CN109911237B - 基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用，包括：多个紫外光光源阵列信标；无人机挂载接收装置；无人机飞行控制中心。本系统的应用方法包括以下步骤：在指定降落地点安装至少一个紫外光LED信标；在无人机上安装挂载接收装置；进入引导状态；无人机飞行过程中信号接收装置模块将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；对信号进行解调获得编码信息，根据编码信息可获得距离和方向信息，即可产生飞控信号；飞控信号传入飞行控制中心，辅助无人机降落。本发明优点在于抗干扰能力强：全天候非视距通信；便携式、宽视场、保密通信能力强。

Description

基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用

技术领域

本发明涉及无人机降落辅助系统技术领域，具体涉及一种基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及其应用方法。

背景技术

无人机(Unmanned aerial vehicle)与载人飞机相比，具有重量轻、人员伤亡风险小、机动性好、机舱设计简单等特点，除了在军事上的应用前景，其在民用领域也逐渐显露头角。着陆导航是无人机飞行中的重要阶段，因进场着陆受飞行高度、气象和地理环境等诸多因素的影响，精确可靠自动化的助降方法成为无人机技术中的关键研究内容之一。

无人机导航技术主要包括惯性导航、雷达导航、GPS导航、微波导航和视觉导航等。其中，随着计算机视觉和图像采集技术、光学测量技术、高速实时处理及存储技术的发展，基于视觉信息的导航技术近年成为研究热点，并具有设备简单、功耗低、体积小、自主无源等优点，并且不依赖地面和空中的导航设备，尤其是不受制于GPS限制(GPS导航系统利用导航卫星进行导航定位，存在信号易受干扰、分辨精度和技术垄断等问题)。在电子对抗方面具有较大优势。

而常见的无人机助降与引导系统采用的主要是惯性引导技术(InertialNavigation System，INS)、GPS引导技术以及基于机器视觉的引导技术(Machine Vision,MV)等。惯性引导技术利用加速度计测量载体自身的加速度，根据测量得到的加速度经过一次积分后得到载体的运动速度，经过两次积分后获得载体的位置。GPS引导技术是一种高精度的全球实时性导航定位方法，采用多普勒测速定位和时间测距导航定位两种方式，能够长时间地提供给用户高精度定位、导航和授时功能。机器视觉导航是目前受外界环境约束较少的一种导航方式，机器视觉导航不易受电子干扰，精度较高。其中利用尺度不变特征转换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)和加速鲁棒性特征(Speeded-Up RobustFeatures，SURF)等特征点匹配算法进行无人机引导的研究比较多。例如刘浩林等在对微小型固定翼无人机定点降落技术进行研究的过程中，采用视觉引导方法提出了基于比例导航的视觉导航算法。又如中国专利CN201510496861.8专利名称为基于地面紫外光LED信标的无人机助降视觉引导方法及机载系统，利用至少4个圆形发光体排列为具有方向性的地面紫外光LED信标，预定着陆位置设定在其中顶点灯前方。无人机在预定高度悬停，检测机载摄像头每帧图像中每个高亮区域并判断其是否为一个圆形发光体，然后根据圆形发光体的数量及各圆形发光体之间的排列关系，与目标库中预存的地面紫外光LED信标特征进行对比和识别，获得顶点灯位置及预定着陆位置，控制无人机朝向该预定着陆位置下降飞行并同时进行目标预测和跟踪。

现有无人机助降及引导技术存在以下缺点：系统复杂，对操作人员的依赖性大，自动化程度有待提高；GPS引导系统受电磁干扰影响大，在局部地域内受地形影响条件比较大；INS引导系统误差随着时间的推移而不断加大，引导系统累计误差较大；机器视觉引导图像数据处理量巨大，实时性较差。综上所述，现有的无人机助降系统难以满足无人机在低空飞行中安全引导的需求，实际操作较为困难。

因而迫切需要研发一种新的无人机助降导航系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用无线紫外光进行通信的无人机助降系统，定义新的无人机三维空间坐标解算方法，系统结构比较简单，算法容易实现，系统可靠性提高。

本发明提供的基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统，包括：

多个紫外光光源阵列信标，安装于指定降落地点的地面，所述的紫外光LED阵列信标包括半球形紫外光光源阵列和其驱动电路板，还包括地磁传感器、障碍物传感器，地磁传感器、障碍物传感器辅助输入方向及障碍物位置坐标信息等参数；驱动电路板上的CPU令信标发出一定波段的紫外光，并向无人机挂载接收装置发送编码信息；

无人机挂载接收装置，所述的无人机挂在接收装置是由紫外光接收部分、有效值检测部分和主控芯片构成，紫外光接收部分包括光电倍增管、光电倍增管管座、高压电源模块，高压电源模块为光电倍增管供电，接收装置将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；所述的挂载接收装置安装固定在无人机底部与无人机飞行控制中心通讯连接；有效值检测部分包括A/D转换装置，用于检测信号的有效值；主控芯片采用FPGA芯片；

无人机飞行控制中心，接收无人机挂载接收装置电信号计算出距离、方位等着陆信息进行无人机降落控制。

所述的半球形紫外光LED阵列为基于对空编码原理组装的半球型结构，阵列中每一层LED组成一条纬线，每一列LED组成一条经线，同一纵切面上的临近两个LED之间的夹角为18°，同一横切面上的临近两个LED之间的夹角为45°。

所述紫外光的光源应用大功率半导体紫外光光源，为发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)中的一种。

所述光电倍增管可由半导体探测器代替。

本发明的另一目的在于提供一种基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统的应用方法：

步骤1，在指定降落地点安装至少一个紫外光LED信标；

步骤2，在无人机上安装挂载接收装置；

步骤3，进入引导状态；

步骤4，无人机飞行过程中信号接收装置模块将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；

步骤5，对信号进行解调获得编码信息，根据编码信息可获得距离和方向信息，即可产生飞控信号；

步骤6，飞控信号传入飞行控制中心，辅助无人机降落。

所述的步骤1具体内容包括：1)对每个紫外光LED信标进行编号，每个紫外光LED信标直径至少200mm，各个信标之间安装距离至少为0.5米，LED信标可固定在任何不发光地面上，且这些LED信标可位于不同高度，并使这些LED信标所组成的形状从空中看具有方向性，即当这些LED信标所组成的形状进行平行于地面的旋转时，各个信标不发生编号混淆；

2)令这些LED信标中位于预计降落点之外的其中1个信标作为标志点信标，此预计降落点范围应大于所降落的无人机尺寸，其中，长宽应分别大于无人机尺寸的100％；

4)建立目标库，在目标库中预先储存各个LED信标的主要特征，其中，由地磁传感器提供方向信息，由障碍物传感器提供障碍信息；信标中的地磁传感器使得无人机和信标具有相同的参考方向，障碍物传感器将障碍物信息传送到CPU；除此之外，可输入的信息包括但不仅限于：LED信标数量，排列方式及位置信息，编号，此外还应包括标志点信标位置及编号，和预计降落点与标志点信标的位置关系；将上述信息输入LED信标的CPU中，生成控制信号后，控制信标LED阵列发出紫外光编码信号。CPU为整个信标的核心部分，保证每个紫外光LED单独可控，保证无论同时点亮多少个LED，每个LED上的发射功率相同。

5)为了能确定无人机相对于紫外光LED信标的位置，将紫外LED信标的行列进行经纬度划分，列编码表征相对于信标的方向信息，行编码表征相对于信标的距离信息。

6)设置好LED信标位置后，将所有方向编码初始化；并进行经-纬-经-纬方向扫描(每列/每行发送相应方向编码)

所述的步骤2的具体内容为：

1)将所属无人机挂载接收装置固定在无人机下方，将紫外光接收器方向保持下视方向，接通电源，并链入无人机飞行控制系统；

2)无人机挂载接收装备主要由紫外光接收器、有效值检测器和主控芯片构成，对接收到的信号进行处理、放大和解调，引导无人机准确降落。由于紫外光具有强散射特性，同一个无人机可能在同一时间、同一位置接收到多个编码信号，在挂载装置中设置有效值检测电路用于检测信号的有效值；

3)由于无人机运动为三维空间内的运动，两种维度的编码可以表示远近的定性信息；无人机上安装测量对地高度的传感器，可以准确判断无人机的相对位置。

所述的步骤3具体内容为：

无人机在预定高度悬停(1-100米)启动助降引导，将无人机在预定高度悬停，启动助降引导，将置信度初始化为0，目标跟踪标志初始化为0，潜在发光体目标个数即待识别的发光体数量初始化为0，进行紫外光信号搜索，捕捉到紫外光信号后，进入步骤4。

所述的步骤4具体内容为：

1)无人机挂载装置采用全向式紫外接收器，紫外接收器负责接收编码信号，对信号进行处理，放大和解调后获得编码信息。接收到的信号需要分出一路做有效值检测，用来表征信号的功率信息。获得相对于信标的方位信息后，对无人机的运动做出决策。信号光R7154型光电倍增管，其安装在CC238高压模块的光电倍增管管座上。由光电倍增管探测光信号，并将光信号转换为电信号，并以电流的形式输出。

2)紫外光通信NLOS链路中紫外光的功率是按指数衰减的，大气衰减系数表示为

紫外光NLOS链路的接收光功率的表达式如下：

其中，P_t为发送功率，P_s为散射相函数，r为通信距离，λ为波长，K_e为大气信道衰减系数Ke，K_ɑ为大气吸收系数，K_s为大气散射系数；A_r为接收孔径，φ₁为发射光束孔径角，φ₂为接受视场角。

所述的步骤5具体内容如下：

(1)主控芯片负责接收解调后的编码，并将该编码信息通过光电转换信号，转换为可被有效值检测电路检测到的电信号，电信号再经A/D转换信号和数据帧，并根据需求生成无人机运动指令。该信号可直接送入飞行控制系统或者通过无线方式发送给遥控人员。电信号经放大电路放大后经A/D采样后送入FPGA的信号处理模块中，测得无人机与LED发射装置之间的距离、无人机点坐标，将数据发送到控制中心，便于飞控系统进行调整。

(2)若以光电倍增管PMT(Photo Multiplier)作为接收器件，可通过其输出信号大致估算出入射光功率的大小，其信号以电流的形式输出，其输出电流表达式为：

(3)其中，N为接收到的入射光子数，η_d为光电倍增管对此波长入射光的光电转换效率，η_f为滤光片对该波长紫外光的透过率，G为光电倍增管增益，e为电子电荷量，T为时间。因此得到入射光子数量为：

(4)单个光子的能量E＝hv，普朗克常数h＝6.62x10^-34J·S，ν为频率，因此接收光功率为：

(5)在NLOS通信中，由公式(4)可知在发射功率、大气吸收系数和接收孔径面积等参数一定的情况下，接收功率P_r是关于自变量为传输距离r的函数，此时求此函数的反函数，即：

此公式中，朗伯W函数(Lambert W)是f(W_x)＝W_xexp(W_x)的反函数，其中exp(W_x)是指数函数，W是任意复数，朗伯函数是一个多值函数。因此，在其他参数一定的情况下，如果已知接收端接收功率，利用公式可以计算得到LOS通信的接收端与发射端的距离r。

所述的步骤6具体内容包括：

(1)无线紫外光接收器进行路场当中的紫外光信号搜索，捕信号之后开始测定目标方向和距离，引导无人机飞向着陆点；在无人机距离着陆点距离足够近时，紫外通讯链路建立，此时无人机挂载装备能够接收到无线紫外光信标发送的信息；利用基于三维坐标的无线紫外光测距定位算法求解出距离、方位等着陆信息。

(2)并将着陆信息，与之前存储在数据库中的数据进行对比，判断是否为同一目标；所述LED信标数量及排列方式和位置信息；判断方法为：

根据步骤4-5中接收到的信号源数目，及计算出的位置及距离信息，与目标库中预存的各个地面紫外光LED信标及进行对比，选择相匹配的地面紫外光LED信标作为待匹配目标；若没有信息相等的地面紫外光LED信标，则返回步骤2中重新搜索地面紫外光LED信标。

若为同一目标，则根据目标库中预存的信息获得顶点灯编号及位置信息，即获得顶点灯的形心三维坐标，并获得各LED信标编号，且将目标跟踪位置设为1，置信度设为T；进而获得预定着陆点三维坐标；

若不为同一目标，返回步骤2重新搜索地面紫外光LED信标；

(3)将方位信息与数据库进行对比，如方向正确，向该方向运动，否则旋转机身方向，使其对正；

(4)当运动到顶点灯位置正上方时，向飞行控制系统发出信号，无人机停止移动，进入悬停状态，后垂直降落；

若未到达指定位置，继续向指定位置移动。

(5)陆地上的紫外光信标发射地面障碍物信息，无人机挂载接收装备接收到信号后传递给主控芯片，主控芯片进行信号解调，将着陆信息与无人机的速度、高度等信息融合，生成控制命令引导无人机降落。

本发明提供的基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及其应用方法，首次将无线紫外通信与无人机相结合，运用无线紫外光的特点搭建无人机助降系统辅助无人机进行定位和降落。

附图说明

图1为本发明系统工作方式图；

图2为本发明紫外光LED阵列信标结构示意图；

图3为本发明紫外光LED阵列信标切面图；

图4为本发明紫外光LED阵列信标的编码示意图；

图5为本发明无人机距离方向信息定位图；

图6为本发明紫外光LED阵列工作模式图；

图7为本发明系统的工作流程；

具体实施方式

本发明提供的基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统，包括：

多个紫外光LED阵列信标，安装于指定降落地点的地面，所述的紫外光LED阵列信标是由半球形紫外光光源阵列和其驱动电路板组成，本实施例采用UVTOP系列LED紫外光源1，驱动电路板令信标发出一定波段的紫外光，并向无人机挂载接收装置发送编码信息；信标还包括设置在地面的地磁传感器和障碍传感器，与无人机CPU通讯连接。

无人机挂载接收装置，所述的无人机挂在接收装置是由紫外光接收部分、有效值检测部分和主控芯片构成，紫外光接收部分包括光电倍增管、光电倍增管管座、高压电源模块，高压电源模块为光电倍增管供电，接收装置将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；所述的挂载接收装置安装固定在无人机底部与无人机飞行控制中心通讯连接；本实施例有效值检测部分使用STM32F103作为A/D转码装置，用于检测信号的有效值；FPGA作为编解码模块；

参见图1，本系统的工作方式为：紫外光LED阵列信标发出一定波段的紫外光，并向无人机挂载接收装置发送编码信息，紫外光编码信息经光电倍增管捕获后，将光信号转换成电流信号后，经A/D采样模块进行转换，然后将数据传输到无人机CPU中处理，无人机CPU将控制信号传输给无人机飞行控制系统，控制无人机进行降落；

参见图2、图3所述的半球形紫外光LED阵列为基于对空编码原理组装的半球型结构，阵列中每一层LED组成一条纬线，每一列LED组成一条经线，同一纵切面上的临近两个LED之间的夹角为18°，同一横切面上的临近两个LED之间的夹角为45°。

本实施例的基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统的应用方法，参见图7：

步骤1，在指定降落地点安装至少一个紫外光LED信标：1)对每个紫外光LED信标进行编号，每个紫外光LED信标直径至少200mm，各个信标之间安装距离至少为0.5米，LED信标可固定在任何不发光地面上，且这些LED信标可位于不同高度，并使这些LED信标所组成的形状从空中看具有方向性，即当这些LED信标所组成的形状进行平行于地面的旋转时，各个信标不发生编号混淆；

2)令这些LED信标中位于预计降落点之外的其中1个信标作为标志点信标，此预计降落点范围应大于所降落的无人机尺寸，其中，长宽应分别大于无人机尺寸的100％；

4)建立目标库，在目标库中预先储存各个LED信标的主要特征，其中，由地磁传感器提供方向信息，由障碍传感器获得障碍信息；信标中的地磁传感器使得无人机和信标具有相同的参考方向，障碍传感器将障碍物信息传送到CPU；除此之外，可输入的信息包括但不仅限于：LED信标数量，排列方式及位置信息，编号，此外还应包括标志点信标位置及编号，和预计降落点与标志点信标的位置关系；将上述信息输入LED信标的CPU中，生成控制信号后，控制信标LED阵列发出紫外光编码信号。CPU为整个信标的核心部分，保证每个紫外光LED单独可控，保证无论同时点亮多少个LED，每个LED上的发射功率相同。

5)参见图4，为了能确定无人机相对于紫外光LED信标的位置，将紫外LED信标的行列进行经纬度划分，列编码表征相对于信标的方向信息，行编码表征相对于信标的距离信息；将列分为8个部分，即在列方向上将空域分为8块，无人机和信标的参考方向通过地磁传感器进行同步；收到编码后，能够判断信标对于无人机的方向，随后无人机根据指定方位飞行；行编码则对信标空域按距离远近进行编码，无人机可以根据编码判断相对于信标的远近程度，如图当接收到编码为1的行编码时，则可近似认为已到达信标上方。

6)设置好LED信标位置后，将所有方向编码初始化；并进行经-纬-经-纬方向扫描(每列/每行发送相应方向编码)，具体流程参见图6。

步骤2，在无人机上安装挂载接收装置：

1)将所属无人机挂载接收装置固定在无人机下方，将紫外光接收器方向保持下视方向，接通电源，并链入无人机飞行控制系统；

2)无人机挂载接收装备主要由紫外光接收器、有效值检测器和主控芯片构成，对接收到的信号进行处理、放大和解调，引导无人机准确降落。由于紫外光具有强散射特性，同一个无人机可能在同一时间、同一位置接收到多个编码信号，在挂载装置中设置有效值检测电路用于检测信号的有效值；

3)由于无人机运动为三维空间内的运动，两种维度的编码可以表示远近的定性信息；无人机上安装测量对地高度的传感器，可以准确判断无人机的相对位置。

步骤3，进入引导状态：

无人机在预定高度悬停(1-100米)启动助降引导，将无人机在预定高度悬停，启动助降引导，将置信度初始化为0，目标跟踪标志初始化为0，潜在发光体目标个数即待识别的发光体数量初始化为0，进行紫外光信号搜索，捕捉到紫外光信号后，进入步骤4。

步骤4，无人机飞行过程中信号接收装置模块将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号：

1)无人机挂载装置采用全向式紫外接收器，紫外接收器负责接收编码信号，对信号进行处理，放大和解调后获得编码信息。接收到的信号需要分出一路做有效值检测，用来表征信号的功率信息。获得相对于信标的方位信息后，对无人机的运动做出决策。信号光经过滤波片进入FPGA中的R7154型光电倍增管，其安装在CC238高压模块的光电倍增管管座上。由光电倍增管探测光信号，并将光信号转换为电信号，并以电流的形式输出。

2)紫外光通信NLOS链路中紫外光的功率是按指数衰减的，大气衰减系数表示为

紫外光NLOS链路的接收光功率的表达式如下：

其中，P_t为发送功率，P_s为散射相函数，r为通信距离，λ为波长，K_e为大气信道衰减系数Ke，K_ɑ为大气吸收系数，K_s为大气散射系数；A_r为接收孔径，φ₁为发射光束孔径角，φ₂为接受视场角。

步骤5，对信号进行解调获得编码信息，根据编码信息可获得距离和方向信息，即可产生飞控信号：

(1)主控芯片负责接收解调后的编码，并将该编码信息通过光电转换信号，转换为可被有效值检测电路检测到的电信号，电信号再经A/D转换信号和数据帧，并根据需求生成无人机运动指令。该信号可直接送入飞行控制系统或者通过无线方式发送给遥控人员。电信号经放大电路放大后经A/D采样后送入FPGA的信号处理模块中，测得无人机与LED发射装置之间的距离、无人机点坐标，将数据发送到控制中心，便于飞控系统进行调整。

(2)若以光电倍增管PMT(Photo Multiplier)作为接收器件，可通过其输出信号大致估算出入射光功率的大小，其信号以电流的形式输出，其输出电流表达式为：

(3)其中，N为接收到的入射光子数，η_d为光电倍增管对此波长入射光的光电转换效率，η_f为滤光片对该波长紫外光的透过率，G为光电倍增管增益，e为电子电荷量，T为时间。因此得到入射光子数量为：

(4)单个光子的能量E＝hv，普朗克常数h＝6.62x10^-34J·S，ν为频率，因此接收光功率为：

(5)在NLOS通信中，由公式(4)可知在发射功率、大气吸收系数和接收孔径面积等参数一定的情况下，接收功率P_r是关于自变量为传输距离r的函数，此时求此函数的反函数，即：

此公式中，朗伯W函数(Lambert W)是f(W_x)＝W_xexp(W_x)的反函数，其中exp(W_x)是指数函数，W是任意复数，朗伯函数是一个多值函数。因此，在其他参数一定的情况下，如果已知接收端接收功率，利用公式可以计算得到LOS通信的接收端与发射端的距离r。

步骤6，飞控信号传入飞行控制中心，辅助无人机降落：

(1)无线紫外光接收器进行路场当中的紫外光信号搜索，捕信号之后开始测定目标方向和距离，引导无人机飞向着陆点；在无人机距离着陆点距离足够近时，紫外通讯链路建立，此时无人机挂载装备能够接收到无线紫外光信标发送的信息；参见图5，利用基于三维坐标的无线紫外光测距定位算法求解出距离、方位等着陆信息。

(2)并将着陆信息，与之前存储在数据库中的数据进行对比，判断是否为同一目标；所述LED信标数量及排列方式和位置信息；判断方法为：

根据步骤4－5中接收到的信号源数目，及计算出的位置及距离信息，与目标库中预存的各个地面紫外光LED信标及进行对比，选择相匹配的地面紫外光LED信标作为待匹配目标；若没有信息相等的地面紫外光LED信标，则返回步骤2中重新搜索地面紫外光LED信标。

若为同一目标，则根据目标库中预存的信息获得顶点灯编号及位置信息，即获得顶点灯的形心三维坐标，并获得各LED信标编号，且将目标跟踪位置设为1，置信度设为T；进而获得预定着陆点三维坐标；

若不为同一目标，返回步骤2重新搜索地面紫外光LED信标；

(3)将方位信息与数据库进行对比，如方向正确，向该方向运动，否则旋转机身方向，使其对正；

(4)当运动到顶点灯位置正上方时，向飞行控制系统发出信号，无人机停止移动，进入悬停状态，后垂直降落；

若未到达指定位置，继续向指定位置移动。

陆地上的紫外光信标发射地面障碍物信息，无人机挂载接收装备接收到信号后传递给主控芯片，主控芯片进行信号解调，将着陆信息与无人机的速度、高度等信息融合，生成控制命令引导无人机降落。

本实施例应用后，系统应用于能见度8km左右时，路径损耗最小，15km次之，1km路径损耗最大。

能见度8km左右时误码率接近10-5，通信质量最好；能见度为1km时误码率次之、通信质量次之，能见度为15km时误码率最大、通信质量最差。

本发明的紫外光范围为1-600kHZ，600kHz的紫外光可在90m以内实现无误码传输，极限误码值为0.5；1MHz的紫外光可在50以内实现无误码传输，极限误码值为0.5。

本发明的基于紫外光对空编码信标的无人机助降系统在无人机定位算法的基础上进行优化改进，提出了新的基于三维坐标系的无人机坐标定位算法以及简化的通信模型，并且紧密结合紫外光通信技术现有的特点与无人机的运行与结构特点，设计了结构简单、耗能低的紫外通信系统，确定了系统的紫外光源、光接收器、滤光片等关键器件，分析了整个系统的软件及硬件部分的结构以及工作流程。基于整个系统的软件与硬件功能实现，本发明的三维坐标系下的无人机定位方法，依靠无人机接收端接收到的紫外光功率解算当前坐标位置信息，为之后无人机运行操作提供指导。与其他助降方式相比，具有以下优势：

(1)抗干扰能力强：大气中的臭氧分子对太阳光中“日盲”紫外线有极强的吸收作用，工作于此波段的紫外通信系统可以看作近似是无背景噪声干扰的。

(2)全天候非视距通信。无线紫外光散射通信，能够在不同的大气情况下进行信息传输，实现全天候通信；利用散射方式实现非视距信号传输，克服了其它视距方式光通信系统的弱点，能适应复杂的地形环境。

(3)便携式、宽视场、保密通信能力强。无线紫外光通信系统采用LED为光源实现信标光源的微小型化，利于移动和携带；无线紫外光是以一定的角度进行散射通信，加上自然界基本没有背景干扰，可以实现宽视场的发送和接收，并且有利于目标快速对准和定位；光波的方向性比无线电波更易于控制，无线紫外光通信可利用窄波束和低发射功率实现点到点的保密通信。

Claims (9)

1.一种基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在指定降落地点安装至少一个紫外光LED信标；

步骤2，在无人机上安装挂载接收装置；

步骤3，进入引导状态；

步骤4，无人机飞行过程中信号接收装置模块将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；

步骤5，对信号进行解调获得编码信息，根据编码信息可获得距离和方向信息，即可产生飞控信号；

步骤6，飞控信号传入飞行控制中心，辅助无人机降落；

其中，所述的步骤1具体内容包括：

1)对每个紫外光LED信标进行编号，每个紫外光LED信标直径至少200mm，各个信标之间安装距离至少为0.5米，并使这些LED信标所组成的形状从空中看具有方向性；

2)令LED信标中位于预计降落点之外的其中1个信标作为标志点信标，预计降落点范围大于所降落的无人机尺寸；

3)建立目标库，在目标库中预先储存各个LED信标的主要特征，输入的特征信息包括：LED信标数量、排列方式及位置信息、编号，标志点信标位置信息及编号，和预计降落点与标志点信标的位置关系；

4)将紫外光LED信标的行列进行经纬度划分，列编码表征相对于信标的方向信息，行编码表征相对于信标的距离信息；

5)设置好LED信标位置后，将所有方向编码初始化；并进行经-纬-经-纬方向扫描，每列/每行发送相应方向编码。

2.根据权利要求1所述的助降与引导系统的应用方法，基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统实现，其特征在于，该系统包括：多个紫外光光源阵列信标，安装于指定降落地点的地面，所述的紫外光光源阵列信标包括紫外光光源阵列、驱动电路板、地磁传感器、障碍物传感器，驱动电路板令信标发出一定波段的紫外光，并发送编码信息，地磁传感器、障碍物传感器辅助输入无人机方向及障碍物位置坐标信息参数；

无人机挂载接收装置，所述的无人机挂在接收装置是由紫外光接收部分、有效值检测部分和主控芯片构成，紫外光接收部分包括光电倍增管、光电倍增管管座、高压电源模块，高压电源模块为光电倍增管供电，接收装置将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；所述的挂载接收装置安装固定在无人机底部与无人机飞行控制中心通讯连接；有效值检测部分包括A/D转换装置，用于检测信号的有效值；主控芯片采用FPGA芯片；

无人机飞行控制系统，接收无人机挂载接收装置电信号计算出距离、方位等着陆信息进行无人机降落控制。

3.根据权利要求2所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述紫外光光源阵列为半球型结构，阵列中每一层紫外光光源组成一条纬线，每一列紫外光光源组成一条经线，同一纵切面上的临近两个紫外光光源之间的夹角为18°，同一横切面上的临近两个紫外光光源之间的夹角为45°。

4.根据权利要求2所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述紫外光的光源应用大功率半导体紫外光光源，为发光二极管和半导体激光器中的一种。

5.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤2的具体内容为：

1)将所属无人机挂载接收装置固定在无人机下方，将紫外光接收器方向保持下视方向，接通电源，并链入无人机飞行控制系统；

2)无人机挂载接收装置对接收到的信号进行处理、放大和解调，引导无人机准确降落。

6.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤3具体内容为：无人机在预定高度悬停，启动助降引导，将置信度初始化为0，目标跟踪标志初始化为0，潜在发光体目标个数即待识别的发光体数量初始化为0，进行紫外光信号搜索，捕捉到紫外光信号后，进入步骤4。

7.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤4具体内容为：

1)无人机挂载装置采用全向式紫外接收器，紫外接收部分负责接收编码信号，对信号进行处理，放大和解调后获得编码信息，接收到的信号需要分出一路做有效值检测，用来表征信号的功率信息，获得相对于信标的方位信息后，对无人机的运动做出决策；

2)紫外光通信NLOS链路中紫外光的功率是按指数衰减的，大气衰减系数表示为

紫外光NLOS链路的接收光功率的表达式如下：

其中，Pt为发送功率，Ps为散射相函数，r为通信距离，λ为波长，Ke为大气信道衰减系数Ke，Kɑ为大气吸收系数，Ks为大气散射系数；Ar为接收孔径，φ1为发射光束孔径角，φ2为接受视场角。

8.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤5具体内容如下：

(1)主控芯片负责接收解调后的编码，并将该编码信息通过光电转换信号，转换为可被有效值检测电路检测到的电信号，电信号再经A/D转换信号和数据帧，并根据需求生成无人机运动指令；

(2)以光电倍增管作为接收器件，通过其输出信号大致估算出入射光功率的大小，其信号以电流的形式输出，其输出电流表达式为：

其中，N为接收到的入射光子数，η_d为光电倍增管对此波长入射光的光电转换效率，η_f为滤光片对该波长紫外光的透过率，G为光电倍增管增益，e为电子电荷量，T为时间，因此得到入射光子数量为：

(3)单个光子的能量E＝hv，普朗克常数h＝6.62x10-34J·S，ν为频率，因此接收光功率为：

(4)在NLOS通信中，由公式(4)可知在发射功率、大气吸收系数和接收孔径面积等参数一定的情况下，接收功率Pr是关于自变量为传输距离r的函数，此时求此函数的反函数，即：

此公式中，朗伯W函数(Lambert W)是f(W_X)＝W_Xexp(Wx)的反函数，其中exp(Wx)是指数函数，W是任意复数，朗伯函数是一个多值函数，在其他参数一定的情况下，如果已知接收端接收功率，利用公式可以计算得到LOS通信的接收端与发射端的距离r。

9.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤6具体内容包括：

(1)无线紫外光接收器进行路场当中的紫外光信号搜索，捕信号之后开始测定目标方向和距离，引导无人机飞向着陆点；在无人机距离着陆点距离足够近时，紫外通讯链路建立，此时无人机挂载装备能够接收到无线紫外光信标发送的信息；利用基于三维坐标的无线紫外光测距定位算法求解出距离、方位等着陆信息；

(2)并将着陆信息，与之前存储在数据库中的数据进行对比，判断是否为同一目标；所述LED信标数量及排列方式和位置信息；判断方法为：

根据步骤4-5中接收到的信号源数目，及计算出的位置及距离信息，与目标库中预存的各个地面信标及进行对比，选择相匹配的地面信标作为待匹配目标；若没有信息相等的地面信标，则返回步骤2中重新搜索地面信标；

若为同一目标，则根据目标库中预存的信息获得顶点灯编号及位置信息，即获得顶点灯的形心三维坐标，并获得各LED信标编号，且将目标跟踪位置设为1，置信度设为T；进而获得预定着陆点三维坐标；若不为同一目标，返回步骤2重新搜索地面紫外光LED信标；

(3)将方位信息与数据库进行对比，如方向正确，向该方向运动，否则旋转机身方向，使其对正；

(4)当运动到顶点灯位置正上方时，向飞行控制系统发出信号，无人机停止移动，进入悬停状态，后垂直降落；若未到达指定位置，继续向指定位置移动；

(5)陆地上的紫外光信标发射地面障碍物信息，无人机挂载接收装置接收到信号后传递给主控芯片，主控芯片进行信号解调，将着陆信息与无人机的速度、高度等信息融合，生成控制命令引导无人机降落。

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