CN108074420A - 具有雷达导引降落功能的无人机、无人机系统及其降落方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有雷达导引降落功能的无人机、无人机系统及其降落方法，用以降落至降落站，无人机利用全球定位系统收发单元的定位，透过控制单元从外部接收飞行路径向降落站位置行进，当靠近降落站时，控制单元从外部接收启动讯号后启动降落雷达持续发送扫频雷达波，当扫频雷达波接触到降落站后产生反射雷达波，使降落雷达接收反射雷达波并传递给控制单元，控制单元依据反射雷达波的资料控制无人机降落至降落站。

Description

具有雷达导引降落功能的无人机、无人机系统及其降落方法
技术领域
本发明系有关于一种具有无人机、无人机系统及其降落方法，特别是一种具有雷达导引降落功能的无人机、无人机系统及其降落方法。
背景技术
目前无人机降落定位方式是依靠影像辨识系统，而且需要广大的腹地让无人机降落，更甚者，需要在地面放置可供辨识的图像或可供辨识的目标物，其影像辨识系统才可准确降落。如在天候不良环境或夜晚时，其降落精确度就会大大降低。
进一步地，无人机进行长距离飞行时，于飞行中途需要补充电力，需要在特地场合精准与充电装置结合或固定；当无人机降落在小范围降落站或平台时，如灯杆或特定建筑物平台，常会受到天候或能见度影响其降落的精准度，导致降落后无人机无法与充电装置结合，进而无法充电。
另外在预定的飞行路线过程中，如遇到突发障碍物，传统配置的影像辨识系统在天候不良或夜晚光线不佳时，也无法让无人机做出及时闪避，因此容易有无人机毁损的情况产生。
发明内容
为改善上述习知技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有雷达导引降落功能的无人机、无人机系统及其降落方法，藉此提高降落精准度以顺利降落至降落站。
为达前述的目的，本发明提供一种具有雷达导引降落功能的无人机，用以降落至降落站，其特征在于包含；
一全球定位系统收发单元，用以接收及传递位置资讯；
一降落雷达装置，用以在降落时开启，作为定位及测量降落距离；
一控制单元，分别电连接该全球定位系统收发单元与该降落雷达；
其中，所述无人机利用该全球定位系统收发单元的定位，透过该控制单元从外部接收一飞行路径向降落站位置行进，当靠近降落站时，该控制单元从外部接收一启动讯号后启动该降落雷达持续发送一扫频雷达波，当该扫频雷达波接触到降落站后产生一反射雷达波，使该降落雷达接收该反射雷达波并传递给该控制单元，该控制单元依据该反射雷达波的资料进行运算后控制所述无人机降落至降落站。
其中，更包含一射频接收单元，电连接该控制单元并用以从外部接收一启动讯号，当该射频接收单元接收该启动讯号时，通知该控制单元启动该降落雷达。
其中，更包含一都普勒雷达装置，电连接该控制单元，其中该都普勒雷达装置用以向无人机的飞行方向发射一侦测讯号，当该都普勒雷达装置接收到该侦测讯号所产生的一反射讯号时，该都普勒雷达装置产生一回避讯号给该控制单元，让该控制单元控制无人机在飞行途中调整飞行姿态，进行障碍回避机制。
其中，该降落雷达为脉冲雷达装置。
其中，该降落雷达为调频连续波雷达装置。
还公开了一种具有雷达导引降落功能的无人机系统，其特征在于包含：
一降落站，该降落站持续向外产生一启动讯号；
一无人机，该无人机包含：
一全球定位系统收发单元，用以接收及传递位置资讯；
一降落雷达装置，用以在降落时开启，作为定位及降落测量距离；
一控制单元，分别电连接该全球定位系统收发单元与该降落雷达；
其中，该无人机利用该全球定位系统收发单元的定位，透过该控制单元从外部接收一飞行路径向该降落站位置行进，当靠近该降落站时，该控制单元接收到该启动讯号后启动该降落雷达持续发送一扫频雷达波，当该扫频雷达波接触到该降落站后产生一反射雷达波，使该降落雷达接收该反射雷达波并传递给该控制单元，该控制单元依据该反射雷达波的资料进行运算后控制该无人机降落至该降落站。
其中，该无人机更包含一射频接收单元，电连接该控制单元并用以从外部接收该启动讯号并传递给该控制单元，当该控制单元接收到该启动讯号时，启动该降落雷达，其中当该反射雷达波讯号强度符合一第一预设值，该控制单元执行一降落程序使该无人机降落于该降落站。
其中，该控制单元依据该启动讯号的讯号强度，控制该无人机往该启动讯号强度高的方向飞行，该启动讯号强度符合一第二预设值时，该控制单元执行一降落程序使该无人机降落至该降落站。
其中，该启动讯号可依据一时间间隔频率进行发射。
其中，该降落站更包含一储能单元。
其中，该降落站一端面具有一平台以及设置于该平台上的一插槽部件，其中该无人机降落于该平台上与该插槽部件连接后进行充电。
其中，该平台上更具有一定位元件，当该无人机降落于该平台时，该定位元件与该无人机结合并将该无人机固定于该平台上。
其中，该定位元件为磁感应线圈，当该无人机降落于该平台时，该降落站将该定位元件进行通电产生磁场，利用磁力结合将该无人机固定于该平台上。
还公开了一种无人机雷达导引降落方法，其特征在于包括；
设定一飞行路径，其中该飞行路径上包含至少一降落站可供该无人机降落；
利用一全球定位系统收发单元引导无人机往该降落站位置前进，其中该降落站持续对外发射一启动讯号；
当该无人机接收到该启动讯号后进入一定位模式并持续发射一扫频雷达波；
当该无人机接收到该扫频雷达波接触到该降落站所产生的一反射雷达波时，该无人机执行一降落模式降落至该降落站上。
其中，更包含一回避模式，该无人机针对飞行方向发射一侦测讯号，当飞行方向上有一障碍物时，该侦测讯号会接触到该障碍物B并产生一反射讯号，该无人机接收到该反射讯号后，利用一都普勒效应进行运算后回避该障碍物。
其中，当该反射雷达波符合第一预设值时，该无人机执行该降落模式降落至该降落站上。
其中，该无人机持续侦测该启动讯号的强度，并往讯号强度高的方向飞行，当侦测到该启动讯号强度符合一第二预设值时，该无人机执行该降落模式降落至该降落站上。
通过上述内容，本发明的具有雷达导引降落功能的无人机、无人机系统及其降落方法具有如下技术效果：
1、无人机的降落精准度更好，能提高降落至降落站的准确性；
2、结构相对简单，适用范围更加广泛；
3、操作方便，控制更加稳定和准确。
附图说明
图1为本发明的无人机结构示意图。
图2为本发明的无人机电路方块图。
图3为本发明的无人机利用都普勒雷达进行回避示意图。
图4为本发明的降落站结构示意图。
图5为本发明的无人机执行降落模式至降落站的示意图。
图6-1～图6-3为本发明的反射雷达波接收讯号值变化图。
图7-1～图7-2为本发明的启动讯号接收讯号值变化图。
图8为本发明的降落方法步骤顺序图。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图式说明如后，然所附图式仅提供参考，并非用以对本发明加以限制。
请参阅图1为本发明具有雷达导引降落功能的的无人机结构示意图，无人机10具有本体12以及飞行机构14，飞行机构于本实施例中为螺旋桨方式带动本体12飞行，但实际实施时亦可改用其他飞行推进器代替；本体12进一步设置有全球定位系统收发单元1013、都普勒雷达1015、射频接收单元1018以及降落雷达1016，其中都普勒雷达1015设置于该本体12的侧面，降落雷达1016设置于本体12的下方为较佳的实施方式。
请参阅图2为本发明的无人机控制电路方块图，无人机控制电路101包含侦测模组102以及电力模组103，其中电力模组103用以提供电力给侦测模组102工作；侦测模组102包含控制单元1011、全球移动通讯系统1012、全球定位系统收发单元1013、伺服马达1014、都普勒雷达1015、降落雷达1016、讯号强度侦测单元1017、射频接收单元1018、充电单元1019、电力单元1020；其中控制单元1011分别电性连接全球移动通讯系统1012、全球定位系统收发单元1013、伺服马达1014、都普勒雷达1015、降落雷达1016、讯号强度侦测单元1017以及射频接收单元1018；电力模组103包含充电单元1019以及电连接充电单元1019的电力单元1020，其中充电单元1019为可对外进行电连接的连接器，电力单元1020较佳的实施方式为锂电池。
进一步参阅图2与图3，当无人机10进行飞行时，控制单元1011会从外部接收的飞行路径进行飞行，并且利用全球定位系统收发单元1013对无人机10的位置进行定位侦测，控制无人机依照飞行路径行进；设置于本体12侧面的都普勒雷达1015会在无人机10飞行时，朝向飞行行进方向持续发射侦测讯号10152，当无人机10的飞行行进方向上遭遇有障碍物B时，则侦测讯号10152接触到障碍物B时会产生反射讯号10154，当都普勒雷达1015接收到反射讯号10154时，都普勒雷达1015会传送回避讯号10156给控制单元1011，让控制单元1011控制无人机10在飞行途中调整飞行姿态，进行障碍回避机制。
请参阅图4为本发明的降落站结构示意图，降落站20具有平台200，平台200具有射频发射单元201、定位元件202、储能单元203、降落站控制单元204、记忆单元205、外部电力连接件206、电力侦测装置207；其中定位元件202设置在平台上方用以将无人机固定于平台200上，外部电力连接件206则是从外部的市电电网接收市电给储能单元203储存电力以及给降落站20使用，当市电供给中断时，则降落站20可以利用储能单元203所储存的电力进行工作，进一步地，更可以在平台200增设太阳能板208，藉此当市电供给中断时，依然可以有电力来源对储能单元203做电力储存。
请同步参阅图1～图5，降落站20的降落站控制单元204会驱动射频发射单元201以一定时间间隔频率对外发送启动讯号2012，由于启动讯号2012是以雷达波的方式进行对外发射，因此具备有辐射范围；当无人机10依照飞行路径进行飞行靠近降落站20而进入启动讯号2012的辐射范围时，无人机10的射频接收单元1018会接收到启动讯号2012并通知控制单元1011启动降落雷达1016工作，降落雷达1016会朝降落方向持续发送扫频雷达波10162，当扫频雷达波10162接触到平台200后产生反射雷达波10164，使降落雷达1016接收反射雷达波10164并传递给控制单元1011，控制单元1011依据反射雷达波的资料进行运算后控制无人机10降落至降落站20的平台200上。
其中需要特别说明，扫频雷达波10162为在频率范围内彼此相异频率的复数讯号，其中频率范围较佳为0.5MHz～200MHz的间，降落雷达1016可以为脉冲(PULSE)雷达或其他种类的雷达，于较佳的实施例中可以为调频连续波(FMCW)雷达；为了能够产生较佳讯号强度的反射雷达波10164，平台200可采用金属材质或具有高介电系数材质制作而成。
请参阅图4、图6-1至6-3，降落雷达1016所接收到反射雷达波10164会随着扫频雷达波10162接触到平台200的面积大小而成正比关系，当扫频雷达波10162只有部份雷达波接触到平台200时，如图6-1所示，反射雷达波10164的讯号强度较小；当无人机继续往平台的中心位置前进时，使扫频雷达波10162完全接触到平台200，如图6-2所示，反射雷达波10164的讯号强度相较图6-1来的较大，当反射雷达波10164的讯号强度符合第一预设值时D1，控制单元1011判断无人机10接近到平台200的正上方而非边缘位置，执行降落程序始无人机10降落至平台200上，如图6-3所示，于降落过程中，反射雷达波10164的讯号波形会从高频讯号波形f1往低频讯号波形f2方向移动并且反射雷达波10164的讯号强度会逐渐增加，当反射雷达波10164的讯号波形停止变化或者仅呈现微幅变化时，控制单元1011随即停止伺服马达1014工作，进而让飞行机构14停止运传，其中，第一预设值D1为反射雷达波10164的讯号最大值。
请进一步参阅图4、图7-1至7-2，当无人机10进入到启动讯号2012的辐射范围时，为了增进无人机10降落时的精准度，除了启动降落雷达1016工作之外，更可以利用射频接收单元1018所接收到启动讯号2012的讯号强度，因距离射频发射单元201不同而有差异的特性，无人机10的控制单元1011会控制无人机10往启动讯号2012的讯号强度高的方向前进直到符合第二预设值D2，以及反射雷达波10164符合第一预设值D1，控制单元1011执行降落模式，控制无人机10降落至降落站20；其中无人机10位于射频发射单元201正上方时，射频接收单元1018的讯号强度最大，于本实施例中，射频发射单元201会设置于平台200的中心位置。
需要特别说明，为了能够侦测启动讯号2012的讯号强度，可进一步设置讯号强度侦测单元1017来侦测启动讯号2012的讯号强度，其中，讯号强度侦测单元1017可以是单独的电路设置并与射频接收单元1018相互电连接，亦可以如图2所示，讯号强度侦测单元1017可以为射频接收单元1018的一部分电路。
再者，当无人机10降落完成至平台200后，可利用设置于平台200上的定位元件202对无人机20进行固定于平台200上，其中定位元件较佳的实施方式为磁感应线圈，当无人机10降落于平台200时，降落站20的降落站控制单元204将定位元件202进行通电产生磁场，利用磁力结合将无人机10固定于平台200上。
请继续参考图4与图5，平台200可进一步设置插槽部件209，当无人机10完成降落时，充电单元1019可以跟插槽部件209电性连接而从降落站20撷取电力对电力单元1020进行充电，较佳地，可以从降落站20的储能单元203或是外部电力连接件206进行撷取电力。
请参阅图8为本发明降落方法步骤顺序图，其中本发明的降落方法一种无人机10雷达导引降落方法，其步骤为设定飞行路径，其中飞行路径上包含至少降落站20可供该无人机降落；利用全球定位系统收发单元1013引导无人机10往降落站20位置前进，其中降落站20持续对外发射一启动讯号2012；当无人机10接收到启动讯号2012后进入一定位模式并持续发射扫频雷达波10162；当无人机10接收到扫频雷达波10162接触到降落站20的平台200产生的反射雷达波10164，当反射雷达波10164符合第一预设值D1时，无人机10执行一降落模式降落至降落站20上，直到反射雷达波10164的讯号波形停止变化或微幅变化时，即确认该无人机完成降落模式。
再者，无人机10除了利用反射雷达波10164进行降落模式之外，更可以利用启动讯号2012来增进降落精准；当无人机10侦测到启动讯号2012时，会进一步持续侦测启动讯号2012的讯号强度，并往讯号强度高的方向飞行，当侦测到启动讯号2012的讯号强度符合一第二预设值D2，以及反射雷达波10164符合第一预设值D1时，无人机10执行降落模式降落至降落站20；其中反射雷达波10164与启动讯号2012的运作模式与前述相同之处，在此不再赘述。
进一步地，在飞行途中，无人机10可以执行一回避模式，针对飞行方向发射侦测讯号10152，当飞行方向上有障碍物B时，侦测讯号10152会接触到障碍物B并产生反射讯号10154，无人机10接收到反射讯号10154后，利用都普勒效应进行运算后回避障碍物B。

Claims (17)

1.一种具有雷达导引降落功能的无人机，用以降落至降落站，其特征在于包含；
一全球定位系统收发单元，用以接收及传递位置资讯；
一降落雷达装置，用以在降落时开启，作为定位及测量降落距离；
一控制单元，分别电连接该全球定位系统收发单元与该降落雷达；
其中，所述无人机利用该全球定位系统收发单元的定位，透过该控制单元从外部接收一飞行路径向降落站位置行进，当靠近降落站时，该控制单元从外部接收一启动讯号后启动该降落雷达持续发送一扫频雷达波，当该扫频雷达波接触到降落站后产生一反射雷达波，使该降落雷达接收该反射雷达波并传递给该控制单元，该控制单元依据该反射雷达波的资料进行运算后控制所述无人机降落至降落站。
2.如权利要求1所述的无人机，其特征在于更包含一射频接收单元，电连接该控制单元并用以从外部接收一启动讯号，当该射频接收单元接收该启动讯号时，通知该控制单元启动该降落雷达。
3.如权利要求1所述的无人机，其特征在于更包含一都普勒雷达装置，电连接该控制单元，其中该都普勒雷达装置用以向无人机的飞行方向发射一侦测讯号，当该都普勒雷达装置接收到该侦测讯号所产生的一反射讯号时，该都普勒雷达装置产生一回避讯号给该控制单元，让该控制单元控制无人机在飞行途中调整飞行姿态，进行障碍回避机制。
4.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，该降落雷达为脉冲雷达装置。
5.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，该降落雷达为调频连续波雷达装置。
6.一种具有雷达导引降落功能的无人机系统，其特征在于包含：
一降落站，该降落站持续向外产生一启动讯号；
一无人机，该无人机包含：
一全球定位系统收发单元，用以接收及传递位置资讯；
一降落雷达装置，用以在降落时开启，作为定位及降落测量距离；
一控制单元，分别电连接该全球定位系统收发单元与该降落雷达；
其中，该无人机利用该全球定位系统收发单元的定位，透过该控制单元从外部接收一飞行路径向该降落站位置行进，当靠近该降落站时，该控制单元接收到该启动讯号后启动该降落雷达持续发送一扫频雷达波，当该扫频雷达波接触到该降落站后产生一反射雷达波，使该降落雷达接收该反射雷达波并传递给该控制单元，该控制单元依据该反射雷达波的资料进行运算后控制该无人机降落至该降落站。
7.如权利要求6所述的无人机系统，其特征在于，该无人机更包含一射频接收单元，电连接该控制单元并用以从外部接收该启动讯号并传递给该控制单元，当该控制单元接收到该启动讯号时，启动该降落雷达，其中当该反射雷达波讯号强度符合一第一预设值，该控制单元执行一降落程序使该无人机降落于该降落站。
8.如权利要求7所述的无人机系统，其特征在于，该控制单元依据该启动讯号的讯号强度，控制该无人机往该启动讯号强度高的方向飞行，该启动讯号强度符合一第二预设值时，该控制单元执行一降落程序使该无人机降落至该降落站。
9.如权利要求6所述的无人机系统，其特征在于，该启动讯号可依据一时间间隔频率进行发射。
10.如权利要求6所述的无人机系统，其特征在于，该降落站更包含一储能单元。
11.如权利要求6所述的无人机系统，其特征在于，该降落站一端面具有一平台以及设置于该平台上的一插槽部件，其中该无人机降落于该平台上与该插槽部件连接后进行充电。
12.如权利要求6所述的无人机系统，其特征在于，该平台上更具有一定位元件，当该无人机降落于该平台时，该定位元件与该无人机结合并将该无人机固定于该平台上。
13.如权利要求12所述的无人机系统，其特征在于，该定位元件为磁感应线圈，当该无人机降落于该平台时，该降落站将该定位元件进行通电产生磁场，利用磁力结合将该无人机固定于该平台上。
14.一种无人机雷达导引降落方法，其特征在于包括；
设定一飞行路径，其中该飞行路径上包含至少一降落站可供该无人机降落；
利用一全球定位系统收发单元引导无人机往该降落站位置前进，其中该降落站持续对外发射一启动讯号；
当该无人机接收到该启动讯号后进入一定位模式并持续发射一扫频雷达波；
当该无人机接收到该扫频雷达波接触到该降落站所产生的一反射雷达波时，该无人机执行一降落模式降落至该降落站上。
15.如权利要求14所述的降落方法，其特征在于，更包含一回避模式，该无人机针对飞行方向发射一侦测讯号，当飞行方向上有一障碍物时，该侦测讯号会接触到该障碍物B并产生一反射讯号，该无人机接收到该反射讯号后，利用一都普勒效应进行运算后回避该障碍物。
16.如权利要求14所述的降落方法，其特征在于，当该反射雷达波符合第一预设值时，该无人机执行该降落模式降落至该降落站上。
17.如权利要求16所述的降落方法，其特征在于，该无人机持续侦测该启动讯号的强度，并往讯号强度高的方向飞行，当侦测到该启动讯号强度符合一第二预设值时，该无人机执行该降落模式降落至该降落站上。
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