CN109515731B - 一种无人机车载自动机场降落设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机技术领域，具体地说是一种无人机车载自动机场降落设备，包括GPS定位系统，其特征在于，包括水平设置的起降平台、对中模块、夹持模块、主动稳定模块、支撑平台、固定底板、电池更换模块、壳体、降落信标；其控制方法包括位置识别、位置保持、路况判断、主动稳定、精准同步、着陆、对中、固定步骤，本发明和现有技术相比，提高了无人机降落的稳定性，实现了无人机在车载移动式机场着落以及固定运输等功能。

Description

一种无人机车载自动机场降落设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体地说是一种无人机车载自动机场降落设备及其控制方法。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“∪AV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。
目前，无人机的地勤系统落后于无人机本身的发展，主要由跑道/停机坪和无线电遥控设备构成，自动化程度极低，需要人工值守。此外，目前的无人机自动降落机场，机场本身还是静态放置在地面上的，如果放置在移动的车辆上，如何确保无人机能平稳降落而不发生偏移甚至碰撞坠毁，此前没有好的解决方案和产品。
无人机地勤系统其中配置有停机坪这类的机场，无人机往往在降落时定位精度不高，出现降落位置偏差大甚至降落到停机坪之外的情况，间接导致整个停机坪尺寸需要做得很大；另外地勤作业也需要大量的人工参与才能完成，例如手动装卸电池或清洁。
因此，现有技术还有待发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种无人机车载自动机场降落设备及其控制方法。旨在解决现有技术安全性能差，自动化程度低下的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
本发明提供一种无人机车载自动机场降落设备，包括GPS定位系统，其特征在于，包括：
水平设置的起降平台，用来承载降落的外部无人机；
对中模块，包括对中驱动装置和对中工作端，所述对中驱动装置设置在起降平台上，所述对中工作端位于所述起降平台的上方，所述对中驱动装置带动对中工作端在同一水平面上移动，使得降落的外部无人机被对中工作端带动至起降平台的中央的停机区；
设在起降平台中央的停机区下方相应位置处的夹持模块，包括间距调节装置、两个垂直设置的夹爪装置，所述夹爪装置的抓持部位于夹爪装置的上端，所述间距调节装置与分别与两个夹爪装置的底部相连，带动两个夹爪装置做水平方向上的相对运动，所述起降平台上设有使得夹爪装置的抓持部通过的贯通的夹持轨道；当夹爪装置处于松脱状态时，其抓持部处于起降平台上表面的下方，当夹爪装置处于抓紧状态时，其抓持部穿过起降平台上设置的夹持轨道抓持住外部无人机的对应位置；
主动稳定模块，包括倾角测量装置、垂直设置在所述起降平台下部的设备稳定装置，所述设备稳定装置的工作端分别与起降平台下部的对应位置轴接，所述倾角测量装置接收倾角信号，并将倾角信号传递至设备稳定装置，设备稳定装置的工作端运动，使起降平台保持水平状态；
支撑平台，设在主动稳定模块下部，所述设备稳定装置的底端固定在支撑平台上；
固定底板，固定在支撑平台下部；
电池更换模块，包括水平设置的电池夹爪滑轨、滑轨驱动装置、电池夹爪横移驱动装置，所述电池夹爪滑轨的两端分别通过立柱轨接在所述起降平台上表面的靠近两对称侧边处，所述滑轨驱动装置驱动电池夹爪滑轨在起降平台上方做水平方向上的往复运动，所述电池夹爪滑轨上还轨接有电池夹爪装置，所述电池夹爪装置在所述电池夹爪横移驱动装置的驱动下沿着电池夹爪滑轨往复运动；所述电池夹爪装置包括电池夹爪驱动装置、电池夹爪，所述电池夹爪驱动装置带动电池夹爪在垂直方向上做往复直线运动；
壳体，罩设在所述起降平台、对中模块、夹持模块、主动稳定模块、电池更换模块的外部。降落信标，设在所述起降平台下方中部。
进一步的，所述对中模块包括水平的两个呈十字形上下交错设置的对中机构；每个所述对中机构包括：
分别设置在起降平台下表面的两对称侧处的两个对中板，每个对中板的下表面处均轨接有一个对中条，所述对中条呈开口向上的∪形，其底边上表面与相应的对中板的下表面轨接，其两侧臂从相应对中板的两对称边的外侧向上延伸，穿过起降平台上对应位置处呈井字形设置的对中轨道，从而使得对中条两侧臂的端部位于起降平台上方；
对中条驱动装置，包括齿条驱动器、轴接在一块对中板下表面上的传动齿轮、嵌合在齿轮两侧的两个平行设置的传动齿条，其中一个所述传动齿条的底部与一个对中条固定连接，另一个所述传动齿条的底部通过连接杆与另一个对中条固定连接，所述齿条驱动装置驱动两个传动齿条相向运动，从而带动两个对中条沿着对中轨道做水平同步的相向运动。进一步的，所述对中模块包括水平的呈十字形设置的对中机构；每个所述对中机构包括：设置在起降平台下表面的对中长板，每个对中长板的上表面靠近两端处分别轨接有一个对中块，所述对中块贯穿起降平台上对应位置处设置的呈十字形的对中轨道，使对中块的上端位于起降平台上方；
对中块驱动装置，包括固定在对中长板上的支架驱动器、Z形支架，所述Z形支架包括两个连杆、轴接两个连杆之间的摆杆，所述两个连杆的外端部分别与两个对中块轴接，所述支架驱动器带动Z形支架进行往复的折叠拉伸运动，进而使带动两个对中块沿着对中轨道做水平同步的相向运动。
进一步的，所述齿条驱动器采用齿条驱气缸，所述齿条驱动气缸的侧壁固定在一块对中板下表面处，其工作端与一个传动齿条的端部平面固定连接。
进一步的，所述齿条驱动器采用齿条驱动电机，所述齿条驱动电机的底部固定在一块对中板上表面处其转轴部贯穿对中板后与传动齿轮的内侧轴接。
进一步的，所述支架驱动器采用支架驱动气缸，所述支架驱动气缸水平固定在对中长板上表面上，其伸缩杆端部与摆杆和一连杆轴接处轴接。
进一步的，所述支架驱动器采用支架驱动电机2-35，所述支架驱动电机2-35的底部垂直固定在对中长板下表面上，其转轴部垂直穿过对中长板后与摆杆和一连杆轴接处轴接。
进一步的，所述起降平台上方固定有支撑方框，所述支撑方框的每条侧边处均设有一个与相应侧边平行的同步带，所述同步带在所述支撑方框的上下侧交错设置，从而分成两个对称的上层同步带和两个对称的下层同步带，同步带的传动辊水平设置在支撑方框的四角处的对应位置，两个对称的同层同步带之间均垂直固定有两根平行设置的对中杆，其中一根对中杆的两端分别固定在相应同步带的上部带上，另一根对中杆的两端分别固定在相应同步带的下部带上，每层同步带中的一个同步带的一个传动辊上轴接有一个同步带驱动电机，每层同步带中的一个同步带的另一个传动辊与另一个传动带相应位置的传动辊之间连接有同步传动轴。
进一步的，所述间距调节装置包括T形板、侧壁固定在T形板的竖直板上表面的间距调节驱动电缸、水平设置的呈等腰梯形的主动锲块、分别轨接在主动锲块两侧边处的两个从动锲块，两个夹爪装置的底部分别固定在两个从动锲块的上表面上，两个从动锲块的下表面分别轨接在T形板的水平板上表面处相应位置，所述主动锲块的下表面轨接在T形板垂直板上表面处，所述间距调节驱动电缸的伸缩杆的端部与主动锲块的底边固定连接，推动主动锲块沿着T形板垂直板的长度方向往复运动，从而带动两个从动锲块沿着T形板水平板的长度方向做相对的往复运动。
进一步的，所述倾角测量装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器将三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计接收的信号融合后转换为设备稳定信号，并传递至设备稳定装置。
进一步的，所述设备稳定装置包括垂直设置在起降平台下部的三个稳定电缸，三个稳定电缸的伸缩杆上端分别铰接在所述起降平台的下表面相应处，其底端分别固定在支撑平台的上表面的相应处，三个所述稳定电缸不排布在同一条直线上，所述设备稳定信号控制三个所述稳定电缸的伸缩杆的伸缩幅度，使起降平台始终保持在水平状态。
进一步的，所述壳体包括挡设在主动稳定模块四周的波纹罩、挡设在起降平台侧边外侧的起降保护罩、密封设置在起降保护罩顶部开口处的卷帘门。
进一步的，所述支撑平台和固定底板之间还设有若干减震垫。
进一步的，还包括两个充电座，两个所述充电座分别设在靠近电池夹爪滑轨两端处的起降平台上表面处。
一种无人机车载自动机场降落设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)位置识别；所述GPS定位系统向外部无人机发送GPS位置信息，获取无人机车载自动机场降落设备的实时位置；
2)位置保持；使外部无人机到达无人机车载自动机场降落设备上空，并在到达后第一次降低外部无人机的飞行高度；
3)路况判断；判断路况是否平整，若路况平整，则转入步骤4)，若路况不平整，则转入步骤5)；
4)主动稳定；所述主动稳定模块工作，使得起降平台保持在水平状态；
5)精准同步；外部无人机通过降落位置识别进一步定位无人机车载自动机场降落设备的准确位置，并与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动；
6)着陆；外部无人机在车载自动机场降落设备上空第二次降低高度至安全距离，并在到达安全距离后中断外部无人机动力，使外部无人机自由落体着陆至起降平台上；
7)对中；所述对中模块工作，使已着陆在起降平台上的外部无人机被推动至起降平台的停机区；
8)固定；所述夹持模块工作，所述间距调节装置根据外部无人机的起落架的宽度调节两个夹爪装置的间距，调节完成后夹爪装置启动，夹持固定外部无人机。
进一步的，精准同步步骤中所述的降落位置识别包括使用外部无人机的下视摄像头检测机场图形、使用外部无人机的红外摄像头检测机场的降落信标，从而使机载控制器根据机场坐标系下X轴方向、Y轴方向相素偏移量与高度数据，通过如下公式计算出无人机与起降平台绝对位置偏差：
Figure GDA0003658746140000051
其中，px、py为无人机本体坐标系统测量像素偏差转换为位置偏差；
ex、ey为无人机与机场平台在地理坐标系统下的相对位置偏差。
进一步的，精准同步步骤中外部无人机与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动是通过PID算法调整X轴方向及Y轴方向上的位移速度及位移量来确定的。
进一步的，主动稳定步骤按照如下步骤进行：
A)加速度计与磁力计校正；采用最小二乘法求出偏斜椭球方程的各个参数，进而求出偏斜球心和轴长；
B)坐标转换；已知磁通量在世界坐标系下的X轴分量为0，重力加速度方向与Z轴一致，通过向量点乘求得磁通量在世界坐标系下的Z轴分量，再用模长公式求出Y轴分量，即得在世界坐标系下的磁通量向量Wm；
C)使用陀螺仪估算出当前时刻的四元数，算出估算姿态下的重力加速度和磁通量向量，再用加速度/磁力计测量到的重力加速度和磁通量向量按照EKF校正方程进行校正；
D)计算欧拉角；使用导航公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000061
其中，俯仰角θ：停机平台本体坐标系统Oxb轴与地平台间的夹角；
偏航角ψ：停机平台本体坐标系统Oxb轴在水平面内的投影与地面坐标系统Ogxg轴间的夹角；
滚动角γ：停机平台坐标系Ozb轴与Oxb垂直平面之间的夹角；
E)控制量计算；将俯仰角θ，滚动角γ与水平面间夹角偏差，作为控制输入X、Y方向的控制量，使用PID算法公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000062
其中，u(t)x，y平台：X、Y方向控制量；
e(t)x，y：平台与地理坐标系下X、Y方向与水平方向角度偏差；
Kp：比例系数；
KI：积分系数；
KD：微分系数；
F)电缸位移量计算；三个稳定电缸的伸缩杆与起降平台的支撑点组成等腰三角形，其中位于该等腰三角形斜边两端处的两个稳定电缸分别控制X轴、Y轴方向上的平台姿态角旋转，三个稳定电缸组合实现Z轴方向上的平台姿态角旋转，其中：
保持平台水平姿态控制，a、b伸缩杆的长度计算如下：
l(t)a，b＝Max(k·u(t)x，y，L)
其中，l(t)a，b为a、b伸缩杆的长度；
k为比例系数；
L为伸缩杆的最大行程；
组合平台上下位移控制，三个稳定电缸的伸缩长度计算如下：
Figure GDA0003658746140000071
其中，ψa、ψb、ψc：三个稳定电缸的伸缩长度；
s(t)z：z轴上下位移的偏差。
本发明与现有技术相比，提高了无人机降落的稳定性，实现了无人机在车载移动式机场着落以及固定运输等功能。
附图说明
图1为本发明在第一个方案下的对中机构的部分结构示意图；
图2为本发明起降平台的结构示意图；
图3为本发明电池更换模块部分的结构示意图；
图4为本发明第一个方案下的对中模块的整体结构示意图；
图5为本发明拆去壳体后的整体结构示意图；
图6为本发明夹持模块的整体结构示意图；
图7为本发明的爆炸结构示意图；
图8为本发明在第二个方案下采用气缸驱动的对中机构部分示意图；
图9为本发明在第二个方案下采用电机驱动的对中机构部分示意图；
图10为本发明在第三个方案下的对中机构整体示意图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1～6所示，本发明提供一种无人机车载自动机场降落设备，包括GPS定位系统，其特征在于，包括：
水平设置的起降平台1，用来承载降落的外部无人机；
对中模块，包括对中驱动装置和对中工作端，所述对中驱动装置设置在起降平台1上，所述对中工作端位于所述起降平台1的上方，所述对中驱动装置带动对中工作端在同一水平面上移动，使得降落的外部无人机被对中工作端带动至起降平台1的中央的停机区；
设在起降平台1中央的停机区下方相应位置处的夹持模块，包括间距调节装置、两个垂直设置的夹爪装置4-3，所述夹爪装置4-3的抓持部位于夹爪装置4-3的上端，所述间距调节装置与分别与两个夹爪装置4-3的底部相连，带动两个夹爪装置4-3做水平方向上的相对运动，所述起降平台1上设有使得夹爪装置4-3的抓持部通过的贯通的夹持轨道1-2；当夹爪装置4-3处于松脱状态时，其抓持部处于起降平台1上表面的下方，当夹爪装置4-3处于抓紧状态时，其抓持部穿过起降平台1上设置的夹持轨道1-2抓持住外部无人机的对应位置；
主动稳定模块，包括倾角测量装置、垂直设置在所述起降平台1下部的设备稳定装置，所述设备稳定装置的工作端分别与起降平台1下部的对应位置轴接，所述倾角测量装置接收倾角信号，并将倾角信号传递至设备稳定装置，设备稳定装置的工作端运动，使起降平台1保持水平状态；
支撑平台6，设在主动稳定模块下部，所述设备稳定装置的底端固定在支撑平台6上；固定底板7，固定在支撑平台6下部；
电池更换模块，包括水平设置的电池夹爪滑轨5-1、滑轨驱动装置5-4、电池夹爪横移驱动装置5-2，所述电池夹爪滑轨5-1的两端分别通过立柱轨接在所述起降平台1上表面的靠近两对称侧边处，所述滑轨驱动装置5-4驱动电池夹爪滑轨5-1在起降平台1上方做水平方向上的往复运动，所述电池夹爪滑轨5-1上还轨接有电池夹爪装置，所述电池夹爪装置在所述电池夹爪横移驱动装置5-2的驱动下沿着电池夹爪滑轨5-1往复运动；所述电池夹爪装置包括电池夹爪驱动装置5-21、电池夹爪5-22，所述电池夹爪驱动装置5-21带动电池夹爪5-22在垂直方向上做往复直线运动；
壳体，罩设在所述起降平台1、对中模块、夹持模块、主动稳定模块、电池更换模块的外部。
降落信标，设在所述起降平台1下方中部。
进一步的，所述对中模块包括水平的两个呈十字形上下交错设置的对中机构；每个所述对中机构包括：
分别设置在起降平台1下表面的两对称侧处的两个对中板2-1，每个对中板2-1的下表面处均轨接有一个对中条2-11，所述对中条2-11呈开口向上的∪形，其底边上表面与相应的对中板2-1的下表面轨接，其两侧臂从相应对中板2-1的两对称边的外侧向上延伸，穿过起降平台1上对应位置处呈井字形设置的对中轨道1-1，从而使得对中条2-11两侧臂的端部位于起降平台1上方；
对中条2-11驱动装置，包括齿条驱动器、轴接在一块对中板2-1下表面上的传动齿轮2-13、嵌合在齿轮两侧的两个平行设置的传动齿条2-12，其中一个所述传动齿条2-12的底部与一个对中条2-11固定连接，另一个所述传动齿条2-12的底部通过连接杆2-15与另一个对中条2-11固定连接，所述齿条驱动装置驱动两个传动齿条2-12相向运动，从而带动两个对中条2-11沿着对中轨道1-1做水平同步的相向运动。
进一步的，所述齿条驱动器采用齿条驱动气缸2-14或齿条驱动电机，所述齿条驱动气缸2-14的侧壁固定在一块对中板2-1下表面处，其工作端与一个传动齿条2-12的端部平面固定连接；所述齿条驱动电机的底部固定在一块对中板2-1上表面处其转轴部贯穿对中板2-1后与传动齿轮2-13的内侧轴接。
进一步的，所述倾角测量装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器将三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计接收的信号融合后转换为设备稳定信号，并传递至设备稳定装置。
进一步的，所述设备稳定装置包括垂直设置在起降平台1下部的三个稳定电缸3-1，三个稳定电缸3-1的伸缩杆上端分别铰接在所述起降平台1的下表面相应处，其底端分别固定在支撑平台6的上表面的相应处，三个所述稳定电缸3-1不排布在同一条直线上，所述设备稳定信号控制三个所述稳定电缸3-1的伸缩杆的伸缩幅度，使起降平台1始终保持在水平状态。
进一步的，所述壳体包括挡设在主动稳定模块四周的波纹罩8、挡设在起降平台1侧边外侧的起降保护罩9、密封设置在起降保护罩9顶部开口处的卷帘门9-1。
进一步的，所述支撑平台6和固定底板7之间还设有若干减震垫7-1。
进一步的，还包括两个充电座5-3，两个所述充电座5-3分别设在靠近电池夹爪滑轨5-1两端处的起降平台1上表面处。
本发明工作时，其控制方法按照以下步骤进行：
1)位置识别；所述GPS定位系统向外部无人机发送GPS位置信息，获取无人机车载自动机场降落设备的实时位置；
2)位置保持；使外部无人机到达无人机车载自动机场降落设备上空，并在到达后第一次降低外部无人机的飞行高度；
3)路况判断；判断路况是否平整，若路况平整，则转入步骤4，若路况不平整，则转入步骤5；
4)主动稳定；所述主动稳定模块工作，使得起降平台1保持在水平状态；
5)精准同步；外部无人机通过降落位置识别进一步定位无人机车载自动机场降落设备的准确位置，并与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动；
6)着陆；外部无人机在车载自动机场降落设备上空第二次降低高度至安全距离，并在到达安全距离后中断外部无人机动力，使外部无人机自由落体着陆至起降平台1上；
7)对中；所述对中模块工作，使已着陆在起降平台1上的外部无人机被推动至起降平台1的停机区；
8)固定；所述夹持模块工作，所述间距调节装置根据外部无人机的起落架的宽度调节两个夹爪装置4-3的间距，调节完成后夹爪装置4-3启动，夹持固定外部无人机。进一步的，精准同步步骤中所述的降落位置识别包括使用外部无人机的下视摄像头检测机场图形、使用外部无人机的红外摄像头检测机场的降落信标，从而使机载控制器根据机场坐标系下X轴方向、Y轴方向相素偏移量与高度数据，通过如下公式计算出无人机与起降平台绝对位置偏差：
Figure GDA0003658746140000111
其中，px、py为无人机本体坐标系统测量像素偏差转换为位置偏差；
ex、ey为无人机与机场平台在地理坐标系统下的相对位置偏差。
进一步的，精准同步步骤中外部无人机与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动是通过PID算法调整X轴方向及Y轴方向上的位移速度及位移量来确定的。
进一步的，主动稳定步骤按照如下步骤进行：
A)加速度计与磁力计校正；采用最小二乘法求出偏斜椭球方程的各个参数，进而求出偏斜球心和轴长；
B)坐标转换；已知磁通量在世界坐标系下的X轴分量为0，重力加速度方向与Z轴一致，通过向量点乘求得磁通量在世界坐标系下的Z轴分量，再用模长公式求出Y轴分量，即得在世界坐标系下的磁通量向量Wm；
C)使用陀螺仪估算出当前时刻的四元数，算出估算姿态下的重力加速度和磁通量向量，再用加速度/磁力计测量到的重力加速度和磁通量向量按照EKF校正方程进行校正；
D)计算欧拉角；使用导航公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000112
其中，俯仰角θ：停机平台本体坐标系统Oxb轴与地平台间的夹角；
偏航角ψ：停机平台本体坐标系统Oxb轴在水平面内的投影与地面坐标系统Ogxg轴间的夹角；
滚动角γ：停机平台坐标系Ozb轴与Oxb垂直平面之间的夹角；
E)控制量计算；将俯仰角θ，滚动角γ与水平面间夹角偏差，作为控制输入X、Y方向的控制量，使用PID算法公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000121
其中，u(t)x，y平台：X、Y方向控制量；
e(t)x，y：平台与地理坐标系下X、Y方向与水平方向角度偏差；
Kp：比例系数；
KI：积分系数；
KD：微分系数；
F)电缸位移量计算，三个稳定电缸3-1的伸缩杆与起降平台的支撑点组成等腰三角形，其中位于该等腰三角形斜边两端处的两个稳定电缸3-1分别控制X轴、Y轴方向上的平台姿态角旋转，三个稳定电缸3-1组合实现Z轴方向上的平台姿态角旋转，其中：保持平台水平姿态控制，a、b伸缩杆的长度计算如下：
l(t)a，b＝Max(k·u(t)x，y，L)
其中，l(t)a，b为a、b伸缩杆的长度；
k为比例系数；
L为伸缩杆的最大行程；
组合平台上下位移控制，三个稳定电缸3-1的伸缩长度计算如下：
Figure GDA0003658746140000122
其中，ψa、ψb、ψc：三个稳定电缸3-1的伸缩长度；
s(t)z：z轴上下位移的偏差。
进一步的，所述对中步骤具体为：外部无人机降落在起降平台1后，齿条驱动气缸2-14或齿条驱动电机带动初始位置处于起降平台1下方靠近侧边处的两块对中条2-11向内侧运动，从而通过推动外部无人机的起落架使其移动至起降平台1中央的停机区处。
进一步的，在外部无人机到达起降平台1中央的停机区处且被夹爪装置4-3固定后，电池夹爪滑轨5-1带动电池夹爪装置移动至无人机上方相应位置，夹爪驱动装置5-21带动电池夹爪5-22从无人机中夹出电池，并放置到预留的空充电座5-3中，之后电池夹爪滑轨5-1带动电池夹爪装置移动至另一个充电座5-3上方，夹出已充满电的电池并放回无人机的电池舱中，即完成自动更换电池步骤。
实施例2
如图1～8所示，本发明提供一种无人机车载自动机场降落设备，包括GPS定位系统，其特征在于，包括：
水平设置的起降平台1，用来承载降落的外部无人机；
对中模块，包括对中驱动装置和对中工作端，所述对中驱动装置设置在起降平台1上，所述对中工作端位于所述起降平台1的上方，所述对中驱动装置带动对中工作端在同一水平面上移动，使得降落的外部无人机被对中工作端带动至起降平台1的中央的停机区；
设在起降平台1中央的停机区下方相应位置处的夹持模块，包括间距调节装置、两个垂直设置的夹爪装置4-3，所述夹爪装置4-3的抓持部位于夹爪装置4-3的上端，所述间距调节装置与分别与两个夹爪装置4-3的底部相连，带动两个夹爪装置4-3做水平方向上的相对运动，所述起降平台1上设有使得夹爪装置4-3的抓持部通过的贯通的夹持轨道1-2；当夹爪装置4-3处于松脱状态时，其抓持部处于起降平台1上表面的下方，当夹爪装置4-3处于抓紧状态时，其抓持部穿过起降平台1上设置的夹持轨道1-2抓持住外部无人机的对应位置；
主动稳定模块，包括倾角测量装置、垂直设置在所述起降平台1下部的设备稳定装置，所述设备稳定装置的工作端分别与起降平台1下部的对应位置轴接，所述倾角测量装置接收倾角信号，并将倾角信号传递至设备稳定装置，设备稳定装置的工作端运动，使起降平台1保持水平状态；
支撑平台6，设在主动稳定模块下部，所述设备稳定装置的底端固定在支撑平台6上；固定底板7，固定在支撑平台6下部；
电池更换模块，包括水平设置的电池夹爪滑轨5-1、滑轨驱动装置5-4、电池夹爪横移驱动装置5-2，所述电池夹爪滑轨5-1的两端分别通过立柱轨接在所述起降平台1上表面的靠近两对称侧边处，所述滑轨驱动装置5-4驱动电池夹爪滑轨5-1在起降平台1上方做水平方向上的往复运动，所述电池夹爪滑轨5-1上还轨接有电池夹爪装置，所述电池夹爪装置在所述电池夹爪横移驱动装置5-2的驱动下沿着电池夹爪滑轨5-1往复运动；所述电池夹爪装置包括电池夹爪驱动装置5-21、电池夹爪5-22，所述电池夹爪驱动装置5-21带动电池夹爪5-22在垂直方向上做往复直线运动；
壳体，罩设在所述起降平台1、对中模块、夹持模块、主动稳定模块、电池更换模块的外部。
降落信标，设在所述起降平台1下方中部。
进一步的，所述对中模块包括水平的呈十字形设置的对中机构；每个所述对中机构包括：设置在起降平台1下表面的对中长板2-3，每个对中长板2-3的上表面靠近两端处分别轨接有一个对中块，所述对中块贯穿起降平台1上对应位置处设置的呈十字形的对中轨道1-1，使对中块的上端位于起降平台1上方；
对中块驱动装置，包括固定在对中长板2-3上的支架驱动器、Z形支架，所述Z形支架包括两个连杆2-32、轴接两个连杆2-32之间的摆杆2-33，所述两个连杆2-32的外端部分别与两个对中块轴接，所述支架驱动器带动Z形支架进行往复的折叠拉伸运动，进而使带动两个对中块沿着对中轨道1-1做水平同步的相向运动。
进一步的，所述支架驱动器采用支架驱动气缸2-34或支架驱动电机2-35，所述支架驱动气缸2-34水平固定在对中长板2-3上表面上，其伸缩杆端部与摆杆2-33和一连杆2-32轴接处轴接；所述支架驱动电机2-35的底部垂直固定在对中长板2-3下表面上，其转轴部垂直穿过对中长板2-3后与摆杆2-33和一连杆2-32轴接处轴接。
进一步的，所述倾角测量装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器将三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计接收的信号融合后转换为设备稳定信号，并传递至设备稳定装置。
进一步的，所述设备稳定装置包括垂直设置在起降平台1下部的三个稳定电缸3-1，三个稳定电缸3-1的伸缩杆上端分别铰接在所述起降平台1的下表面相应处，其底端分别固定在支撑平台6的上表面的相应处，三个所述稳定电缸3-1不排布在同一条直线上，所述设备稳定信号控制三个所述稳定电缸3-1的伸缩杆的伸缩幅度，使起降平台1始终保持在水平状态。
进一步的，所述壳体包括挡设在主动稳定模块四周的波纹罩8、挡设在起降平台1侧边外侧的起降保护罩9、密封设置在起降保护罩9顶部开口处的卷帘门9-1。
进一步的，所述支撑平台6和固定底板7之间还设有若干减震垫7-1。
进一步的，还包括两个充电座5-3，两个所述充电座5-3分别设在靠近电池夹爪滑轨5-1两端处的起降平台1上表面处。
本发明工作时，其控制方法按照以下步骤进行：
1)位置识别；所述GPS定位系统向外部无人机发送GPS位置信息，获取无人机车载自动机场降落设备的实时位置；
2)位置保持；使外部无人机到达无人机车载自动机场降落设备上空，并在到达后第一次降低外部无人机的飞行高度；
3)路况判断；判断路况是否平整，若路况平整，则转入步骤4，若路况不平整，则转入步骤5；
4)主动稳定；所述主动稳定模块工作，使得起降平台1保持在水平状态；
5)精准同步；外部无人机通过降落位置识别进一步定位无人机车载自动机场降落设备的准确位置，并与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动；
6)着陆；外部无人机在车载自动机场降落设备上空第二次降低高度至安全距离，并在到达安全距离后中断外部无人机动力，使外部无人机自由落体着陆至起降平台1上；
7)对中；所述对中模块工作，使已着陆在起降平台1上的外部无人机被推动至起降平台1的停机区；
8)固定；所述夹持模块工作，所述间距调节装置根据外部无人机的起落架的宽度调节两个夹爪装置4-3的间距，调节完成后夹爪装置4-3启动，夹持固定外部无人机。
进一步的，精准同步步骤中所述的降落位置识别包括使用外部无人机的下视摄像头检测机场图形、使用外部无人机的红外摄像头检测机场的降落信标，从而使机载控制器根据机场坐标系下X轴方向、Y轴方向相素偏移量与高度数据，通过如下公式计算出无人机与起降平台绝对位置偏差：
Figure GDA0003658746140000161
其中，px、py为无人机本体坐标系统测量像素偏差转换为位置偏差；
ex、ey为无人机与机场平台在地理坐标系统下的相对位置偏差。
进一步的，精准同步步骤中外部无人机与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动是通过PID算法调整X轴方向及Y轴方向上的位移速度及位移量来确定的。
进一步的，主动稳定步骤按照如下步骤进行：
A)加速度计与磁力计校正；采用最小二乘法求出偏斜椭球方程的各个参数，进而求出偏斜球心和轴长；
B)坐标转换；已知磁通量在世界坐标系下的X轴分量为0，重力加速度方向与Z轴一致，通过向量点乘求得磁通量在世界坐标系下的Z轴分量，再用模长公式求出Y轴分量，即得在世界坐标系下的磁通量向量Wm；
C)使用陀螺仪估算出当前时刻的四元数，算出估算姿态下的重力加速度和磁通量向量，再用加速度/磁力计测量到的重力加速度和磁通量向量按照EKF校正方程进行校正；
D)计算欧拉角；使用导航公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000162
其中，俯仰角θ：停机平台本体坐标系统Oxb轴与地平台间的夹角；
偏航角ψ：停机平台本体坐标系统Oxb轴在水平面内的投影与地面坐标系统Ogxg轴间的夹角；
滚动角γ：停机平台坐标系Ozb轴与Oxb垂直平面之间的夹角；
E)控制量计算；将俯仰角θ，滚动角γ与水平面间夹角偏差，作为控制输入X、Y方向的控制量，使用PID算法公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000163
其中，u(t)x，y平台：X、Y方向控制量；
e(t)x，y：平台与地理坐标系下X、Y方向与水平方向角度偏差；
Kp：比例系数；
KI：积分系数；
KD：微分系数；
F)电缸位移量计算，三个稳定电缸3-1的伸缩杆与起降平台的支撑点组成等腰三角形，其中位于该等腰三角形斜边两端处的两个稳定电缸3-1分别控制X轴、Y轴方向上的平台姿态角旋转，三个稳定电缸3-1组合实现Z轴方向上的平台姿态角旋转，其中：
保持平台水平姿态控制，a、b伸缩杆的长度计算如下：
l(t)a，b＝Max(k·u(t)x，y，L)
其中，l(t)a，b为a、b伸缩杆的长度；
k为比例系数；
L为伸缩杆的最大行程；
组合平台上下位移控制，三个稳定电缸3-1的伸缩长度计算如下：
Figure GDA0003658746140000171
其中，ψa、ψb、ψc：三个稳定电缸3-1的伸缩长度；
s(t)z：z轴上下位移的偏差。
进一步的，所述对中步骤具体为：外部无人机降落在起降平台1后，支架驱动气缸2-34或支架驱动电机2-35带动Z形支架收缩，从而使初始位置处于起降平台1下方靠近侧边处的两块对中块2-31向内侧运动，从而通过推动外部无人机的起落架使其移动至起降平台1中央的停机区处。
进一步的，在外部无人机到达起降平台1中央的停机区处且被夹爪装置4-3固定后，电池夹爪滑轨5-1带动电池夹爪装置移动至无人机上方相应位置，夹爪驱动装置5-21带动电池夹爪5-22从无人机中夹出电池，并放置到预留的空充电座5-3中，之后电池夹爪滑轨5-1带动电池夹爪装置移动至另一个充电座5-3上方，夹出已充满电的电池并放回无人机的电池舱中，即完成自动更换电池步骤。
实施例3
如图1～9所示，本发明提供一种无人机车载自动机场降落设备，包括GPS定位系统，其特征在于，包括：
水平设置的起降平台1，用来承载降落的外部无人机；
对中模块，包括对中驱动装置和对中工作端，所述对中驱动装置设置在起降平台1上，所述对中工作端位于所述起降平台1的上方，所述对中驱动装置带动对中工作端在同一水平面上移动，使得降落的外部无人机被对中工作端带动至起降平台1的中央的停机区；
设在起降平台1中央的停机区下方相应位置处的夹持模块，包括间距调节装置、两个垂直设置的夹爪装置4-3，所述夹爪装置4-3的抓持部位于夹爪装置4-3的上端，所述间距调节装置与分别与两个夹爪装置4-3的底部相连，带动两个夹爪装置4-3做水平方向上的相对运动，所述起降平台1上设有使得夹爪装置4-3的抓持部通过的贯通的夹持轨道1-2；当夹爪装置4-3处于松脱状态时，其抓持部处于起降平台1上表面的下方，当夹爪装置4-3处于抓紧状态时，其抓持部穿过起降平台1上设置的夹持轨道1-2抓持住外部无人机的对应位置；
主动稳定模块，包括倾角测量装置、垂直设置在所述起降平台1下部的设备稳定装置，所述设备稳定装置的工作端分别与起降平台1下部的对应位置轴接，所述倾角测量装置接收倾角信号，并将倾角信号传递至设备稳定装置，设备稳定装置的工作端运动，使起降平台1保持水平状态；
支撑平台6，设在主动稳定模块下部，所述设备稳定装置的底端固定在支撑平台6上；固定底板7，固定在支撑平台6下部；
电池更换模块，包括水平设置的电池夹爪滑轨5-1、滑轨驱动装置5-4、电池夹爪横移驱动装置5-2，所述电池夹爪滑轨5-1的两端分别通过立柱轨接在所述起降平台1上表面的靠近两对称侧边处，所述滑轨驱动装置5-4驱动电池夹爪滑轨5-1在起降平台1上方做水平方向上的往复运动，所述电池夹爪滑轨5-1上还轨接有电池夹爪装置，所述电池夹爪装置在所述电池夹爪横移驱动装置5-2的驱动下沿着电池夹爪滑轨5-1往复运动；所述电池夹爪装置包括电池夹爪驱动装置5-21、电池夹爪5-22，所述电池夹爪驱动装置5-21带动电池夹爪5-22在垂直方向上做往复直线运动；
壳体，罩设在所述起降平台1、对中模块、夹持模块、主动稳定模块、电池更换模块的外部。
降落信标，设在所述起降平台1下方中部。
进一步的，所述起降平台1上方固定有支撑方框2-22，所述支撑方框2-22的每条侧边处均设有一个与相应侧边平行的同步带2-23，所述同步带2-23在所述支撑方框2-22的上下侧交错设置，从而分成两个对称的上层同步带2-23和两个对称的下层同步带2-23，同步带2-23的传动辊水平设置在支撑方框2-22的四角处的对应位置，两个对称的同层同步带2-23之间均垂直固定有两根平行设置的对中杆，其中一根对中杆的两端分别固定在相应同步带2-23的上部带上，另一根对中杆的两端分别固定在相应同步带2-23的下部带上，每层同步带2-23中的一个同步带2-23的一个传动辊上轴接有一个同步带驱动电机2-25，每层同步带2-23中的一个同步带2-23的另一个传动辊与另一个传动带相应位置的传动辊之间连接有同步传动轴2-24。
进一步的，所述间距调节装置包括T形板4-2、侧壁固定在T形板4-2的竖直板上表面的间距调节驱动电缸4-1、水平设置的呈等腰梯形的主动锲块4-5、分别轨接在主动锲块4-5两侧边处的两个从动锲块4-4，两个夹爪装置4-3的底部分别固定在两个从动锲块4-4的上表面上，两个从动锲块4-4的下表面分别轨接在T形板4-2的水平板上表面处相应位置，所述主动锲块4-5的下表面轨接在T形板4-2垂直板上表面处，所述间距调节驱动电缸4-1的伸缩杆的端部与主动锲块4-5的底边固定连接，推动主动锲块4-5沿着T形板4-2垂直板的长度方向往复运动，从而带动两个从动锲块4-4沿着T形板4-2水平板的长度方向做相对的往复运动。
进一步的，所述倾角测量装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器将三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计接收的信号融合后转换为设备稳定信号，并传递至设备稳定装置。
进一步的，所述设备稳定装置包括垂直设置在起降平台1下部的三个稳定电缸3-1，三个稳定电缸3-1的伸缩杆上端分别铰接在所述起降平台1的下表面相应处，其底端分别固定在支撑平台6的上表面的相应处，三个所述稳定电缸3-1不排布在同一条直线上，所述设备稳定信号控制三个所述稳定电缸3-1的伸缩杆的伸缩幅度，使起降平台1始终保持在水平状态。
进一步的，所述壳体包括挡设在主动稳定模块四周的波纹罩8、挡设在起降平台1侧边外侧的起降保护罩9、密封设置在起降保护罩9顶部开口处的卷帘门9-1
进一步的，所述支撑平台6和固定底板7之间还设有若干减震垫7-1。
进一步的，还包括两个充电座5-3，两个所述充电座5-3分别设在靠近电池夹爪滑轨5-1两端处的起降平台1上表面处。
本发明工作时，其控制方法按照以下步骤进行：
1)位置识别；所述GPS定位系统向外部无人机发送GPS位置信息，获取无人机车载自动机场降落设备的实时位置；
2)位置保持；使外部无人机到达无人机车载自动机场降落设备上空，并在到达后第一次降低外部无人机的飞行高度；
3)路况判断；判断路况是否平整，若路况平整，则转入步骤4)，若路况不平整，则转入步骤5)；
4)主动稳定；所述主动稳定模块工作，使得起降平台1保持在水平状态；
5)精准同步；外部无人机通过降落位置识别进一步定位无人机车载自动机场降落设备的准确位置，并与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动；
6)着陆；外部无人机在车载自动机场降落设备上空第二次降低高度至安全距离，并在到达安全距离后中断外部无人机动力，使外部无人机自由落体着陆至起降平台1上；
7)对中；所述对中模块工作，使已着陆在起降平台1上的外部无人机被推动至起降平台1的停机区；
8)固定；所述夹持模块工作，所述间距调节装置根据外部无人机的起落架的宽度调节两个夹爪装置4-3的间距，调节完成后夹爪装置4-3启动，夹持固定外部无人机。
进一步的，精准同步步骤中所述的降落位置识别包括使用外部无人机的下视摄像头检测机场图形、使用外部无人机的红外摄像头检测机场的降落信标，从而使机载控制器根据机场坐标系下X轴方向、Y轴方向相素偏移量与高度数据，通过如下公式计算出无人机与起降平台绝对位置偏差：
Figure GDA0003658746140000211
其中，px、py为无人机本体坐标系统测量像素偏差转换为位置偏差；
ex、ey为无人机与机场平台在地理坐标系统下的相对位置偏差。
进一步的，精准同步步骤中外部无人机与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动是通过PID算法调整X轴方向及Y轴方向上的位移速度及位移量来确定的。
进一步的，主动稳定步骤按照如下步骤进行：
A)加速度计与磁力计校正；采用最小二乘法求出偏斜椭球方程的各个参数，进而求出偏斜球心和轴长；
B)坐标转换；已知磁通量在世界坐标系下的X轴分量为0，重力加速度方向与Z轴一致，通过向量点乘求得磁通量在世界坐标系下的Z轴分量，再用模长公式求出Y轴分量，即得在世界坐标系下的磁通量向量Wm；
C)使用陀螺仪估算出当前时刻的四元数，算出估算姿态下的重力加速度和磁通量向量，再用加速度/磁力计测量到的重力加速度和磁通量向量按照EKF校正方程进行校正；
D)计算欧拉角；使用导航公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000212
其中，俯仰角θ：停机平台本体坐标系统Oxb轴与地平台间的夹角；
偏航角ψ：停机平台本体坐标系统Oxb轴在水平面内的投影与地面坐标系统Ogxg轴间的夹角；
滚动角γ：停机平台坐标系Ozb轴与Oxb垂直平面之间的夹角；
E)控制量计算；将俯仰角θ，滚动角γ与水平面间夹角偏差，作为控制输入X、Y方向的控制量，使用PID算法公式计算如下：
Figure GDA0003658746140000213
其中，u(t)x，y平台：X、Y方向控制量；
e(t)x，y：平台与地理坐标系下X、Y方向与水平方向角度偏差；
Kp：比例系数；
KI：积分系数；
KD：微分系数；
F)电缸位移量计算，三个稳定电缸3-1的伸缩杆与起降平台的支撑点组成等腰三角形，其中位于该等腰三角形斜边两端处的两个稳定电缸3-1分别控制X轴、Y轴方向上的平台姿态角旋转，三个稳定电缸3-1组合实现Z轴方向上的平台姿态角旋转，其中：保持平台水平姿态控制，a、b伸缩杆的长度计算如下：
l(t)a，b＝Max(k·u(t)x，y，L)
k为比例系数；
L为伸缩杆的最大行程；
其中，l(t)a，b为a、b伸缩杆的长度；
组合平台上下位移控制，三个稳定电缸3-1的伸缩长度计算如下：
Figure GDA0003658746140000221
其中，ψa、ψb、ψc：三个稳定电缸3-1的伸缩长度；
s(t)z：z轴上下位移的偏差。
进一步的，所述对中步骤具体为：外部无人机降落在起降平台1后，同步带驱动电机2-25带动同步带2-23旋转，从而使分别与同步带2-23上半圈和下半圈固定连接的对中杆2-21从靠近支撑方框2-22侧边处的初始位置开始相对靠近移动，从而通过推动外部无人机的起落架使其移动至起降平台1中央的停机区处。
进一步的，在外部无人机到达起降平台1中央的停机区处且被夹爪装置4-3固定后，滑轨驱动装置5-4驱动电池夹爪滑轨5-1在起降平台1上方做水平方向上的位移，同时电池夹爪横移驱动装置5-2带动电池夹爪装置移动，使得电池夹爪装置到达外部无人机的正上方，夹爪驱动装置5-21带动电池夹爪5-22从无人机中夹出电池，并放置到预留的空充电座5-3中，之后电池夹爪滑轨5-1带动电池夹爪装置移动至另一个充电座5-3上方，夹出已充满电的电池并放回无人机的电池舱中，即完成自动更换电池步骤。

Claims (18)

1.一种无人机车载自动机场降落设备，包括GPS定位系统，其特征在于，包括：
水平设置的起降平台(1)，用来承载降落的外部无人机；
对中模块，包括对中驱动装置和对中工作端，所述对中驱动装置设置在起降平台(1)上，所述对中工作端位于所述起降平台(1)的上方，所述对中驱动装置带动对中工作端在同一水平面上移动，使得降落的外部无人机被对中工作端带动至起降平台(1)的中央的停机区；
设在起降平台(1)中央的停机区下方相应位置处的夹持模块，包括间距调节装置、两个垂直设置的夹爪装置(4-3)，所述夹爪装置(4-3)的抓持部位于夹爪装置(4-3)的上端，所述间距调节装置与分别与两个夹爪装置(4-3)的底部相连，带动两个夹爪装置(4-3)做水平方向上的相对运动，所述起降平台(1)上设有使得夹爪装置(4-3)的抓持部通过的贯通的夹持轨道(1-2)；当夹爪装置(4-3)处于松脱状态时，其抓持部处于起降平台(1)上表面的下方，当夹爪装置(4-3)处于抓紧状态时，其抓持部穿过起降平台(1)上设置的夹持轨道(1-2)抓持住外部无人机的对应位置；
主动稳定模块，包括倾角测量装置、垂直设置在所述起降平台(1)下部的设备稳定装置，所述设备稳定装置的工作端分别与起降平台(1)下部的对应位置轴接，所述倾角测量装置接收倾角信号，并将倾角信号传递至设备稳定装置，设备稳定装置的工作端运动，使起降平台(1)保持水平状态；
支撑平台(6)，设在主动稳定模块下部，所述设备稳定装置的底端固定在支撑平台(6)上；
固定底板(7)，固定在支撑平台(6)下部；
电池更换模块，包括水平设置的电池夹爪滑轨(5-1)、滑轨驱动装置(5-4)、电池夹爪横移驱动装置(5-2)，所述电池夹爪滑轨(5-1)的两端分别通过立柱轨接在所述起降平台(1)上表面的靠近两对称侧边处，所述滑轨驱动装置(5-4)驱动电池夹爪滑轨(5-1)在起降平台(1)上方做水平方向上的往复运动，所述电池夹爪滑轨(5-1)上还轨接有电池夹爪装置，所述电池夹爪装置在所述电池夹爪横移驱动装置(5-2)的驱动下沿着电池夹爪滑轨(5-1)往复运动；所述电池夹爪装置包括电池夹爪驱动装置(5-21)、电池夹爪(5-22)，所述电池夹爪驱动装置(5-21)带动电池夹爪(5-22)在垂直方向上做往复直线运动；
壳体，罩设在所述起降平台(1)、对中模块、夹持模块、主动稳定模块、电池更换模块的外部；
降落信标，设在所述起降平台(1)下方中部。
2.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述对中模块包括水平的两个呈十字形上下交错设置的对中机构；每个所述对中机构包括：
分别设置在起降平台(1)下表面的两对称侧处的两个对中板(2-1)，每个对中板(2-1)的下表面处均轨接有一个对中条(2-11)，所述对中条(2-11)呈开口向上的U形，其底边上表面与相应的对中板(2-1)的下表面轨接，其两侧臂从相应对中板(2-1)的两对称边的外侧向上延伸，穿过起降平台(1)上对应位置处呈井字形设置的对中轨道(1-1)，从而使得对中条(2-11)两侧臂的端部位于起降平台(1)上方；
对中条(2-11)驱动装置，包括齿条驱动器、轴接在一块对中板(2-1)下表面上的传动齿轮(2-13)、嵌合在齿轮两侧的两个平行设置的传动齿条(2-12)，其中一个所述传动齿条(2-12)的底部与一个对中条(2-11)固定连接，另一个所述传动齿条(2-12)的底部通过连接杆(2-15)与另一个对中条(2-11)固定连接，所述齿条驱动装置驱动两个传动齿条(2-12)相向运动，从而带动两个对中条(2-11)沿着对中轨道(1-1)做水平同步的相向运动。
3.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述对中模块包括水平的呈十字形设置的对中机构；每个所述对中机构包括：
设置在起降平台(1)下表面的对中长板(2-3)，每个对中长板(2-3)的上表面靠近两端处分别轨接有一个对中块(2-31)，所述对中块(2-31)贯穿起降平台(1)上对应位置处设置的呈十字形的对中轨道(1-1)，使对中块(2-31)的上端位于起降平台(1)上方；
对中块(2-31)驱动装置，包括固定在对中长板(2-3)上的支架驱动器、Z形支架，所述Z形支架包括两个连杆(2-32)、轴接两个连杆(2-32)之间的摆杆(2-33)，所述两个连杆(2-32)的外端部分别与两个对中块(2-31)轴接，所述支架驱动器带动Z形支架进行往复的折叠拉伸运动，进而使带动两个对中块(2-31)沿着对中轨道(1-1)做水平同步的相向运动。
4.根据权利要求2所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述齿条驱动器采用齿条驱动气缸(2-14)，所述齿条驱动气缸(2-14)的侧壁固定在一块对中板(2-1)下表面处，其工作端与一个传动齿条(2-12)的端部平面固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述齿条驱动器采用齿条驱动电机，所述齿条驱动电机设在起降平台(1)和对中板之间，其底部固定在一块对中板(2-1)上表面处，其转轴部贯穿对中板(2-1)后与传动齿轮(2-13)的内侧轴接。
6.根据权利要求3所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述支架驱动器采用支架驱动气缸(2-34)，所述支架驱动气缸(2-34)水平固定在对中长板(2-3)上表面上，其伸缩杆端部与摆杆(2-33)和一连杆(2-32)轴接处轴接。
7.根据权利要求3所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述支架驱动器采用支架驱动电机(2-35)，所述支架驱动电机(2-35)的底部垂直固定在对中长板(2-3)下表面上，其转轴部垂直穿过对中长板(2-3)后与摆杆(2-33)和一连杆(2-32)轴接处轴接。
8.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述起降平台(1)上方固定有支撑方框(2-22)，所述支撑方框(2-22)的每条侧边处均设有一个与相应侧边平行的同步带(2-23)，所述同步带(2-23)在所述支撑方框(2-22)的上下侧交错设置，从而分成两个对称的上层同步带(2-23)和两个对称的下层同步带(2-23)，同步带(2-23)的传动辊水平设置在支撑方框(2-22)的四角处的对应位置，两个对称的同层同步带(2-23)之间均垂直固定有两根平行设置的对中杆(2-21)，其中一根对中杆(2-21)的两端分别固定在相应同步带(2-23)的上部带上，另一根对中杆(2-21)的两端分别固定在相应同步带(2-23)的下部带上，每层同步带(2-23)中的一个同步带(2-23)的一个传动辊上轴接有一个同步带驱动电机(2-25)，每层同步带(2-23)中的一个同步带(2-23)的另一个传动辊与另一个传动带相应位置的传动辊之间连接有同步传动轴(2-24)。
9.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述间距调节装置包括T形板(4-2)、侧壁固定在T形板(4-2)的竖直板上表面的间距调节驱动电缸(4-1)、水平设置的呈等腰梯形的主动锲块(4-5)、分别轨接在主动锲块(4-5)两侧边处的两个从动锲块(4-4)，两个夹爪装置(4-3)的底部分别固定在两个从动锲块(4-4)的上表面上，两个从动锲块(4-4)的下表面分别轨接在T形板(4-2)的水平板上表面处相应位置，所述主动锲块(4-5)的下表面轨接在T形板(4-2)垂直板上表面处，所述间距调节驱动电缸(4-1)的伸缩杆的端部与主动锲块(4-5)的底边固定连接，推动主动锲块(4-5)沿着T形板(4-2)垂直板的长度方向往复运动，从而带动两个从动锲块(4-4)沿着T形板(4-2)水平板的长度方向做相对的往复运动。
10.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述倾角测量装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器将三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计接收的信号融合后转换为设备稳定信号，并传递至设备稳定装置。
11.根据权利要求10所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述设备稳定装置包括垂直设置在起降平台(1)下部的三个稳定电缸(3-1)，三个稳定电缸(3-1)的伸缩杆上端分别铰接在所述起降平台(1)的下表面相应处，其底端分别固定在支撑平台(6)的上表面的相应处，三个所述稳定电缸(3-1)不排布在同一条直线上，所述设备稳定信号控制三个所述稳定电缸(3-1)的伸缩杆的伸缩幅度，使起降平台(1)始终保持在水平状态。
12.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述壳体包括挡设在主动稳定模块四周的波纹罩(8)、挡设在起降平台(1)侧边外侧的起降保护罩(9)、密封设置在起降保护罩(9)顶部开口处的卷帘门(9-1)。
13.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，所述支撑平台(6)和固定底板(7)之间还设有若干减震垫(7-1)。
14.根据权利要求1所述的一种无人机车载自动机场降落设备，其特征在于，还包括两个充电座(5-3)，两个所述充电座(5-3)分别设在靠近电池夹爪滑轨(5-1)两端处的起降平台(1)上表面处。
15.一种如权利要求1所述的无人机车载自动机场降落设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)位置识别；所述GPS定位系统向外部无人机发送GPS位置信息，获取无人机车载自动机场降落设备的实时位置；
2)位置保持；使外部无人机到达无人机车载自动机场降落设备上空，并在到达后第一次降低外部无人机的飞行高度；
3)路况判断；判断路况是否平整，若路况平整，则转入步骤4)，若路况不平整，则转入步骤5)；
4)主动稳定；所述主动稳定模块工作，使得起降平台(1)保持在水平状态；
5)精准同步；外部无人机通过降落位置识别进一步定位无人机车载自动机场降落设备的准确位置，并与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动；
6)着陆；外部无人机在车载自动机场降落设备上空第二次降低高度至安全距离，并在到达安全距离后中断外部无人机动力，使外部无人机自由落体着陆至起降平台(1)上；
7)对中；所述对中模块工作，使已着陆在起降平台(1)上的外部无人机被推动至起降平台(1)的停机区；
8)固定；所述夹持模块工作，所述间距调节装置根据外部无人机的起落架的宽度调节两个夹爪装置(4-3)的间距，调节完成后夹爪装置(4-3)启动，夹持固定外部无人机。
16.根据权利要求15所述的一种无人机车载自动机场降落设备的控制方法，其特征在于，精准同步步骤中外部无人机与无人机车载自动机场降落设备保持水平同步运动是通过PID算法调整X轴方向及Y轴方向上的位移速度及位移量来确定的。
17.根据权利要求15所述的一种无人机车载自动机场降落设备的控制方法，其特征在于，主动稳定步骤按照如下步骤进行：
A)加速度计与磁力计校正；采用最小二乘法求出偏斜椭球方程的各个参数，进而求出偏斜球心和轴长；
B)坐标转换；已知磁通量在世界坐标系下的x轴分量为0，重力加速度方向与Z轴一致，通过向量点乘求得磁通量在世界坐标系下的Z轴分量，再用模长公式求出Y轴分量，即得在世界坐标系下的磁通量向量Wm；
C)使用陀螺仪估算出当前时刻的四元数，算出估算姿态下的重力加速度和磁通量向量，再用加速度/磁力计测量到的重力加速度和磁通量向量按照EKF校正方程进行校正；
D)计算欧拉角；使用导航公式计算如下：
Figure FDA0003779648920000051
其中，俯仰角θ：停机平台本体坐标系统Oxb轴与地平台间的夹角；
偏航角ψ：停机平台本体坐标系统Oxb轴在水平面内的投影与地面坐标系统Ogxg轴间的夹角；
滚动角γ：停机平台坐标系Ozb轴与Oxb垂直平面之间的夹角；
E)控制量计算；将俯仰角θ，滚动角γ与水平面间夹角偏差，作为控制输入X、Y方向的控制量，使用PID算法公式计算如下：
Figure FDA0003779648920000061
其中，u(t)x，y平台：X、Y方向控制量；
e(t)x，y：平台与地理坐标系下X、Y方向与水平方向角度偏差；
Kp：比例系数；
KI：积分系数；
KD：微分系数；
F)电缸位移量计算，三个稳定电缸(3-1)的伸缩杆与起降平台的支撑点组成等腰三角形，其中位于该等腰三角形斜边两端处的两个稳定电缸(3-1)分别控制X轴、Y轴方向上的平台姿态角旋转，三个稳定电缸(3-1)组合实现Z轴方向上的平台姿态角旋转，其中：
保持平台水平姿态控制，a、b伸缩杆的长度计算如下：
l(t)a，b＝Max(k·u(t)x，y，L)
其中，l(t)a，b为a、b伸缩杆的长度；
k为比例系数；
L为伸缩杆的最大行程；
组合平台上下位移控制，三个稳定电缸(3-1)的伸缩长度计算如下：
Figure FDA0003779648920000062
其中，ψa、ψb、ψc：三个稳定电缸(3-1)的伸缩长度；
s(t)z：z轴上下位移的偏差。
18.根据权利要求15所述的一种无人机车载自动机场降落设备的控制方法，其特征在于，着陆步骤中所述的安全距离具体为5～10cm。
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