CN109319129A - 一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法，由图像采集模块、图像处理和自动控制单元、切伞机构组成；图像采集模块的光电摄像头安装在无人机机身底部光电吊舱的云台上，云台具有三个方向的旋转自由度，光电摄像头的镜头垂直朝向地面拍摄，光电摄像头输出端和图像采集卡的输入端连接。图像处理和自动控制单元集成在机载计算机中，图像采集模块的输出端和图像处理板的输入端连接，图像处理板的输出端和自动控制板的输入端连接，图像处理和自动控制单元的输出端和切伞机构的输入端连接。切伞机构采用四杆机构应用稳定可靠，进行切伞动作时，舌片打开使伞带套环和切伞机构快速分离。切伞装置体积小，安装便捷，通用性强。

Description

一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法

技术领域

本发明涉及固定翼无人机降落伞切伞技术领域，具体地说，涉及一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法。

背景技术

无人机的降落回收在无人机的飞行系统中占有重要的地位，无人机的降落回收方式主要分为滑降式回收、伞降式回收、撞网式回收、钩索式回收等。其中，伞降式回收因其对外部环境的要求低、回收伞可重复利用、适用性强等特点，在无人机领域有广泛的应用。采用伞降式回收的无人机在伞降回收过程中，依次需要经历开伞、切伞、抛伞等几个步骤。在进行切伞步骤之前，无人机为防止整机摆动过大，需要将降落伞的伞带部分用绳索固定，等飞机速度平稳并接近地面时再切断绳索，释放固定的伞带，使飞机和降落伞分离，避免由于降落伞和飞机没有分离，进而造成飞机在地面上受风吹的影响出现拖拽和磕碰的危险。因此，无人机伞降式回收过程中的切伞过程要求速度快、安全可靠。

发明专利201310269265.7公开了“一种无人机与降落伞自动分离系统与方法”，该方法无机械保护装置，该装置在降落伞的拉力过大时，由摇臂的旋转驱动活动销的移动从而实现切伞时需要电机输出的力矩大，容易造成电机的损坏。在发明专利201710259453.X提出了“一种无人机自动切伞器”该自动切伞器采用全机械结构的方式，仅依靠无人机触地时挂钩对舌片的压力减小实现降落伞和无人机的分离，可靠性较低，智能化低。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括图像采集模块、图像处理和自动控制单元、切伞机构，其特征在于所述图像采集模块包括光电摄像头和图像采集卡，光电摄像头位于无人机机身底部，光电摄像头的镜头朝向地面拍摄，光电摄像头的输出端和图像采集卡的输入端之间连接；

所述图像处理和自动控制单元为无人机机载计算机中的图像处理板和自动控制板，图像采集模块的输出端和图像处理板的输入端之间连接，图像处理板的输出端和自动控制板的输入端连接，图像处理和自动控制单元的输出端和切伞机构的输入端连接；

所述切伞机构由电机组件、曲柄、连杆、摇杆、舌片、套环、销轴、弹簧和安装座组成，所述安装座为各部件提供支撑；所述电机组件包括电机和减速器，电机输出轴和减速器通过联轴器连接，减速器输出端与曲柄连接，电机为双向旋转电机，电机在接收到图像处理和自动控制单元输出的指令后，输出旋转力矩，驱动减速器和曲柄旋转；所述曲柄为正方体和圆柱体一体结构，圆柱体顶部为球面形，曲柄的正方体和圆柱体上分别开有径向销轴孔，且曲柄上的两个销轴孔的轴线相互平行位于同一平面内；所述连杆为H形结构，两端开有销轴孔，连杆一端和曲柄通过销轴连接，连杆另一端和摇杆配合通过销轴连接；所述摇杆为圆柱体，摇杆顶端部为球面，摇杆下端侧面开有销轴孔；所述舌片前端为有曲率的圆弧结构，舌片中间部位开有销轴孔，舌片后端为平板结构，舌片位于安装座上端凹槽内，销轴穿过安装座和舌片上的销轴孔连接在安装座上，舌片绕销轴转动，舌片的后端面与摇杆顶端配合，舌片与摇杆之间为点接触；所述套环穿过舌片的前端位于舌片与安装座之间的间隙中，套环用于连接伞带；所述弹簧装套在连接舌片和安装座的销轴上，并使舌片的初始位置为舌片的前端靠在安装座上，切伞机构和无人机机身通过安装座连接；其控制方法包括以下步骤:

步骤1.图像采集模块中的摄像头云台调节左右两个摄像头与地面垂直，采集摄像头范围内的所有特征，选取具有特殊形状或者特殊灰度变化的特征作为判断距离的目标，左右摄像头同步采集目标图像；

步骤2.摄像头采集到图像信息后，图像采集模块中图像采集卡将采集到的图像的光信号转换成模拟信号，图像采集卡的输出端将模拟信号输送到图像处理和自动控制单元的图像处理板的输入端，在图像处理板中判断选定的目标是否在采集图像范围内，如果选定的目标消失，则返回重新进行目标选定；如果目标在采集图像范围内则图像处理和自动控制单元中的图像处理板进行图像的预处理，图像的预处理包括图像滤波，图像距离变换、图像分割，经过图像分割后的图像具有边界特征，通过提取边界特征得到目标图像的轮廓特征，选定目标图像的几何中心C为提取的图像特征；

步骤3.建立绝对坐标系OXYZ、左摄像头坐标系O_LX_LY_LZ_L、右摄像头坐标系O_RX_RY_RZ_R，计算左摄像头的旋转矩阵R_L，计算左摄像头的平移向量T_L，计算右摄像头的旋转矩阵R_R，计算右摄像头的平移向量T_R，将左右摄像头的旋转矩阵各平移向量换算成绝对坐标系下的形式，计算左右摄像头对目标图像集合中心C的左右视差x，计算目标距离L；

步骤4.判断计算得到的目标距离L和设定的切伞临界距离L0的大小，如果L>L0，则返回到步骤2重新选定目标图像，如果L≤L0，则图像处理和自动控制单元中的自动控制板向电机发送切伞指令，电机旋转一个角度，带动切伞机构完成切伞动作。

有益效果

本发明提出的一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法，其中，图像采集模块的光电摄像头为无人机通用配套设备，无需加装其他传感器用于测距，减少其无人机机身重量，降低无人机成本。图像采集模块的光电摄像头具有红外摄像功能，不受夜间和光线差环境的影响，灵敏度较高。图像处理和自动控制单元集成在无人机机载计算机中，合理分配利用机载计算机的硬件资源，处理速度快、控制精度高。切伞机构采用四杆机构原理和力学中的杠杆原理，实际应用稳定可靠，保证切伞动作前伞带套环牢固、不易脱落，进行切伞动作时，舌片打开快速不卡顿、伞带套环可瞬间和切伞机构分离。切伞装置体积小，安装方便，适应性和通用性强。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法作进一步详细说明。

图1为本发明所使用的固定翼无人机自动切伞装置的安装部位示意图。

图2为本发明的切伞机构在切伞前工作状态的位置示意图。

图3为本发明的切伞机构在切伞后工作状态的位置示意图。

图4为本发明固定翼无人机自动切伞装置控制方法的控制流程图。

图中:

1.图像采集模块2.图像处理和自动控制单元3.切伞机构4.电机组件5.曲柄6.连杆7.摇杆8.舌片9.套环10.销轴11.弹簧12.安装座

具体实施方式

本实施例是一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法。

参阅图1～图4，本实施例固定翼无人机自动切伞装置控制方法，包括图像采集模块1、图像处理和自动控制单元2、切伞机构3。其中，图像采集模块1包括光电摄像头和图像采集卡，光电摄像头安装在无人机机身底部光电吊舱的云台上，云台具有三个方向的旋转自由度，光电摄像头的镜头垂直朝向地面拍摄，光电摄像头的输出端和图像采集卡的输入端连接。图像处理和自动控制单元2为无人机机载计算机中的图像处理板和自动控制板，图像采集模块1的输出端和图像处理板的输入端连接，图像处理板的输出端和自动控制板的输入端连接，图像处理和自动控制单元2的输出端和切伞机构3的输入端连接。

图像采集模块1对获取到的图像进行预处理，光电摄像头负责获取图像信息，摄像头为双目摄像头，用左摄像头和右摄像头来区分，摄像头获取图像并实现图像光信号到模拟信号的转换。图像采集卡将模拟信号进行A/D转换并输出数字信号到图像处理和自动控制单元2；图像处理和自动控制单元2中的图像处理板对数字信号进行图像去燥、畸变消除、特征提取、图像匹配和距离计算，自动控制板对图像处理板的结果做出判断，发送控制指令。

切伞机构3由电机组件4、曲柄5、连杆6、摇杆7、舌片8、套环9、销轴10、弹簧11和安装座12组成；其中，电机组件4包括电机和减速器，电机的输出轴和减速器的输入端通过联轴器连接，减速器的输出端和曲柄5连接；电机为双向旋转电机，电机在接收到图像处理和自动控制单元2输出的指令后，输出旋转力矩，驱动减速器和曲柄5旋转，电机是整套切伞机构3的驱动部件。曲柄5采用铝合金材质加工，曲柄5为正方体和圆柱体一体结构，圆柱体顶部为球面形，曲柄5的正方体和圆柱体上分别开有径向销轴孔，且曲柄5上的两个销轴孔的轴线相互平行位于同一平面内。连杆6为H形结构，两端开有销轴孔，连杆6一端和曲柄5通过销轴10连接，连杆6另一端和摇杆7配合通过销轴10连接。摇杆7为铝合金材质的圆柱体，摇杆7顶端部为球面，球形端面上喷有特殊的耐磨材料，摇杆7下端侧面开有销轴孔，连杆6和摇杆7通过销轴10连接。舌片8采用铝合金材质加工，舌片8前端为有曲率的圆弧结构，舌片8中间部位开有销轴孔，舌片8后端为平板结构，舌片8平板的底面喷涂有耐磨材料。舌片8位于安装座12上端凹槽内，销轴10穿过安装座12和舌片8上的销轴孔连接在安装座上，舌片8绕销轴10转动，舌片8的后端面与摇杆7顶端配合，舌片8与摇杆7之间为点接触。套环9穿过舌片的前端位于舌片8与安装座12之间的间隙中，套环9用于连接伞带。弹簧11装套在连接舌片8和安装座12的销轴上，并使舌片8的初始位置为舌片8的前端靠在安装座12上，切伞机构3和无人机机身通过安装座12连接。其控制方法包括以下步骤:

(1)图像采集模块中的摄像头云台调节左右两个摄像头与地面垂直，采集摄像头范围内的所有特征，选取具有特殊形状或者特殊灰度变化的特征作为判断距离的目标，左右摄像头同步采集目标图像；

(2)摄像头采集到图像信息后，图像采集模块中图像采集卡将采集到的图像的光信号转换成模拟信号，图像采集卡的输出端将模拟信号送入到图像处理和自动控制单元的图像处理板的输入端，在图像处理板中判断选定的目标是否在采集图像范围内，如果选定的目标消失，则返回重新进行目标选定，如果目标在采集图像范围内则图像处理和自动控制单元中的图像处理板进行图像的预处理；图像的预处理包括图像滤波，图像距离变换、图像分割，经过图像分割后的图像具有边界特征，通过提取边界特征得到目标图像的轮廓特征，选定目标图像的几何中心C为提取的图像特征；

(3)建立绝对坐标系OXYZ、左摄像头坐标系O_LX_LY_LZ_L、右摄像头坐标系O_RX_RY_RZ_R，计算左摄像头的旋转矩阵R_L，计算左摄像头的平移向量T_L，计算右摄像头的旋转矩阵R_R，计算右摄像头的平移向量T_R，将左右摄像头的旋转矩阵各平移向量换算成绝对坐标系下的形式，计算左右摄像头对目标图像集合中心C的左右视差x，计算目标距离L；

(4)判断计算得到的目标距离L和设定的切伞临界距离L0的大小，如果L>L0，则返回到步骤2重新选定目标图像，如果L≤L0，则图像处理和自动控制单元中的自动控制板向电机发送切伞指令，电机旋转一个角度，带动切伞机构完成切伞动作。

工作过程

切伞机构在切伞前各部件处于初始位置时，曲柄5长度方向的轴线和连杆6长度方向轴线处在同一条直线上；摇杆7长度方向的轴线为垂直方向，舌片8销轴孔的轴线为水平方向，保证摇杆7和舌片8之间互相垂直，此时连杆6和和摇杆7之间处于机械死点位置。

切伞机构在切伞后各部件的所处的位置，曲柄5转过一个很小的角度，曲柄5长度方向的轴线和连杆6长度方向的轴线此时不再共线，摇杆7在连杆6的带动下偏转一个很小的角度，打破机械死点位置，舌片8绕销轴10转动一个角度，舌片8在杠杆作用下，舌片8的前端向上翘起，舌片8和安装座12之间的间隙变大，套环9在伞带的拉力作用下滑脱出舌片8和安装座12之间的间隙，实现切伞动作。

无人机进入降落回收航迹时，自动切伞装置开始工作，依次经过相机云台调节、搜寻远距离目标、左右摄像头同步采集图像、图像的预处理、图像分割、图像特征提取、摄像头标定、图像特征匹配、计算左右摄像头视差x，计算目标距离L，判断目标距离L和切伞临界距离L0的大小各步骤，当满足目标距离L在切伞临界距离之内时，自动控制板向电机发出切伞指令，电机旋转一个角度，从而实现切伞动作，完成整套切伞装置的自动切伞过程。

Claims (1)

1.一种固定翼无人机自动切伞装置控制方法，包括图像采集模块、图像处理和自动控制单元\切伞机构，其特征在于:所述图像采集模块包括光电摄像头和图像采集卡，光电摄像头位于无人机机身底部，光电摄像头的镜头朝向地面拍摄，光电摄像头的输出端和图像采集卡的输入端之间连接；所述图像处理和自动控制单元为无人机机载计算机中的图像处理板和自动控制板，图像采集模块的输出端和图像处理板的输入端之间连接，图像处理板的输出端和自动控制板的输入端连接，图像处理和自动控制单元的输出端和切伞机构的输入端连接；

所述切伞机构由电机组件、曲柄、连杆、摇杆、舌片、套环、销轴、弹簧和安装座组成，所述安装座为各部件提供支撑；所述电机组件包括电机和减速器，电机输出轴和减速器通过联轴器连接，减速器输出端与曲柄连接，电机为双向旋转电机，电机在接收到图像处理和自动控制单元输出的指令后，输出旋转力矩，驱动减速器和曲柄旋转；所述曲柄为正方体和圆柱体一体结构，圆柱体顶部为球面形，曲柄的正方体和圆柱体上分别开有径向销轴孔，且曲柄上的两个销轴孔的轴线相互平行位于同一平面内；所述连杆为H形结构，两端开有销轴孔，连杆一端和曲柄通过销轴连接，连杆另一端和摇杆配合通过销轴连接；所述摇杆为圆柱体，摇杆顶端部为球面，摇杆下端侧面开有销轴孔；所述舌片前端为有曲率的圆弧结构，舌片中间部位开有销轴孔，舌片后端为平板结构，舌片位于安装座上端凹槽内，销轴穿过安装座和舌片上的销轴孔连接在安装座上，舌片绕销轴转动，舌片的后端面与摇杆顶端配合，舌片与摇杆之间为点接触；所述套环穿过舌片的前端位于舌片与安装座之间的间隙中，套环用于连接伞带；所述弹簧装套在连接舌片和安装座的销轴上，并使舌片的初始位置为舌片的前端靠在安装座上，切伞机构和无人机机身通过安装座连接；其控制方法包括以下步骤:

步骤1.图像采集模块中的摄像头云台调节左右两个摄像头与地面垂直，采集摄像头范围内的所有特征，选取具有特殊形状或者特殊灰度变化的特征作为判断距离的目标，左右摄像头同步采集目标图像；

步骤2.摄像头采集到图像信息后，图像采集模块中图像采集卡将采集到的图像的光信号转换成模拟信号，图像采集卡的输出端将模拟信号输送到图像处理和自动控制单元的图像处理板的输入端，在图像处理板中判断选定的目标是否在采集图像范围内，如果选定的目标消失，则返回重新进行目标选定；如果目标在采集图像范围内则图像处理和自动控制单元中的图像处理板进行图像的预处理，图像的预处理包括图像滤波，图像距离变换、图像分割，经过图像分割后的图像具有边界特征，通过提取边界特征得到目标图像的轮廓特征，选定目标图像的几何中心C为提取的图像特征；

步骤3.建立绝对坐标系OXYZ、左摄像头坐标系O_LX_LY_LZ_L、右摄像头坐标系O_RX_RY_RZ_R，计算左摄像头的旋转矩阵R_L，计算左摄像头的平移向量T_L，计算右摄像头的旋转矩阵R_R，计算右摄像头的平移向量T_R，将左右摄像头的旋转矩阵各平移向量换算成绝对坐标系下的形式，计算左右摄像头对目标图像集合中心C的左右视差x，计算目标距离L；

步骤4.判断计算得到的目标距离L和设定的切伞临界距离L0的大小，如果L>L0，则返回到步骤2重新选定目标图像，如果L≤L0，则图像处理和自动控制单元中的自动控制板向电机发送切伞指令，电机旋转一个角度，带动切伞机构完成切伞动作。