CN109896013A - 一种楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法 - Google Patents

Abstract

楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法，属于无人机空投领域，为了解决无人机货物空投中的引导距离太近、结构复杂、自动化程度不高的问题，微控制器根据固定翼无人机的飞行高度，控制直流电机驱动传送带运动，固定在传送带上的连接器在水平方向移动，进而从两侧将支撑杆推起，当十字LED显示面阵的中心点随支撑杆升至指定高度时，电机停止转动，无人机根据十字白色LED面阵在图像中的大小和位置调整飞行路线，可向固定翼无人机发出精确的视觉引导信号及空投点指示信号，从而提高固定翼无人机楼顶区域不降落空投的精确度。

Description

一种楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法

技术领域

本发明属于无人机空投领域，涉及一种固定翼无人机楼顶空投主动式视觉引导装置及方法。

背景技术

随着我国社会经济的发展，人民生活水平的提高，小件货物的快速、远距离运输需求越来越多。同时，我国的无人机产业蓬勃发展，以旋翼和固定翼无人机为代表的无人机物流生产企业日益增多。固定翼无人机相比旋翼无人机在运送货物时具有飞行距离远、飞行速度快以及载重量大等特点，无论是在日常的小件货物物流领域，还是空投救灾应急物品领域，固定翼无人机都具有不可比拟的天然优势。而且随着5G通信技术的大范围普及、无人机飞控技术的日益成熟、涡轮/涡扇发动机推重比、寿命及小型化等关键技术指标的不断提高，可以预见基于中小型固定翼无人机的小件货物远程运输方式会成为我国智能物流行业的重要组成部分。目前利用固定翼无人机运输小件货物一般通过空投伞降或无人机着陆两种方式。空投伞降需要有一定的伞降高度，伞降着陆点受风向、风速影响较大，且降落伞造价和回收成本高昂；以着陆方式运送货物时，需要有长距离平坦地面配合固定翼无人机起降，同时无人机的频繁起降会产生大量的能源消耗及带来诸多安全隐患。同时随着我国城市化进程的不断加快，城市建筑的高度和密度不断增大，以目前的技术和装置，中小型固定翼无人机几乎无法在城市中用于小件货物的安全传送。尤其是坐落在城市中心的医院和政府等单位部门，对小件物品(例如药品、血液或文件等)的传递时间有着非常苛刻的要求，依靠汽车运送会受到路程和路况的影响；依靠多旋翼无人机运送会受到载重量和飞行距离的影响。因此，未来依靠中小型固定翼无人机进行小件货物的快速运输(载重小于10公斤，航程350公里内)会有很大的市场前景，尤其是在人口密集的城市地区。本发明设计了一种安装在城市建筑物楼顶的，用来对固定翼无人机楼顶空投进行指示的装置，可很大程度上提高固定翼无人机楼顶空投的准确性。

发明内容

为了解决无人机货物空投中的引导距离太近、结构复杂、自动化程度不高的问题，本发明提出如下技术方案：

一种楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法，在整个飞行过程中，固定翼无人机、物流站、楼顶空投主动式视觉引导装置以及楼顶接收装置都保持实时通信，当固定翼无人机飞达建筑物的前几分钟，在微控制器的控制下，防护箱打开，装置整体处于外露状态，微控制器根据固定翼无人机的飞行高度，控制直流电机驱动传送带运动，固定在传送带上的连接器在水平方向移动，进而从两侧将支撑杆推起，当十字LED显示面阵的中心点随支撑杆升至指定高度时，电机停止转动，无人机根据十字白色LED面阵在图像中的大小和位置调整飞行路线，根据红色LED面阵在图像中的位置调整飞行高度。

进一步的，整个空投过程固定翼无人机、引导装置及物流站都保持实时通信，当固定翼无人机距离引导装置200-250米距离时，电机转动带动支撑杆下落至最低处；线激光发生器，安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边，垂直向上发射650nm的红色一字激光，作用是对固定翼无人机指示具体的货物投递点，固定翼无人机在楼顶进行不降落的货物投递；固定翼无人机空投结束，并飞向下个目的地。

进一步的，视觉引导工作结束，在微控制器的控制下，防护箱关闭，即前、后箱体由180度至0度闭合，使装置整体处于封闭状态；LED显示阵列所有灯光熄灭，电动推杆伸出至最长位置处，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列完全收回至防护箱内，防护箱关闭上盖，至此完成固定翼无人机楼顶空投指示任务。

进一步的，十字LED显示面阵，横向、纵向各有4个白色LED面阵，中间为一个红色的LED面阵，面阵的亮度会随外界环境光照强度变化而调整亮度，环境光照强时，LED面阵较亮；环境光照弱时，LED面阵较暗；十字LED显示面阵的所有外延都安装有遮光板，以保证只有从指定方向和指定高度飞来的固定翼无人机才能检测的LED面阵亮光，固定翼无人机机头安装的图像传感器可以在距离楼顶一段距离的位置识别十字LED显示面阵。

有益效果：

1、中小型固定翼无人机要在人口多、建筑物密集的城市上空执行不降落的货物空投任务，对飞行路线和飞行高度以及投递时间点有着极为苛刻的要求，使用传统的飞机气压高度表、激光测距或GPS定位等测量飞行高度的方法都不满足这一特定环境下无人机飞行高度精度及实时性等方面测量要求，本发明的一种安装在楼顶的固定翼无人机楼顶空投主动式视觉引导装置，可向固定翼无人机发出精确的视觉引导信号及空投点指示信号，从而提高固定翼无人机楼顶区域不降落空投的精确度。

2、该装置引导距离远、结构简单、自动化程度高、便于应用，只要建筑物上空有满足中小型固定翼无人机低空飞行的区域，即可在建筑物楼顶的一端安装该装置。由于固定翼无人机的飞行特性，固定翼无人机楼顶空投指示装置的安装应有以下要求，所在楼顶应该至少有60米*20米的无障碍矩形飞行空间，以所在楼为中心的半径300米内没有比所在楼更高的建筑物或其他影响固定翼无人机飞行的装置。装置的安装位置与楼顶避雷针有至少20米的安装距离，无人机飞行路线应与楼顶的避雷针有10米的垂直距离。固定翼无人机的载货范围、飞行空域、飞行时间、飞行路线等事项符合国家的《低空空域管理使用规定》政策要求。

3、装置造价低、运行成本低、占用楼顶空间少且不对环境产生污染，非常适合在城市的一些重要、特殊单位安装，配合固定翼无人机使用，可极大程度上提高小件货物的远程、快速运输能力。

附图说明

图1是飞行线路图；

图2是未展开示意图；

图3是展开示意图。

具体实施方式

一种固定翼无人机楼顶空投主动式视觉引导装置安装在符合固定翼无人机低空空投的楼顶一端，装置由直流电机1.0、主动轮1.1、被动轮1.2、同步带1.3、连接器1.4、圆柱形滑轨1.5、滑动平台1.6、支撑杆1.7、LED显示面阵1.8、线激光发生器1.9、通信模块1.10、微控制器1.11、防护箱1.12等部分组成。在图1中展示了系统的整体组成和布局，包括固定翼无人机楼顶空投主动式视觉引导装置1、固定翼无人机2、拟飞行路线3、后级空投接收装置4、无障碍矩形飞行空间5。

直流电机，驱动主动轮转动，为装置的整体运行提供动力。

主动轮，在直流电机的驱动下，依靠摩擦向传送带传递动力

被动轮，配合主动轮

同步带，张紧在主动轮与被动路上，

连接器，连接传动皮带与滑动平台，当传动皮带往复运动时，驱动滑动平台在圆柱形滑轨上往复运动。

滑轨，位置固定，为滑动平台提供支撑。

滑动平台，安装在滑轨上，在连接器的带动下在滑轨上左右移动。

支撑杆，一端与滑动平台连接，一端与十字LED显示面阵连接，用来调节十字LED显示面阵的高度。

十字LED显示面阵，横向、纵向各有4个白色LED面阵(横向宽50厘米、纵向高50厘米)，中间为一个红色的LED面阵(10*10厘米)，起到主动视觉引导功能。可由支撑杆推动十字LED显示面阵上下移动。白色的十字LED面阵用来向固定翼无人机指示装置所在位置，中间红色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示空投货物的高度。固定翼无人机空投前，微控制器会根据空投货物的重量、体积、固定翼无人机的飞行速度以及空投接收装置距离空投点的位置计算出固定翼无人机的飞行高度(即货物空投高度，相对于楼顶的高度，不是海拔高度)，通过2个电机转动来调整红色的LED面阵纵向位置以向固定翼无人机指示此高度，以使固定翼无人机在此高度下飞行，到达指定位置时，投下货物时，货物经过短暂的平抛飞行能准确落入后级的接收装置。为了使固定翼无人机机头方向安装的视觉检测传感器能在较远的距离清晰、准确识别十字LED显示面阵，面阵的亮度会随外界环境光照强度变化而调整亮度(环境光照强时，LED面阵较亮；环境光照弱时，LED面阵较暗)。为了使固定翼无人机能够按指定的路线进行飞行，十字LED显示面阵的所有外延都安装有5厘米的遮光板，以保证只有从指定方向飞来的固定翼无人机才能检测的LED面阵亮光。

线激光发生器2，安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边，垂直向上发射650nm的红色一字激光，作用是位固定翼无人机指示具体的货物投递点。固定翼无人机在楼顶进行不降落的货物投递，不但飞行高度要尽量靠近货物接收装置，而且货物投递点也要尽量保证精确，因为货物离开固定翼无人机货仓后会以平抛运动方式运动，其中横向位移速度接近固定翼无人机的飞行速度，因此为固定翼无人机指示精准的投递点，可以很大程度上提高货物落入空投接收装置的概率。

通信模块，通过以太网或4G移动网络与物流站和固定翼无人机保持实时通信。

微控制器，可控制防护箱的打开与关闭，可控制电动推杆的推进位置，控制LED显示阵列的方式，控制线激光发生器的电源通断以及利用通信模块与物流站和固定翼无人机保持通信。

防护箱，由轻质铝合金材料制成，前、后2个箱体均可由电机控制旋转90度(对开对合)。装置启用前，箱体打开，即前、后箱体由0度变成180度展开，在电机的控制下十字LED显示面阵上升到指定高度对固定翼无人机进行相对高度指示。空投结束后，在电机的控制下十字LED显示面阵收回至最低高度，箱体闭合，即前、后箱体由180度展开变成0度闭合，将完全落下的装置整体封闭起来，在不使用期间对装置整体提供防风、防雨、防尘等保护作用。

实时例：

需要说明的是本装置只是为固定翼无人机楼顶空投行为提供视觉精确引导的装置。至于如何安全地接收固定翼无人机在楼顶空投出的货物即指示装置后级的空投货物接收装置会由其他专利进行详细阐述。

一种应用于城市、安装在楼顶的固定翼无人机楼顶空投主动式视觉引导装置由直流电机、主动轮、被动轮、传动皮带、连接器、圆柱形滑轨、滑动平台、支撑杆、十字激光发生器、线激光发生器、通信模块、微控制器和防护箱等部分组成。

当有楼顶空投货物需求时，物流中心首先应确认楼顶的空投货物接收装置可以接收空投货物、飞行行为满足《低空空域管理使用规定》等政策要求且天气情况(可视距离、风速)满足固定翼无人机飞行要求，固定翼无人机装载特殊包装后的货物按规划的路线飞向建筑物。在整个飞行过程中，固定翼无人机、物流站、楼顶空投主动式视觉引导装置(通过以太网或4G移动网络)以及楼顶接收装置都保持实时通信。当固定翼无人机飞达建筑物的前5分钟，在微控制器的控制下，由轻质铝合金材料制成的防护箱打开，即前、后箱体由0度变成180度展开，装置整体处于外露状态，微控制器根据固定翼无人机即将空投货物的重量、体积、固定翼无人机的飞行速度以及空投接收装置距离空投点的位置计算出固定翼无人机空投时应保持的飞行高度(即空投高度。此高度是相对于楼顶的高度，不是海拔高度)。直流电机驱动传送带快速运动，固定在传送带上的连接器在水平方向移动，进而从两侧将支撑杆推起，当十字LED显示面阵的中心点随支撑杆升至指定高度时(相对于楼顶)，电机停止转动，该过程耗时2-3秒。十字LED显示面阵，横向、纵向各有4个白色LED面阵(横向宽50厘米、纵向高50厘米)，中间为一个红色的LED面阵(10*10厘米)，为了使固定翼无人机机头方向安装的视觉检测传感器能在较远的距离清晰、准确识别十字LED显示面阵，面阵的亮度会随外界环境光照强度变化而调整亮度(环境光照强时，LED面阵较亮；环境光照弱时，LED面阵较暗)。为了使固定翼无人机能够按指定的路线进行飞行，十字LED显示面阵的所有外延都安装有5厘米的遮光板，以保证只有从指定方向和指定高度飞来的固定翼无人机才能检测的LED面阵亮光。正常天气情况下，固定翼无人机机头安装的图像传感器(以1千万像素彩色图像传感器为例)可以在距离楼顶4公里的位置识别十字LED显示面阵，无人机可根据十字白色LED面阵在图像中的大小和位置调整飞行路线，根据红色LED面阵在图像中的位置调整飞行高度(相对于楼面的高度)。整个空投过程固定翼无人机、引导装置及物流站都保持实时通信，当固定翼无人机距离引导装置200-250米距离时，电机快速转动带动支撑杆迅速下落至最低处(该过程耗时1-2秒)，以避免固定翼无人机与视觉引导装置发生碰撞。线激光发生器，安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边，垂直向上发射650nm的红色一字激光，作用是位固定翼无人机指示具体的货物投递点。固定翼无人机在楼顶进行不降落的货物投递，不但飞行高度要尽量靠近货物接收装置，而且货物投递点也要尽量保证精确，因为货物离开固定翼无人机货仓后会以平抛运动方式运动，其中横向位移速度接近固定翼无人机的飞行速度，因此为固定翼无人机指示精准的投递点，可以很大程度上提高货物落入后级空投接收装置的概率。固定翼无人机空投结束，并飞向下个目的地。视觉引导工作结束，在微控制器的控制下，防护箱关闭，即前、后箱体由180度变成0度闭合，使装置整体处于封闭状态，以起到防风、防雨、防尘的作用。

LED显示阵列所有灯光熄灭，电动推杆伸出至最长位置处，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列完全收回至防护箱内，防护箱关闭上盖，至此完成固定翼无人机楼顶空投指示任务。

一种固定翼无人机楼顶空投主动式视觉引导装置，主要由直流电机、主动轮、被动轮、同步带、连接器、滑轨、滑动平台、支撑杆、LED显示面阵组成，直流电机与主动轮连接，并驱动主动轮转动，所述的主动轮与被动轮通过同步带连接，同步带张紧在主动轮与被动轮，作为带传动机构，所述的带传动机构具有两组，且相向横向排列，每一组的带传动机构的同步带外表面固定连接一连接器的一端，连接器的另一端与滑动平台固定连接，滑动平台套装在横向的滑轨以能沿滑轨滑动，所述的滑轨与同步带的安装方向一致，且位于同步带的上方，支撑杆的一端可转动连接在滑动平台，支撑杆的另一端连接在LED显示面阵。

进一步的，LED显示面阵是十字LED显示面阵，横向、纵向各有4个白色LED面阵，横向、纵向相交的中间为一个红色的LED面阵。

进一步的，还包括微控制器，所述的微控制器与直流电机连接，以驱动其正反转以及控制其转动角度。

进一步的，还包括线激光发生器，线激光发生器安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边，垂直向上发射红色一字激光。

进一步的，还包括防护箱，由轻质铝合金材料制成，前、后2个箱体均可由电机控制旋转90度以实现对开对合。

进一步的，还包括通信模块，通过以太网或4G移动网络与物流站和固定翼无人机保持实时通信。

进一步的，微控制器与防护箱、LED显示阵列、激光发生器、通信模块连接，控制防护箱的打开与关闭，控制电动推杆的推进位置，控制LED显示阵列的显示方式，控制线激光发生器的电源通断以及控制通信模块与物流站和固定翼无人机保持通信。

进一步的，，箱体打开，前、后箱体由0度至180度展开，在电机的控制下驱动主动轮转动，使得同步带转动，同步带带动滑动平台沿着滑轨横向滑动，以对其可活动连接的支撑杆在竖向调整高度，使得十字LED显示面阵上升到指定高度对固定翼无人机进行相对高度指示。

进一步的，空投结束后，在电机的控制下十字LED显示面阵收回至最低高度，箱体闭合，前、后箱体由180度展开至0度闭合，将完全落下的装置整体封闭起来。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法，其特征在于，在整个飞行过程中，固定翼无人机、物流站、楼顶空投主动式视觉引导装置以及楼顶接收装置都保持实时通信，当固定翼无人机飞达建筑物的前几分钟，在微控制器的控制下，防护箱打开，装置整体处于外露状态，微控制器根据固定翼无人机的飞行高度，控制直流电机驱动传送带运动，固定在传送带上的连接器在水平方向移动，进而从两侧将支撑杆推起，当十字LED显示面阵的中心点随支撑杆升至指定高度时，电机停止转动，无人机根据十字白色LED面阵在图像中的大小和位置调整飞行路线，根据红色LED面阵在图像中的位置调整飞行高度。

2.如权利要求1所述的楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法，其特征在于，整个空投过程固定翼无人机、引导装置及物流站都保持实时通信，当固定翼无人机距离引导装置200-250米距离时，电机转动带动支撑杆下落至最低处；线激光发生器，安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边，垂直向上发射650nm的红色一字激光，作用是对固定翼无人机指示具体的货物投递点，固定翼无人机在楼顶进行不降落的货物投递；固定翼无人机空投结束，并飞向下个目的地。

3.如权利要求2所述的楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法，其特征在于，视觉引导工作结束，在微控制器的控制下，防护箱关闭，即前、后箱体由180度至0度闭合，使装置整体处于封闭状态；LED显示阵列所有灯光熄灭，电动推杆伸出至最长位置处，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列完全收回至防护箱内，防护箱关闭上盖，至此完成固定翼无人机楼顶空投指示任务。

4.如权利要求1所述的楼顶无人机空投的主动式视觉引导方法，其特征在于，十字LED显示面阵，横向、纵向各有4个白色LED面阵，中间为一个红色的LED面阵，面阵的亮度会随外界环境光照强度变化而调整亮度，环境光照强时，LED面阵较亮；环境光照弱时，LED面阵较暗；十字LED显示面阵的所有外延都安装有遮光板，以保证只有从指定方向和指定高度飞来的固定翼无人机才能检测的LED面阵亮光，固定翼无人机机头安装的图像传感器可以在距离楼顶一段距离的位置识别十字LED显示面阵。