CN109896014A - 一种固定翼无人机楼顶空投指示方法 - Google Patents

Abstract

固定翼无人机楼顶空投指示方法，属于无人机货运领域，为了解决向固定翼无人机发出精确的二维位置指示信号及空投点指示信号的问题，装置工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成直角三角形，即电动推杆收回至最短位置时，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列支撑至垂直于地面；装置不工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成钝角三角形，即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，提高固定翼无人机楼顶区域不降落空投的精确度。

Description

一种固定翼无人机楼顶空投指示方法

技术领域

本发明属于无人机货运领域，涉及一种固定翼无人机楼顶空投指示装置及方法。

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帮助固定翼无人机楼顶空投的LED指示装置，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

为了解决向固定翼无人机发出精确的二维位置指示信号及空投点指示信号，提高固定翼无人机楼顶区域不降落空投的精确度的问题，本发明提出如下技术方案：

一种固定翼无人机楼顶空投指示方法，装置工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成直角三角形，即电动推杆收回至最短位置时，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列支撑至垂直于地面；装置不工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成钝角三角形，即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。

进一步的，LED显示阵列，由18块白色的LED显示面阵及36块蓝色的LED显示面阵组成，高3.6米，其中白色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示装置所在位置，蓝色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示空投货物的高度，微控制器获取货物空投高度，并用单个蓝色LED面阵点亮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；以此蓝色LED面阵为中心白色LED显示面阵上方点亮2个面阵、下方点亮3个面阵，共5个，其高1米，该1米高的左右两个白色LED面阵用来为固定翼无人机修正飞行方向。

进一步的，LED面阵的亮度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；LED显示阵列的左右两侧垂直安装5厘米的遮光板，使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，按此路线飞行，固定翼无人机将以指定的高度从2个LED显示阵列中间飞过。

进一步的，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，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，固定翼无人机装载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、空投指示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5分钟，在微控制器的控制下，楼顶的左右2个防护箱打开上盖，微控制器驱动安装在防护箱底部的电动推杆向内收缩，电动推杆顶端通过连接器与支撑杆相连，由支撑杆角度变化而形成对LED显示面阵的向上推力，当电动推杆行程收至最短处时，LED显示面阵垂直于电动推杆，电动推杆、支撑杆及LED显示面阵组成一个直角三角形，微控制器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。

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指示装置，可向固定翼无人机发出精确的二维位置指示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、装置结构简单、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是安装位置示意图；

图2是展开图；

图3是折叠图；

图4是飞行路线示意图。

具体实施方式

一种安装在楼顶的固定翼无人机楼顶空投指示装置由蓝色LED显示面阵1.1，白色LED显示面阵1.2、支撑杆1.5、电动推杆1.6、防护箱1.7、线激光发生器2、通信模块和微控制器等部分组成。

防护箱，共2个，平行安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边一侧，安装位置如图1所示，图中3为固定翼无人机、4为固定翼无人机拟飞行路线、2为线激光发生器、1为防护箱、5为空投货物接收装置、6为楼顶边缘。防护箱立式矩形结构，长：4米；宽：0.5米；高：1米：防护箱外层由铝合金材质组成，防护箱底部横向安装一个长行程电动推杆。装置工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成直角三角形，即电动推杆收回至最短位置时，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列支撑至垂直于地面；装置不工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成钝角三角形，即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，如图2所示。防护箱主要起到收纳、保护LED显示陈列作用，即减少LED显示陈列在不工作时受到自然界阳光、风、雨、雪的侵蚀与破坏。

电动推杆，横向安装在防护箱的底部，电动推杆顶端通过连接器与支撑杆相连，由微控制器控制防护箱里的电动推杆伸出与收回。

支撑杆，分别连接电动推杆与LED显示阵列，用来支撑和回收LED显示阵列。

LED显示阵列，由18块白色的LED显示面阵(单个面阵高20厘米)及36块蓝色的LED显示面阵(单个面阵高10厘米)组成，高3.6米，其中白色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示装置所在位置，其中蓝色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示空投货物的高度。微控制器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)，并用单个蓝色LED面阵点亮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；以此蓝色LED面阵为中心白色LED显示面阵上方点亮2个面阵、下方点亮3个面阵，共5个(高1米)，该1米高的左右两个白色LED面阵用来为固定翼无人机修正飞行方向。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识别2个高1米的白色LED面阵，LED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)。LED显示阵列的左右两侧垂直安装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。LED显示阵列显示方式如图3所示。

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。

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指示的装置。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指示装置由LED显示阵列、支撑杆、电动推杆、防护箱、线激光发生器、通信模块和微控制器等部分组成。

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、空投指示装置(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，楼顶的左右2个防护箱打开上盖，微控制器驱动安装在防护箱底部的电动推杆向内收缩，电动推杆顶端通过连接器与支撑杆相连，由支撑杆角度变化而形成对LED显示面阵的向上推力，当电动推杆行程收至最短处时，LED显示面阵垂直于电动推杆，电动推杆、支撑杆及LED显示面阵组成一个直角三角形。LED显示阵列，由18块白色的LED显示面阵(单个面阵高20厘米)及36块蓝色的LED显示面阵(单个面阵高10厘米)组成，高3.6米，其中白色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示装置所在位置，其中蓝色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示空投货物的高度。微控制器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)并用单个蓝色LED面阵点亮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，当固定翼无人机到达指定位置时，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；以此蓝色LED面阵为中心白色LED显示面阵上方点亮2个面阵、下方点亮3个面阵，共5个(高1米)，该1米高的左右两个白色LED面阵用来为固定翼无人机修正飞行方向，即固定翼无人机机头方向安装的视觉检测传感器在较远的距离(3-5公里)就可根据2个白色LED面阵在采集图像中的位置和大小来修正固定翼无人机飞行路线，在距离指示装置1-2公里时，固定翼无人机可细微调整飞行高度，以使图像中的2个蓝点位于图像的中线附近且与原点对称。如按此路线飞行，固定翼无人机将以指定的高度(蓝色LED面阵点亮的高度)从2个LED显示阵列中间飞过。LED显示阵列的左右两侧垂直安装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。

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。

一种安装在楼顶的固定翼无人机楼顶空投指示装置，其特征在于，主要由LED显示阵列、支撑杆、电动推杆、防护箱、线激光发生器、通信模块和微控制器组成；所述防护箱，共2个，平行安装在楼顶无障碍矩形飞行空间的短边一侧，防护箱立式矩形结构，防护箱外层由铝合金材质组成，防护箱底部横向安装一个长行程电动推杆，装置工作时电动推杆、支撑杆及LED显示阵列构成直角三角形，使电动推杆收回至最短位置时，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列支撑至垂直于地面；装置不工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成钝角三角形，使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；所述电动推杆，横向安装在防护箱的底部，电动推杆顶端通过连接器与支撑杆相连，由微控制器控制防护箱里的电动推杆伸出与收回；所述支撑杆，分别连接电动推杆与LED显示阵列，用来支撑和回收LED显示阵列；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，用于定位固定翼无人机指示具体的货物投递点。

进一步的，所述通信模块，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，所述微控制器，用于控制防护箱的打开与关闭，及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。

进一步的，所述LED显示阵列，由18块白色的LED显示面阵及36块蓝色的LED显示面阵组成，其中白色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示装置所在位置，蓝色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示空投货物的高度。

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 (5)

1.一种固定翼无人机楼顶空投指示方法，其特征在于：装置工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成直角三角形，即电动推杆收回至最短位置时，连接在电动推杆最顶端的支撑杆正好将LED显示陈列支撑至垂直于地面；装置不工作时，电动推杆，支撑杆及LED显示阵列构成钝角三角形，即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。

2.如权利要求1所述的固定翼无人机楼顶空投指示方法，LED显示阵列，由18块白色的LED显示面阵及36块蓝色的LED显示面阵组成，高3.6米，其中白色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示装置所在位置，蓝色的LED显示面阵用来向固定翼无人机指示空投货物的高度，微控制器获取货物空投高度，并用单个蓝色LED面阵点亮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；以此蓝色LED面阵为中心白色LED显示面阵上方点亮2个面阵、下方点亮3个面阵，共5个，其高1米，该1米高的左右两个白色LED面阵用来为固定翼无人机修正飞行方向。

3.如权利要求2所述的固定翼无人机楼顶空投指示方法，其特征在于：LED面阵的亮度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；LED显示阵列的左右两侧垂直安装5厘米的遮光板，使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，按此路线飞行，固定翼无人机将以指定的高度从2个LED显示阵列中间飞过。

4.如权利要求1所述的固定翼无人机楼顶空投指示方法，其特征在于：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。

5.如权利要求1所述的固定翼无人机楼顶空投指示方法，其特征在于：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，固定翼无人机装载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、空投指示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5分钟，在微控制器的控制下，楼顶的左右2个防护箱打开上盖，微控制器驱动安装在防护箱底部的电动推杆向内收缩，电动推杆顶端通过连接器与支撑杆相连，由支撑杆角度变化而形成对LED显示面阵的向上推力，当电动推杆行程收至最短处时，LED显示面阵垂直于电动推杆，电动推杆、支撑杆及LED显示面阵组成一个直角三角形，微控制器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。