CN108263633A

CN108263633A - 一种自稳降落平台及其保持降落平面姿态的方法

Info

Publication number: CN108263633A
Application number: CN201810231980.4A
Authority: CN
Inventors: 胡华智; 刘畅; 程子啸
Original assignee: Guangzhou Ehang Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Ehang Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2018-07-10

Abstract

本发明公开了一种自稳降落平台及其保持降落平面姿态的方法，通过设置自稳降落平台，自动控制所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂按照需要伸缩的长度伸缩，以使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值不断地修正，使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值等于所述第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值，从而使得无人机降落时到达所需的所述第一支撑部的期望姿态值，无人机的降落平面始终保持与大地坐标系水平保证无人机能平稳降落到移动载体上。

Description

一种自稳降落平台及其保持降落平面姿态的方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种自稳降落平台及其保持降落平面姿态的方法。

背景技术

目前大多数舰载无人机降落过程需要近距离人工遥控完成，不适于无人船携带无人机远洋工作情景，尤其如何将无人机自动降落到无人船舰载平台上尚无先例。常规的无人机引导降落方法(GPS引导)在陆地目标区域效果良好，但难以适应晃动的无人船舰载系统，因为最后阶段目标区域存在横纵摇动，并有信息误差的存在，无法实现无人机精准降落，而且也无法在不同高度和速度进行精确指导。

而且现有的无人船舰载系统般都没有设置配套的降落装置用于供无人机降落时，保持无人机需要的降落平面与大地坐标系水平而造成的无人机降落不稳定的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种自稳降落平台及其保持降落平面姿态的方法，旨在解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供自稳降落平台，用于供无人机降落在移动载体上，其包括：一第一支撑部，所述第一支撑部中部设有显示屏幕，用以显示特征图像；一第二支撑部，所述第二支撑部位于所述第一支撑部的下方，所述第二支撑部的底面用于与所述移动载体的表平面连接固定；一第一机械臂、第二机械臂以及第三机械臂，所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂的上端都与所述第一支撑部底面连接，所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂的下端都与所述第二支撑部的顶面连接；一第一惯导元件，所述第一惯导元件设于所述第一支撑部的底面用于测量所述第一支撑部的姿态；一第二惯导元件，所述第二惯导元件设于所述第二支撑部的底面用于测量所述第二支撑部的姿态。

进一步地，所述第一支撑部呈圆形，所述第一机械臂的上端与所述第一支撑部的固定点设为a1，所述第二机械臂的上端与所述第一支撑部的固定点设为a2，所述第三机械臂的上端与所述第一支撑部的固定点设为a3，其中a1、a2、a3两两之间的夹角为120度。

进一步地，所述第一机械臂设有电动缸及球铰，所述电动缸的上下两端分别与所述球铰连接。

进一步地，所述第一支撑部的底面设有固持部，所述第二支撑部的顶面也设有所述固持部，所述球铰与所述固持部连接固定。

进一步地，所述第二支撑部呈圆形，所述第一机械臂的下端与所述第二支撑部的固定点设为b1，所述第二机械臂的下端与所述第二支撑部的固定点设为b2，所述第三机械臂的下端与所述第二支撑部的固定点设为b3，其中b1、b2、b3两两之间的夹角为120度。

此外，为实现上述目的，本发明实施例第二方面提供一种自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，用于供无人机稳定地降落在移动载体上，所述方法包括：S1、获取所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，所述第二支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值；S2、根据第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值与所述第二支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，计算出所述第一支撑部相对于所述第二支撑部坐标系的目标横滚俯仰值；S3、根据所述第一支撑部相对于所述第二支撑部坐标系的目标横滚俯仰值反算出所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂需要伸缩的长度；S4、控制所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂按照需要伸缩的长度伸缩，以使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值不断地修正，以使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值等于所述第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值。

进一步地，所述第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值为无人机降落时所需的所述第一支撑部的期望姿态值。

进一步地，在控制所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂按照需要伸缩的长度伸缩之后还包括：监测所述第一支撑部的姿态数据，判断所述第一支撑部的姿态数据是否达到无人机降落时所需的所述第一支撑部的期望姿态值。

进一步地，若所述第一支撑部的姿态数据没有达到无人机降落时所需的所述第一支撑部的期望姿态值，计算出所述第一支撑部的姿态数据与所述第一支撑部的期望姿态值的偏差值后，根据偏差值对步骤S4进行反馈微调。

进一步地，获取所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值是通过所述第一惯导元件测量数据后再通过数据输入主控芯片运行第一套卡尔曼滤波数据融合算法，所述第二支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值通过所述第二惯导元件测量数据后再通过数据输入主控芯片运行第二套卡尔曼滤波数据融合算法。

本发明的有益效果：通过设置自稳降落平台，所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂的上端都与所述第一支撑部底面连接，所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂的下端都与所述第二支撑部的顶面连接，然后控制所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂按照需要伸缩的长度伸缩，以使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值不断地修正，使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值等于所述第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值，从而使得无人机降落时到达所需的所述第一支撑部的期望姿态值，无人机的降落平面始终保持与大地坐标系水平保证无人机能平稳降落到移动载体上。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自稳降落平台的立体图；

图2为本发明实施例提供的自稳降落平台的主视图；

图3为本发明实施例提供的自稳降落平台的另一视角的立体图；

图4为本发明实施例提供的自稳降落平台保持降落平面姿态的方法的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在将参考附图描述实现本发明各个实施例的。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。

在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

参照图1、图2以及图3，图1为本发明一实施例提供的一种自稳降落平台，适用于降落在移动载体上，具体的移动载体为船舶、运动的汽车或者高速运动的其他物体。自稳降落平台至少包括：第一支撑部1、第二支撑部2、第一机械臂L1、第二机械臂L2、第三机械臂L3、第一惯导元件6以及第二惯导元件7。所述第一支撑部1中部设有显示屏幕，用以显示特征图像。所述第一支撑部1可为一个金属材料平面，所述第一支撑部1的平面中间镶嵌一块Led屏幕用以显示特征图像，特征图像用于与无人机上的视觉识别设备进行配合，从而使得特征图像与无人机上的视觉识别设备相互辅助无人机平稳降落在移动载体上。在其中一个实施例中，特征图像设为大幅的二维码。视觉识别设备设备是无人机上携带的，例如：摄像装置。在一些实施例中，所述摄像装置可以包括一个摄像头，例如：可以拍摄所述无人机周围的图像、视频等。所述摄像头光敏于各种波长的光线，包括但不限于可见光、紫外线、红外线或其中的任意组合。在一些实施例中，所述视觉识别设备可以包括其他种类的传感器。在一些实施例中，所述视觉识别设备通过云台与无人机的主体连接在一起，使得所述视觉识别设备可以相对于无人机的主体运动。例如：当所述视觉识别设备为摄像装置时，所述摄像装置可以相对于无人机的主体运动以拍摄所述无人机周围的图像、视频等。当无人机位于地面时，无人机的起落架可以支撑无人机以保护所述视觉识别设备。在一些实施例中，所述无人机可以包括两个前视摄像头，所述前视摄像头光敏于各种波长的光线(如可见光、红外光、紫外线)用于拍摄所述无人机周围的图像或视频。所述无人机可以包括两个置于无人机的主体底部的下视摄像头。

参照图1至图4，所述第二支撑部2位于所述第一支撑部1的下方，所述第二支撑部2的底面用于与所述移动载体的表平面连接固定，使用时底面需要和抖动目标表面如轮船甲板，运输车顶部平面贴紧连接。所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3的上端都与所述第一支撑部1底面连接，所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3的下端都与所述第二支撑部2的顶面连接。具体的，所述第一支撑部1呈圆形，所述第一机械臂L1的上端与所述第一支撑部1的固定点设为a1，所述第二机械臂L2的上端与所述第一支撑部1的固定点设为a2，所述第三机械臂L3的上端与所述第一支撑部1的固定点设为a3，其中a1、a2、a3两两之间的夹角为120度，a1、a2、a3三等平分圆形的所述第一支撑部1，其中a1、a2、a3到所述第一支撑部1的中心距离都为r。所述第二支撑部2呈圆形，所述第一机械臂L1的下端与所述第二支撑部2的固定点设为b1，所述第二机械臂L2的下端与所述第二支撑部2的固定点设为b2，所述第三机械臂L3的下端与所述第二支撑部2的固定点设为b3，其中b1、b2、b3两两之间的夹角为120度，b1、b2、b3三等分圆形的所述第二支撑部2，其中b1、b2、b3到所述第二支撑部2中心距离都为r。

所述第一支撑部1的固定点a1、a2、a3上分别设有固持部3，所述固持部3设有两个固定臂，所述固定臂对称设置，两个固定臂上端设有穿孔。同时所述第二支撑部2的固定点b1、b2、b3上也设置所述固持部3。所述第一机械臂L1设有电动缸4及球铰5，所述电动缸4的上下两端分别与所述球铰5连接，所述电动缸4用于使得所述第一机械臂L1可以上下伸缩。所述球铰5与所述固持部3连接固定，所述球铰5位于两个所述固定臂之间，一螺杆穿过所述穿孔以将所述球铰5与所述固持部3固定。同时所述第二机械臂L2、所述第三机械臂L3均设有所述电动缸4及所述球铰5。

参照图1至图3，所述第一惯导元件6设于所述第一支撑部1的底面用于测量所述第一支撑部1的姿态，用于测量所述第一支撑部1相对于大地坐标系的横滚、俯仰值，同时所述第一支撑部1内配备了GPS传感器，用以向无人机发送自稳降落平台的GPS地理位置信息，配合无人机进行GPS导航。所述第二惯导元件7设于所述第二支撑部2的底面用于测量所述第二支撑部2的姿态，用于测量所述第二惯导元件7相对于大地坐标系的横滚、俯仰值。

参照图1、图2、图3以及图4，自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，用于供无人机稳定地降落在移动载体上，所述方法如下步骤包括：

S1、获取所述第一支撑部1当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，所述第二支撑部2当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值。

具体的，包括一个控制系统，所述控制系统设于所述第二支撑部2上，所述控制系统用于所述第一惯导元件6、所述第二惯导元件7连接。所述控制系统通过所述第一惯导元件6获取所述第一支撑部1当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，同时所述控制系统通过所述第二惯导元件7获取所述第二支撑部2当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值。所述第一惯导元件6测量数据后，所述控制系统将数据输入到所述控制系统的主控芯片中，运行第一套卡尔曼滤波数据融合算法处理所述第一惯导元件6测量到的数据。所述第二惯导元件7测量数据后，所述控制系统将数据输入到所述控制系统的主控芯片中，运行第二套卡尔曼滤波数据融合算法处理所述第一惯导元件6测量到的数据。本实施例运用两套卡尔曼滤波数据融合算法，加快数据处理能力，使得惯导元件测量到的数据能实时的反应自稳降落平台当前的各项信息。

S2、根据第一支撑部1期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值与所述第二支撑部2当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，计算出所述第一支撑部1相对于所述第二支撑部2坐标系的目标横滚俯仰值。

具体的，所述第一支撑部1期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值为无人机降落时所需的所述第一支撑部1的期望姿态值。一般的情况下，无人机降落时所需的所述第一支撑部1的期望姿态值就是所述第一支撑部1始终保持大地坐标系下的水平姿态，使得无人机能够平稳地降落在水平的降落平面上。如果有些飞机起落架特殊，要特殊姿态的，则根据无人机降落时所需的所述第一支撑部1的期望姿态值进行调整。

S3、根据所述第一支撑部1相对于所述第二支撑部2坐标系的目标横滚俯仰值反算出所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3需要伸缩的长度。

具体的，已知a1、a2、a3到所述第一支撑部1中心点距离都为r，可得坐标系中a1、a2、a3表示：a₁(r，0，0)，，

当目标转轴为角度为θ∈[-450°，450°]时，用四元数计算旋转后的a1、a2、a3坐标值，第一步先扩展到四元数：

a₁→p₁(r，0，0，0)，，

第二步旋转四元数为：

第三步旋转后四元数为：P₁′＝qP₁q^-1＝(a₁′，0)，P₂′＝qP₂q^-1＝(a₂′，0)，P′₃＝qP₃q^-1＝(a′₃，0)；

已知b1、b2、b3到所述第二支撑部2中心距离都为r，所述第二支撑部2与所述第一支撑部1之间的初始距离为h,h为所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2、所述第三机械臂L3的初始长度；则可得坐标系中b1、b2、b3表示：b₁(r，0，-h)，

则得到

S4、控制所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3按照需要伸缩的长度伸缩，以使得所述第一支撑部1当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值不断地修正，以使得所述第一支撑部1当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值等于所述第一支撑部1期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值。依据计算结果分配的值即可使所述第一支撑部1始终保持大地坐标系下的水平姿态，使得无人机能够平稳地降落在水平的降落平面上。

在其中一个实施例中，在控制所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3按照需要伸缩的长度伸缩之后还包括：监测所述第一支撑部1的姿态数据，判断所述第一支撑部1的姿态数据是否达到无人机降落时所需的所述第一支撑部1的期望姿态值。设置一个监视系统，所述监视系统与监控显示平面连接，通过监控显示平面监测所述第一支撑部1的姿态数据。若所述第一支撑部1的姿态数据没有达到无人机降落时所需的所述第一支撑部1的期望姿态值，所述监视系统计算出所述第一支撑部1的姿态数据与所述第一支撑部1的期望姿态值的偏差值后，根据偏差值对步骤S4进行反馈微调。

本发明实施例提供的自稳降落平台，所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3的上端都与所述第一支撑部1底面连接，所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3的下端都与所述第二支撑部2的顶面连接，然后控制所述第一机械臂L1、所述第二机械臂L2以及所述第三机械臂L3按照需要伸缩的长度伸缩，以使得所述第一支撑部1当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值不断地修正，使得所述第一支撑部1当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值等于所述第一支撑部1期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值，从而使得无人机降落时到达所需的所述第一支撑部1的期望姿态值，无人机的降落平面始终保持与大地坐标系水平，以此保证无人机能平稳降落到移动载体上。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种自稳降落平台，用于供无人机降落在移动载体上，其特征在于，包括：

一第一支撑部，所述第一支撑部中部设有显示屏幕，用以显示特征图像；

一第二支撑部，所述第二支撑部位于所述第一支撑部的下方，所述第二支撑部的底面用于与所述移动载体的表平面连接固定；

一第一机械臂、第二机械臂以及第三机械臂，所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂的上端都与所述第一支撑部底面连接，所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂的下端都与所述第二支撑部的顶面连接；

一第一惯导元件，所述第一惯导元件设于所述第一支撑部的底面用于测量所述第一支撑部的姿态；

一第二惯导元件，所述第二惯导元件设于所述第二支撑部的底面用于测量所述第二支撑部的姿态。

2.根据权利要求1所述的一种自稳降落平台，其特征在于，所述第一支撑部呈圆形，所述第一机械臂的上端与所述第一支撑部的固定点设为a1，所述第二机械臂的上端与所述第一支撑部的固定点设为a2，所述第三机械臂的上端与所述第一支撑部的固定点设为a3，其中a1、a2、a3两两之间的夹角为120度。

3.根据权利要求1所述的一种自稳降落平台，其特征在于，所述第一机械臂设有电动缸及球铰，所述电动缸的上下两端分别与所述球铰连接。

4.根据权利要求3所述的一种自稳降落平台，其特征在于，所述第一支撑部的底面设有固持部，所述第二支撑部的顶面也设有所述固持部，所述球铰与所述固持部连接固定。

5.根据权利要求1所述的一种自稳降落平台，其特征在于，所述第二支撑部呈圆形，所述第一机械臂的下端与所述第二支撑部的固定点设为b1，所述第二机械臂的下端与所述第二支撑部的固定点设为b2，所述第三机械臂的下端与所述第二支撑部的固定点设为b3，其中b1、b2、b3两两之间的夹角为120度。

6.一种如权利要求1～5的任意一项所述的自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，用于供无人机稳定地降落在移动载体上，其特征在于，所述方法包括：

S1、获取所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，所述第二支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值；

S2、根据第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值与所述第二支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值，计算出所述第一支撑部相对于所述第二支撑部坐标系的目标横滚俯仰值；

S3、根据所述第一支撑部相对于所述第二支撑部坐标系的目标横滚俯仰值反算出所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂需要伸缩的长度；

S4、控制所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂按照需要伸缩的长度伸缩，以使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值不断地修正，以使得所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值等于所述第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值。

7.根据权利要求6所述的自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，其特征在于，所述第一支撑部期望相对于大地坐标系的横滚俯仰值为无人机降落时所需的所述第一支撑部的期望姿态值。

8.根据权利要求7所述的自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，其特征在于，在控制所述第一机械臂、所述第二机械臂以及所述第三机械臂按照需要伸缩的长度伸缩之后还包括：监测所述第一支撑部的姿态数据，判断所述第一支撑部的姿态数据是否达到无人机降落时所需的所述第一支撑部的期望姿态值。

9.根据权利要求8所述的自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，其特征在于，若所述第一支撑部的姿态数据没有达到无人机降落时所需的所述第一支撑部的期望姿态值，计算出所述第一支撑部的姿态数据与所述第一支撑部的期望姿态值的偏差值后，根据偏差值对步骤S4进行反馈微调。

10.根据权利要求6所述的自稳降落平台保持降落平面姿态的方法，其特征在于，获取所述第一支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值是通过所述第一惯导元件测量数据后再通过数据输入主控芯片运行第一套卡尔曼滤波数据融合算法，所述第二支撑部当前相对于大地坐标系的横滚俯仰值通过所述第二惯导元件测量数据后再通过数据输入主控芯片运行第二套卡尔曼滤波数据融合算法。