来的原始图像数据进行一系列基本处理，得到正常的图像流数据，随后发送至车载停机坪检测与跟踪单元15，车载停机坪检测与跟踪单元15读取相应的图像流的帧数据，检测与识别图像流中所述车载停机坪的位置，并通过运算得到图像流中车载停机坪位置与图像中心位置的差值量，将此差值量通过内部接口发送至微型云台控制单元17，微型云台控制单元17根据此差值量形成控制信号，通过第一接口11输出至微型云台2，控制微型云台2转动，调整微型相机模组22的角度，使得微型相机模组22采集的图像中车载停机坪的位置保持在图像中心位置处。
另外，控制指令生成单元16用于生成遥控器的摇杆量形式的飞行控制指令，然后通过外部电气接口13发送至无人机，控制无人机的飞行运动直至其降落在车载停机坪上。
具体的，控制指令生成单元16生成的飞行控制指令包括第一阶段飞行控制指令和第二阶段飞行控制指令。第一阶段飞行控制指令用于引导无人机飞行至车载停机坪正上空，第二阶段飞行控制指令用于引导无人机从车载停机坪的正上空降落至车载停机坪上，其中第二阶段飞行控制指令又包括控制无人机横向运动的摇杆控制横向分量和控制无人机纵向运动的摇杆控制纵向分量。
第一阶段飞行控制指令的生成过程如图3所示，控制指令生成单元16通过外部电气接口13获取无人机的GPS位置和车载停机坪的GPS位置，以车载停机坪的GPS位置为参考量，无人机的GPS位置为反馈量，两者进行差值计算得到GPS位置误差量，GPS位置误差量经过第一PID控制器得到速度参考量，其中所述速度参考量可分解为速度参考量横向分量和速度参考量纵向分量，然后将速度参考量横向分量与从外部电气接口13获取的无人机横向速度进行差值运算，将差值运算得到的横向差值量作为第二PID控制器的输入量，经第二PID控制器运算后输出无人机摇杆控制横向分量，控制无人机横向运动，即对应无人机左右方向的运动；同时，将速度参考量纵向分量与从外部电气接口13获取的无人机纵向速度进行差值运算，将差值运算得到的纵向差值量作为第三PID控制器的输入量，经第三PID控制器运算后输出无人机摇杆控制纵向分量，控制无人机纵向运动，即对应无人机前后方向的运动。上述得到的摇杆控制横向分量和摇杆控制纵向分量合成在一起即为摇杆控制量形式的第一阶段飞行控制指令，通过外部电气接口发送至无人机，引导无人机飞行至车载停机坪正上空。
第二阶段飞行控制指令的生成过程如图4a和4b所示，控制指令生成单元16通过第一接口11获取微型云台2的横滚姿态角和俯仰姿态角，并根据微型云台2的横滚姿态角和俯仰姿态角分别进行运算，生成对应的控制无人机横向运动的摇杆控制横向分量和控制无人机纵向运动的摇杆控制纵向分量。其中，如图4a所示，将横滚姿态角与0度参考值进行差值运算，得到的第一差值量作为第四PID控制器的输入量，经第四PID控制器运算后，得到无人机横向速度参考量，无人机横向速度参考量与通过外部电气接口13获取的无人机横向速度进行差值运算，得到的第二差值量作为第五PID控制器的输入量，经第五PID控制器运算后，得到控制无人机横向运动的摇杆控制横向分量。同理，如图4b所示，将俯仰姿态角与90度参考值进行差值运算，得到的第三差值量作为第六PID控制器的输入量，经第六PID控制器运算后，得到无人机纵向速度参考量，无人机纵向速度参考量与通过外部电气接口13获取的无人机纵向速度进行差值运算，得到的第四差值量作为第七PID控制器的输入量，经第七PID控制器运算后，得到控制无人机纵向运动的摇杆控制纵向分量。
其中，在第二阶段飞行控制指令的生成过程中，即在图4a和4b中，第四和第六PID控制器中的参数Kp采用变参的形式，其具体表示如下：
其中h为无人机距离靶标的垂直高度，由无人机中的高度测量单元测量；k1、k2取值跟进系统进行调试确定。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (11)
1.一种通用型无人机车载自主降落装置，其特征在于，包括：微型云台和中央处理电路板；
所述微型云台包括：
微型相机模组，其用于在无人机自主降落时采集车载停机坪及其周围场景的图像信息；
所述无人机车载自主降落装置又包括：
外部电气接口，设置在所述中央处理电路板上，作为数据传输接口和供电接口，通过电连接装置接头与无人机电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微型云台还包括支撑板，所述中央处理电路板通过紧固件固定在所述支撑板上；所述支撑板包括设置在其上的外部机械连接结构，所述外部机械连接结构与无人机机械连接，用于将无人机车载自主降落装置整体固定在无人机机身上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央处理电路板上还设置有：
第一接口，与微型云台连接，用于所述中央处理电路板获取所述微型云台各轴的角速度和加速度数据，以及输出控制信号控制所述微型云台转动。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央处理电路板上还设置有：
第二接口，与微型云台连接，用于所述中央处理电路板获取所述微型云台上所述微型相机模组采集的图像信息。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央处理电路板，包括：
车载停机坪检测与跟踪单元，检测与跟踪所述图像信息中所述车载停机坪的位置；
控制指令生成单元，生成遥控器遥感量形式的无人机飞行控制指令，引导无人机自主降落至车载停机坪上。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述无人机飞行控制指令包括：
第一阶段飞行控制指令，是以车载停机坪的GPS位置参考量，以无人机的GPS位置为反馈量，以获取的无人机的横向速度和纵向速度为中间反馈量计算生成，引导无人机飞行至车载停机坪正上空；
第二阶段飞行控制指令，是以所述微型云台的横滚姿态角和俯仰姿态角为参考量，以无人机的横向速度和纵向速度为中间反馈量计算生成，引导无人机从车载停机坪正上空降落直至停在停机坪上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一阶段飞行控制指令包括摇杆控制横向分量，其生成步骤包括：
以车载停机坪的GPS位置为参考量，无人机的GPS位置为反馈量，两者进行差值运算得到GPS位置误差量；
将所述GPS位置误差量作为第一PID控制器的输入，经所述第一PID控制器运算得到速度参考量；
将所述速度参考量分解为速度参考量横向分量和速度参考量纵向分量；
将所述速度参考量横向分量与无人机的横向速度进行差值运算，得到横向差值量；
将所述横向差值量作为第二PID控制器的输入，经所述第二PID控制器运算得到所述摇杆控制横向分量。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一阶段飞行控制指令包括摇杆控制纵向分量，其生成步骤包括：
以车载停机坪的GPS位置为参考量，无人机的GPS位置为反馈量，两者进行差值运算得到GPS位置误差量；
将所述GPS位置误差量作为第一PID控制器的输入，经所述第一PID控制器运算得到速度参考量；
将所述速度参考量分解为速度参考量横向分量和速度参考量纵向分量；
将所述速度参考量纵向分量与无人机的纵向速度进行差值运算，得到纵向差值量；
将所述纵向差值量作为第三PID控制器的输入，经所述第三PID控制器运算得到所述摇杆控制纵向分量。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二阶段飞行控制指令包括摇杆控制横向分量，其生成步骤包括：
将所述横滚姿态角与0度参考值进行差值运算得到第一差值量；
将所述第一差值量作为第四PID控制器的输入，经所述第四PID控制器运算得到横向速度参考量；
将所述横向速度参考量与获取的所述无人机横向速度进行差值运算得到第二差值量；
将所述第二差值量作为第五PID控制器的输入，经所述第五PID控制器运算得到所述摇杆控制横向分量。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二阶段飞行控制指令包括摇杆控制纵向分量，其生成步骤包括：
将所述俯仰姿态角与90度参考值进行差值运算得到第三差值量；
将所述第三差值量作为第六PID控制器的输入，经所述第六PID控制器运算得到纵向速度参考量；
将所述纵向速度参考量与获取的所述无人机纵向速度进行差值运算得到第四差值量；
将所述第四差值量作为第七PID控制器的输入，经所述第七PID控制器运算得到所述摇杆控制纵向分量。
11.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支撑板设置在安装座的上部，所述中央处理电路板固定在所述支撑板上设置的所述外部机械连接结构限定的空间内。
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