CN108791937A - 基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置及方法,属于无人机回收领域，包括回收舱、影像采集模块、机械臂模块及中央控制模块，影像采集模块及机械臂模块设置在回收舱内部，回收舱、影像采集模块及机械臂模块分别与中央控制模块连接，中央控制模块控制回收舱可开合上盖开启，并从影像采集模块获取旋翼无人机图像，得到旋翼无人机的相对位置，旋翼无人机飞行至距离回收舱小于等于1m时驱动机械臂将旋翼无人机捕获，并将旋翼无人机拖入回收舱内后关闭回收舱可开合上盖。本发明回收装置及方法实现旋翼无人机的动态降落，汽车在行进中即可完成旋翼无人机的回收与停放，与传统的旋翼无人机回收方式只能定点回收相比有了很大的改进与提高。
Description
技术领域
本发明属于无人机回收领域，涉及一种车载可移动的安全快捷回收旋翼无人机的装置及方法。
背景技术
随着近些年科技的发展，无人机从以往的“战场黑科技”走向了民用领域，因其能够随时随地、灵活便捷的进行空中拍摄并且成本低廉，被广泛的应用在地图测绘、灾害监测、通信中继、安防搜救等工作领域。
旋翼无人机在使用时，放飞较为简单，只需开启螺旋桨即可起飞，限制较少，而无人机的回收方法则一直是研发的一个重点项目。
传统的无人机回收方法是：在完成飞行任务后，由控制者向无人机发送回收指令，然后无人机飞向控制者所在位置并自行降落在地面，再由控制者将无人机回收保存。这种方法在实际使用中有着诸多不便：首先，这种方法比较费时费力。控制者向无人机发送回收指令后，必须在原地等待无人机降落，然后再动手将无人机回收。另外，无人机回收降落时是自主降落至地面，而有些地形错综复杂，可能会对无人机设备造成损害。
在近些年，也出现了一些较为创新的无人机回收方法，如中国专利文献中提出的“一种基于航空拖缆拖靶系统的无人机空基精准回收装置与方法，详见申请公布号CN107738750A”，“一种飞行器空中回收无人机的方法及其系统，详见申请公布号CN107792373A”，“一种无人机空基拖曳网式回收装置与方法,详见申请公布号CN107792381A”等，基本都是采用其他飞行器拖缆或拖网等方式，使无人机撞网来实现减速和回收。这些方式虽然能实现无人机的回收，但缺点也比较明显：采用另派飞行器的方式拖网，成本较高且也可能会对无人机设备造成损伤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的旋翼无人机回收装置存在需发送指令后定点等待回收的问题，本发明提供一种基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置及方法，回收过程方便，旋翼无人机设备的安全有保障，可以有效的实现高机动性的在移动平台上回收旋翼无人机。
为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：
基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，其特征在于：包括回收舱、影像采集模块、机械臂模块及中央控制模块，所述中央控制模块置于搭载回收舱的汽车内部，中央控制模块与旋翼无人机无线通信连接；
其中，所述回收舱置于汽车车顶，回收舱包括回收舱可开合上盖、回收舱前挡盖及回收舱底座，所述回收舱可开合上盖与回收舱底座滑动连接，同时回收舱可开合上盖与驱动其沿回收舱底座滑动的中央控制模块连接；所述回收舱前挡盖固定在回收舱底座上；
其中，所述影像采集模块为设置在回收舱内的两个摄像头，两个摄像头各自通过数据线与中央控制模块相连，用于将采集到的旋翼无人机图像传输到中央控制模块；在回收过程中，旋翼无人机靠近汽车时，摄像头用于识别旋翼无人机的位置，并把该位置信息传输给中央控制模块；
其中，所述机械臂模块为两个安置在回收舱底座上的机械臂，机械臂为可伸展式机械臂，机械臂与中央控制模块连接，在回收过程中，旋翼无人机靠近汽车时，机械臂用于捕获旋翼无人机，然后将旋翼无人机拖入回收舱内。
所述回收舱还包括回收舱内平台，回收舱内平台固定在回收舱底座上，回收舱内平台用于承载机械臂模块和无人机放置台，所述无人机放置台的中间区域为无人机停放区域；所述影像采集模块设置在无人机放置台上，且影像采集模块中的两个摄像头呈对称的布置在无人机停放区域两侧。
所述机械臂模块包括机械臂底座、机械臂后臂、机械臂后臂与中臂连接轴、机械臂中臂、机械臂中臂与前臂连接轴、机械臂前臂及机械手，所述机械臂底座内部安装有电机，该电机的输出轴与机械臂后臂连接；所述机械臂中臂的一端通过机械臂后臂与中臂连接轴与机械臂后臂铰接，机械臂中臂的另一通过机械臂中臂与前臂连接轴与机械臂前臂铰接，在机械臂中臂与机械臂后臂的连接处设置有电机，该电机的输出轴与机械臂中臂连接，在机械臂中臂与机械前臂的连接处设置有电机，该电机的输出轴与机械前臂连接；所述机械手安装在机械臂前臂远离机械臂中臂的一端上，机械手包括机械手一级电机、机械手二级电机、机械手三级电机及抓取单元，机械手一级电机、机械手二级电机、机械手三级电机及抓取单元顺次连接，机械手一级电机的输出轴与机械手二级电机的输出轴垂直，机械手一级电机的输出轴与机械手三级电机的输出轴相互平行，抓取单元包括机械手腕及机械手指，机械手指固定在机械手腕上，机械手腕用于控制机械手指的开合以完成抓取动作。
旋翼无人机回收方法，其特征在于，该方法采用所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，具体包括以下步骤：
A、旋翼无人机在飞行时，操控者发出回收指令，旋翼无人机和中央控制模块收到指令后，旋翼无人机与中央控制模块建立通信连接；
B、中央控制模块向旋翼无人机发送返航指令，并每隔预定时间向旋翼无人机发送载有回收舱的汽车运行信息，该汽车运行信息包括汽车位置、行进方向和速度，旋翼无人机向汽车所在位置飞行，旋翼无人机与汽车的距离为30m～40m时，中央控制模块控制回收舱可开合上盖滑动，打开回收舱；
C、打开回收舱之后，中央控制模块控制影像采集模块采集汽车上方的图像；
D、旋翼无人机飞行至汽车上方，与汽车保持同样的方向和速度飞行，之后缓慢降落；
E、影像采集模块将两个摄像头拍摄到的图像传输到中央控制模块，中央控制模块对比两个图像的差异，并通过差异进行计算，从而对旋翼无人机进行空间定位；
F、旋翼无人机持续降落，中央控制模块获取旋翼无人机降落至距离回收舱小于1m的信息时，控制机械臂对旋翼无人机进行抓取；
G、中央控制模块控制影像采集模块协同机械臂抓取旋翼无人机，并控制机械臂将旋翼无人机拖放至回收舱内，回收舱可开合上盖滑动，关闭回收舱，旋翼无人机回收过程结束。
步骤B中所述的预定时间为5s。
步骤B中旋翼无人机与汽车的距离获得过程为：中央控制模块获取旋翼无人机的GPS定位，通过定位信息计算得到旋翼无人机与汽车之间的距离。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置采用固定点回收舱回收，避免了旋翼无人机回收地点的不确定性，减小了回收地形不利从而会对旋翼无人机造成损耗的可能；
2、本发明所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置实现了无人机的自主回收，操控者对旋翼无人机发送回收指令后，整个回收过程由车载中央控制模块和旋翼无人机自主完成，无需人为干预。解决了传统旋翼无人机回收方法需要人力物力资源的问题；
3、本发明所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置主要目标就是实现旋翼无人机的动态降落，汽车在行进中即可完成旋翼无人机的回收与停放，与传统的旋翼无人机回收方式只能定点回收相比有了很大的改进与提高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置结构原理的示意框图。
图2为本发明基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置中回收舱的侧视图。
图3为本发明基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置中机械臂模块的外观图。
图4为图3的局部放大图。
图5为本发明基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置中回收舱可开合上盖结构示意图。
图6为本发明基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置回收舱内的侧视剖视图。
图7为本发明基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置回收舱内的俯视图。
图中各标记如下：1-回收舱可开合上盖、2-回收舱前挡盖、3-回收舱底座、4-机械臂底座、5-机械臂后臂、6-机械臂后臂与中臂连接轴、7-机械臂中臂、8-机械臂中臂与前臂连接轴、9-机械臂前臂、10-机械手、11-机械手一级电机、12-机械手二级电机、13-机械手三级电机、14-机械手腕、15-机械手指、16-机械臂模块、17-无人机放置台、18-影像采集模块、19-回收舱内平台、20-无人机停放区域、21-中央控制模块、22-回收舱。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明保护主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细的叙述。
本发明提出的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，该车载旋翼无人机回收装置包括回收舱22、影像采集模块18、机械臂模块16及中央控制模块21。
所述回收舱22置于汽车车顶，回收舱22包括回收舱可开合上盖1、回收舱前挡盖2、回收舱底座3及回收舱内平台19，所述回收舱前挡盖2固定在回收舱底座3上；所述回收舱可开合上盖1与回收舱底座3滑动连接，同时回收舱可开合上盖1与驱动其沿回收舱底座3滑动的中央控制模块21连接，回收舱可开合上盖1的开合方式为前后滑动开合；回收舱内平台19固定在回收舱底座3上，回收舱内平台19用于承载机械臂模块16和无人机放置台17，无人机放置台17的中间区域为无人机停放区域20。
所述影像采集模块18为两个摄像头，两个摄像头设置在无人机放置台17上，且呈对称的布置在无人机停放区域20两侧，通过数据线与中央控制模块21相连，用于将采集到的旋翼无人机图像传输到中央控制模块21；
所述机械臂模块16为两个相同的机械臂构成，机械臂为可伸展式机械臂，机械臂底部固定在回收舱内平台19上，所述机械臂模块16包括机械臂底座4、机械臂后臂5、机械臂后臂与中臂连接轴6、机械臂中臂7、机械臂中臂与前臂连接轴8、机械臂前臂9及机械手10，所述机械臂底座4内部安装有电机，该电机的输出轴与机械臂后臂5连接；所述机械臂中臂7的一端通过机械臂后臂与中臂连接轴6与机械臂后臂5铰接，机械臂中臂7的另一通过机械臂中臂与前臂连接轴8与机械臂前臂9铰接；所述机械手10安装在机械臂前臂9远离机械臂中臂7的一端上，机械手10包括机械手一级电机11、机械手二级电机12、机械手三级电机13及抓取单元，机械手一级电机11、机械手二级电机12、机械手三级电机13及抓取单元顺次连接，机械手一级电机11的输出轴与机械手二级电机12的输出轴垂直，机械手一级电机11的输出轴与机械手三级电机13的输出轴相互平行，抓取单元包括机械手腕14及机械手指15，机械手指15固定在机械手腕14上，机械手腕14用于控制机械手指15的开合以完成抓取动作。在机械臂底座4上设置有电机，电机的输出轴与机械臂后臂5连接，由此可驱动机械臂后臂5进行一定角度的横向旋转。机械臂后臂5、机械臂中臂7、机械臂前臂9之间的连接轴处采用电机控制机械臂的移动，可支持机械臂中臂与前臂的旋转和伸展。机械手10包含了三级电机，使得机械手10的活动有较高的自由度。机械臂通过电路与中央控制模块21连接，由中央控制模块21控制机械臂的伸缩、旋转和抓取动作，以完成抓取并回收无人机的过程。
所述中央控制模块21为一个嵌入式计算机，中央控制模块21置于搭载回收舱22的汽车内部，中央控制模块21分别与回收舱22、影像采集模块18及机械臂模块16连接。中央控制模块21与回收舱22连接，可通过电路控制回收舱可开合上盖1的开启和关闭；中央控制模块21与影像采集模块18连接，可控制摄像头开始工作并将图像信息传输回计算机以供分析；中央控制模块21与机械臂模块16连接，控制机械臂的所有动作，完成对旋翼无人机的抓取回收。中央控制模块21专门内置了完整的回收流程程序，在操控者发出对旋翼无人机的回收指令后开始执行程序，可发射无线电信号与旋翼无人机进行通信交换信息。在收到影像采集模块18传回的图像信息时，可通过对比双目摄像头的图像差异来计算旋翼无人机与汽车的相对位置，判断距离是否符合抓取条件，之后控制机械臂模块16对旋翼无人机进行抓取。
基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置的旋翼无人机回收方法，包括以下步骤：
A、旋翼无人机在飞行时，操控者向旋翼无人机和中央控制模块21发出回收指令；
B、中央控制模块21通过无线电信号与旋翼无人机建立通信，向旋翼无人机发送返航指令，并且每隔5s向旋翼无人机发送汽车位置、行进方向和速度等信息；
C、中央控制模块21获取旋翼无人机的GPS定位，通过定位信息计算旋翼无人机与汽车之间的距离；
D、旋翼无人机朝汽车所在位置飞行，当旋翼无人机与汽车相距约30m左右时，中央控制模块21控制回收舱可开合上盖1向后滑动，打开回收舱22；
E、回收舱22打开之后，中央控制模块21控制影像采集模块18开始工作，采集汽车上方的图像；
F、旋翼无人机飞行至汽车上方，与汽车保持同样的方向和速度飞行，之后缓慢降落；
G、影像采集模块18将两个摄像头拍摄到的图像传输到中央控制模块21，中央控制模块21对比两个图像的差异，并通过差异进行计算，从而对旋翼无人机进行空间定位；
H、旋翼无人机持续降落，当接近回收舱22时，即旋翼无人机降落至距离回收舱22小于1m时，中央控制模块21通过图像定位旋翼无人机的支架，协同控制机械臂模块16内的机械臂后臂与中臂连接轴6、机械臂中臂与前臂连接轴8、机械手一级电机11、机械手二级电机12及机械手三级电机13使机械臂伸展到合适位置，再控制机械手10内的抓取单元去抓取旋翼无人机的支架；
I、中央控制模块21通过图像确认机械手10稳定抓持旋翼无人机的支架后，控制机械臂向下移动，将旋翼无人机拖放到无人机放置台17上；
J、旋翼无人机在无人机放置台17上的无人机停放区域20停放稳定后，中央控制模块21向旋翼无人机发送停止工作的指令，同时控制回收舱可开合上盖1向前滑动关闭回收舱22。整个回收过程结束。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，其特征在于：包括回收舱(22)、影像采集模块(18)、机械臂模块(16)及中央控制模块(21)，所述中央控制模块(21)置于搭载回收舱(22)的汽车内部，中央控制模块(21)与旋翼无人机无线通信连接；
其中，所述回收舱(22)置于汽车车顶，回收舱(22)包括回收舱可开合上盖(1)、回收舱前挡盖(2)及回收舱底座(3)，所述回收舱可开合上盖(1)与回收舱底座(3)滑动连接，同时回收舱可开合上盖(1)与驱动其沿回收舱底座(3)滑动的中央控制模块(21)连接；所述回收舱前挡盖(2)固定在回收舱底座(3)上；
其中，所述影像采集模块(18)为设置在回收舱(22)内的两个摄像头，两个摄像头各自通过数据线与中央控制模块(21)相连，用于将采集到的旋翼无人机影像传输到中央控制模块(21)；在回收过程中，旋翼无人机靠近汽车时，摄像头用于识别旋翼无人机的位置，并把该位置信息传输给中央控制模块(21)；
其中，所述机械臂模块(16)为两个安置在回收舱底座(3)上的机械臂，机械臂为可伸展式机械臂，机械臂与中央控制模块(21)连接，在回收过程中，旋翼无人机靠近汽车时，机械臂用于捕获旋翼无人机，然后将旋翼无人机拖入回收舱(22)内。
2.根据权利要求1所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，其特征在于：所述回收舱(22)还包括回收舱内平台(19)，回收舱内平台(19)固定在回收舱底座(3)上，回收舱内平台(19)用于承载机械臂模块(16)和无人机放置台(17)，所述无人机放置台(17)的中间区域为无人机停放区域(20)；所述影像采集模块(18)设置在无人机放置台(17)上，且影像采集模块(18)中的两个摄像头呈对称的布置在无人机停放区域(20)两侧。
3.根据权利要求1或2所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，其特征在于：所述机械臂模块(16)包括机械臂底座(4)、机械臂后臂(5)、机械臂后臂与中臂连接轴(6)、机械臂中臂(7)、机械臂中臂与前臂连接轴(8)、机械臂前臂(9)及机械手(10)，所述机械臂底座(4)内部安装有电机，该电机的输出轴与机械臂后臂(5)连接；所述机械臂中臂(7)的一端通过机械臂后臂与中臂连接轴(6)与机械臂后臂(5)铰接，机械臂中臂(7)的另一通过机械臂中臂与前臂连接轴(8)与机械臂前臂(9)铰接，在机械臂中臂(7)与机械臂后臂(5)的连接处设置有电机，该电机的输出轴与机械臂中臂(7)连接，在机械臂中臂(7)与机械臂前臂(9)的连接处设置有电机，该电机的输出轴与机械臂前臂(9)连接；所述机械手(10)安装在机械臂前臂(9)远离机械臂中臂(7)的一端上，机械手(10)包括机械手一级电机(11)、机械手二级电机(12)、机械手三级电机(13)及抓取单元，机械手一级电机(11)、机械手二级电机(12)、机械手三级电机(13)及抓取单元顺次连接，机械手一级电机(11)的输出轴与机械手二级电机(12)的输出轴垂直，机械手一级电机(11)的输出轴与机械手三级电机(13)的输出轴相互平行，抓取单元包括机械手腕(14)及机械手指(15)，机械手指(15)固定在机械手腕(14)上，机械手腕(14)用于控制机械手指(15)的开合以完成抓取动作。
4.旋翼无人机回收方法，其特征在于，该方法采用权利要求3所述的基于机械抓取的车载旋翼无人机回收装置，具体包括以下步骤：
A、旋翼无人机在飞行时，操控者发出回收指令，旋翼无人机和中央控制模块(21)收到指令后，旋翼无人机与中央控制模块(21)建立通信连接；
B、中央控制模块(21)向旋翼无人机发送返航指令，并每隔预定时间向旋翼无人机发送载有回收舱(22)的汽车运行信息，该汽车运行信息包括汽车位置、行进方向和速度，旋翼无人机向汽车所在位置飞行，旋翼无人机与汽车的距离为30m～40m时，中央控制模块(21)控制回收舱可开合上盖(1)滑动，打开回收舱(22)；
C、打开回收舱(22)之后，中央控制模块(21)控制影像采集模块(18)采集汽车上方的图像；
D、旋翼无人机飞行至汽车上方，与汽车保持同样的方向和速度飞行，之后缓慢降落；
E、影像采集模块(18)将两个摄像头拍摄到的图像传输到中央控制模块(21)，中央控制模块(21)对比两个图像的差异，并通过差异进行计算，从而对旋翼无人机进行空间定位；
F、旋翼无人机持续降落，中央控制模块(21)获取旋翼无人机降落至距离回收舱(22)小于1m的信息时，控制机械臂对旋翼无人机进行抓取；
G、中央控制模块(21)控制影像采集模块(18)协同机械臂抓取旋翼无人机，并控制机械臂将旋翼无人机拖放至回收舱(22)内，回收舱可开合上盖(1)滑动，关闭回收舱(22)，旋翼无人机回收过程结束。
5.根据权利要求4所述的旋翼无人机回收方法，其特征在于：步骤B中所述的预定时间为5s。
6.根据权利要求4所述的旋翼无人机回收方法，其特征在于：步骤B中旋翼无人机与汽车的距离获得过程为：中央控制模块(21)获取旋翼无人机的GPS定位，通过定位信息计算得到旋翼无人机与汽车之间的距离。
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