CN110641715A - 多无人机充电停机坪区引导降落管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多无人机充电停机坪区引导降落管理系统，包括：无人机端，设置有微处理器和光束收发器，光束收发器设置在无人机的底部，能够在微处理器的控制下垂直向下发射光束，并能够将接收到的来自停机坪端的光信号传送至微处理器；停机坪端，每个停机坪端设置有微处理器和光束收发器，光束收发器设置在停机坪上，能够在微处理器的控制下垂直向上发射光束，并能够将接收到的来自无人机端的光信号传送至微处理器；管理服务器端，用于通过各个停机坪端对各个无人机进行引导降落的管理，管理服务器在每一个监测周期内仅对一个停机坪端进行管理。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体设计出一套基于红外或可见光束的多无人机充电停机坪区引导降落管理系统。
背景技术
红外光束测距，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离。随着LED光源技术的发展和进步，具有高亮度、低功耗、长寿命等优点的白光LED已有逐渐取代日光灯和白炽灯的趋势。由于白光LED通信调制便捷、响应迅速，在无害辐射、保密、稳定性等方面与紫外、射频等方式相比优势明显，成为一种新兴的可见光通信(VLC)方式，正在逐步推广到室内定位领域。现有红外与LED光束测距方法能够维持信道的稳定性，可操作性强，但是对于室内水平移动目标的定位采样需求缺乏针对性模型，单光源单接收器条件下的射频信号的获取处理研究较少。
目前，无线充电的无人机停机坪已经进入量产阶段，该类停机坪将停机坪替换为充电板，可以实现无人机停靠后，无需导线即可实现实时充电，大大简化了充电流程。但是随着消防、交通、灾害等同一场景中使用多无人机的需求量加大，该停机坪难以满足多无人机停靠充电需求，且现有无线充电停机坪多无人机停靠的位置和稳定性存在更多要求，对停靠偏移的无人机难以有效进行感应充电。而在多无人机降落阶段大多要依靠操作员主观经验遥控执行，现有自动控制降落的精度也难以对停机坪较小范围的面积进行准确定位，容易出现多个操作员抢坪位，或者多无人机降落时间距过近空中相撞坠落，造成损失。在无线充电、周围用电设备、电磁场可能会对遥控或自动降落进行干扰或屏蔽无线电信号的前提下，研究服务多无人机的停机坪区域，实现无干扰、易感应、省能量的降落引导管理，避免或减小上述问题的措施，成为了多无人机降落引导管理体系设计中面临的很大的挑战。
发明内容
本发明提出的方法中，以红外或LED可见光束的光束收发组合系统为基础，在各无人机底部、各停机坪中心位置分别安装光束收发器，两收发器之间按照二进制闪烁频率通信，为服务多无人机停靠充电，将多停机坪建成多个分布组，坪区则由多个坪组构成，从而实现对多无人机的飞行状态、坐标报告、降落引导方案制定和指令传达，确保多无人机停靠位置准确安全。技术方案如下：
一种多无人机充电停机坪区引导降落管理系统，包括：
无人机端，每个无人机自身能够获取包括三维坐标、飞行速度与方向信息在内的状态信息，无人机还设置有微处理器和光束收发器，光束收发器设置在无人机的底部，能够在微处理器的控制下垂直向下发射光束，并能够将接收到的来自停机坪端的光信号传送至微处理器；
停机坪端，每个停机坪端设置有微处理器和光束收发器，光束收发器设置在停机坪上，能够在微处理器的控制下垂直向上发射光束，并能够将接收到的来自无人机端的光信号传送至微处理器；无人机端和停机坪端通过各自的微处理器和光束收发器进行光通信，实现停机坪发出指令与无人机状态反馈；每个停机坪端的微处理器还与管理服务器通过无线通信或有线连接方式相连。
管理服务器端，用于通过各个停机坪端对各个无人机进行引导降落的管理，管理服务器在每一个监测周期内仅对一个停机坪端进行管理，完成对码、通信、报告与申请降落此停机坪的无人机的飞行状态、三维坐标的停机坪报送的数据，管理服务器将降落方案指令也发送至该坪，其他坪报送数据丢弃；下一监测周期时各坪重新竞争报送；当同一监测周期内，多个停机坪端收发器仅发现唯一无人机时，管理服务器指令与该无人机最近距离的机位负责引导降落和停靠充电。
优选地，管理服务器端在一个监测周期内对某停机坪端进行管理的方法如下：管理服务器根据从某停机坪端获得的相应无人机报告的三维坐标、飞行速度与方向，与停机坪自身三维坐标进行计算，求得相对位置距离，形成并发出控制无人机沿位置连线方向运动的引导方案指令，并通过停机坪端向无人机发出指令，直至无人机的相对位置距离小于预设的阈值，表明停靠成功；若停机坪端光束收发器超过预设时段中断接收到正在引导的无人机反馈信息，表明停靠失败，停机坪向管理服务器报警。
优选地，引导降落管理的方法如下：
步骤一：多无人机飞抵停机坪区上空，底部光束收发器接收感知到某一停机坪分布组机位中心光束收发器发出的光信号，由此说明该坪位空置；多无人机主动向任一停机坪发出通信请求，该停机坪选择回复是或否；若选择是，则建立稳定通信链路，各无人机操作员手动或全部无人机设置自动向停机坪发出请求，拟降落至该坪；若选择否，则坪区任一机位无法实施引导和充电，机位拒绝与该无人机通信，此次感知询问过程结束；
步骤二：建立稳定通信链路后，多无人机询问是否可以降落；停机坪区管理端服务器端回复可降，则某一无人机启动状态报告过程；若回复否，则该停机坪机位拒绝与该无人机通信，此次感知询问过程结束；
步骤三：多无人机启动状态报告过程，通过稳定通信链路向停机坪报告自身三维坐标和飞行状态；管理端服务器计算机、坪二者相对位置，模拟无人机状态，形成引导方案，发送至各无人机端；多无人机应答并执行引导方案要求。
本发明提出的方法中，以红外或LED可见光束的光束收发组合系统为基础，在各无人机底部、各停机坪中心位置分别安装光束收发器，两收发器之间按照二进制闪烁频率通信，为服务多无人机停靠充电，将多停机坪建成多个分布组，坪区则由多个坪组构成，从而实现对多无人机的飞行状态、坐标报告、降落引导方案制定和指令传达，确保多无人机停靠位置准确安全。在上述模型基础上设计的红外或LED可见光束引导方法，使多无人机降落完全避免了电磁屏蔽或干扰，以及现有引导方法不准确、难以自适应实施等问题，降低了撞机风险，能够快速精确地提供多无人机行为状态信息，准确引导多无人机降落操作，提高了无线充电停机坪的使用效率，降低了事故发生率。
附图说明
图1是本发明装配步骤
图2是本发明运行流程
图3为本发明运行示意
具体实施方式
本发明提出的系统，以红外或LED可见光束的光束收发组合系统为基础，在各无人机底部、各停机坪中心位置分别安装光束收发器，两收发器之间按照二进制闪烁频率通信，为服务多无人机停靠充电，将多停机坪建成多个分布组，坪区则由多个坪组构成，从而实现对多无人机的飞行状态、坐标报告、降落引导方案制定和指令传达，确保多无人机停靠位置准确安全。本发明的基于红外或可见光束的多无人机充电停机坪区引导降落管理系统，包括：
停机坪区中各光束收发器可并行与发现的无人机进行通信，各无人机底部垂直向下发射的光束收发器，各停机坪分布组的每个机位中心位置垂直向上发射的光束收发器。此二者之间进行自由空间光通信，实现停机坪发出指令与无人机状态反馈。
用于控制上述两端光束收发器行为的高频芯片微处理器。用以将停机坪询问信息、指令，无人机状态、坐标，确认准确停靠成功结束与失败报警，操作员遥控确认/否认等信息进行翻译二进制码与电子信号的处理，进行光束收发器传输。
停机坪端光束收发器与微处理器共同安插在开发板上，开发板与停机坪分布组有线连接的控制室服务器之间通过网线、电路传输控制信号、反馈信号、电能。微处理器按照服务器端的指令，对光收发器设置光束亮度、实施状态自检。
停机坪分布组为同一块坪板上分布有多个机位，各机位中心的光束收发器独立工作。停机坪区由一套管理服务器统一管理的多个停机坪分布组构成。
管理服务器，根据无人机报告的三维坐标、飞行速度与方向，与停机坪自身三维坐标进行计算，求得相对位置距离，自动形成并发出发出沿位置连线方向运动的方案指令。协调各直至相对位置距离小于预设的阈值，表明停靠成功；若停机坪端收发器超过预设时段中断接收到正在引导的无人机反馈信息，表明停靠失败，服务器报警。
优先原则：管理服务器仅使用同一监测周期内最先完成对码、通信、报告飞行状态、三维坐标的停机坪报送的数据，管理服务器将降落方案指令也发送至该坪，其他坪报送数据丢弃；下一监测周期时各坪重新竞争报送。当同一监测周期内，多个停机坪端收发器仅发现唯一无人机时，管理服务器指令与该无人机最近距离的机位负责引导降落和停靠充电。
现在对本发明的实施提供详细参考。为解释本发明将参考附图描述下述实施例。
图1显示了本发明的五个步骤开展顺序，分别是：
(1)安装机、坪两端的光束收发器及微处理器等：在各无人机底部垂直向下发射的光束收发器，各停机坪分布组的每一个机位中心位置垂直向上发射的光束收发器。其中，无人机端光束收发器与高频芯片微处理器连接；停机坪端光束收发器与微处理器共同安插在开发板上，微处理器按照服务器端的指令，对光收发器设置光束亮度、实施状态自检。
(2)调节测试两端光束收发器参数：调节设置各停机坪分布组的每一个机位中心位置垂直向上光束收发器，其光源发射器及接收器位置与方向均固定不变。光源发射过程中，需要保持光源中心点垂直，光源照度不变，照射范围均匀。调节设置各无人机底部垂直向下的光束收发器，其光源发射器及接收器位置与方向均固定不变。光源发射过程中，需要保持光源中心点垂直，光源照度不变，照射范围均匀。
(3)连接布线：将各停机坪端的光束收发器连接的开发板地下布设网线与电路，连接控制室服务器与电源，实现传输控制信号、反馈信号、电能。
(4)设置两端光通信编码：在服务器端和无人机遥控台，分别对两端的高频芯片微处理器，编码设置各光束发射器光束频率：对各发射器编码，光源采用红外光束或LED可见光束，二者均较为容易被接收器识别。不同的光源发射器所发出的光束以闪烁频率不同进行编码识别，以避免反射至接收器后产生误判。
(5)设置信息传输规则：停机坪区中各光束收发器可并行与发现的多无人机进行通信，管理服务器仅使用同一监测周期内最先完成对码、通信、报告飞行状态、三维坐标的停机坪报送的数据，管理服务器将降落方案指令也发送至该坪，其他坪报送数据丢弃；下一监测周期时各坪重新竞争报送。当同一监测周期内，多个停机坪端收发器仅发现唯一无人机时，管理服务器指令与该无人机最近距离的机位负责引导降落和停靠充电。在管理服务器上，同一机位监测到单无人机时的“就近引导”，执行优先于监测到多无人机时“先报告先引导”，由此缓解了监测到多无人机的机位降落引导压力。
(6)对两端光束收发器进行工作状态调试，单无人机、多无人机降落测试。
图2为本发明运行流程。包括感知对码、多无人机报告三维坐标、停机坪端管理服务器计算相对位置和多无人机状态(判定是否引导)、管理服务器形成并发出多无人机引导方案指令、多无人机应答并执行指令、确认停靠成功(开始充电)或失败(报警)等行为。
步骤一：多无人机飞抵停机坪区上空，底部光束收发器接收感知到某一停机坪分布组机位中心光束收发器发出的光信号，由此说明该坪位空置。多无人机主动向任一停机坪发出通信请求，该停机坪选择回复是或否。若选择是，则建立稳定通信链路，各无人机操作员手动或全部无人机设置自动向停机坪发出请求，拟降落至该坪；若选择否，则坪区任一机位无法实施引导和充电，机位拒绝与该无人机通信，此次感知询问过程结束。
步骤二：建立稳定通信链路后，多无人机询问是否可以降落；停机坪区管理端服务器端回复可降，则某一无人机启动状态报告过程；若回复否，则该停机坪机位拒绝与该无人机通信，此次感知询问过程结束。
步骤三：多无人机启动状态报告过程，通过稳定通信链路向停机坪报告自身三维坐标和飞行状态(速度、方向等)；停机坪区管理端服务器计算上述机、坪二者相对位置，模拟无人机状态，形成引导方案，发送至各无人机端。多无人机应答并执行方案要求。该步骤持续循环，直至在阈值时间内，机、坪相对位置符合要求，至此引导结束，多无人机停靠成功；若二者之间失联，或者超出预设的阈值时间长度，则引导失败，多无人机控制端停靠失败，结束引导，停机坪区服务器报警。
图3为本发明运行示意图。无人机I、J、K分别被不同的停机坪端分布组上的机位光束收发器A、B、C、D、E监测到，系统引导情况。蓝色圆点为无人机端光束收发器，红色圆点为停机坪端光束收发器。已有无人机停靠的其他机位上的停机坪端光束收发器处于监听/休眠状态，不能参与引导。
无人机I、J距离机位A、B最近且相等，且均被机位A、B发现，机位A先按顺序完成无人机I、J坐标与飞行状态报告(即：飞行信息报告)，则管理服务器发布指令，由机位A将无人机J引导到A位置降落。无人机K被引导降落至机位B。
无人机K距离机位C最近，按顺序被机位E、C、D监测到，首先由机位C完成飞行信息报告。此时C、D均仅监测到唯一无人机K，机位E还监测到无人机J，则管理服务器指令由机位C负责引导降落无人机K，并降落在机位C上。
Claims (3)
1.一种多无人机充电停机坪区引导降落管理系统，包括：
无人机端，每个无人机自身能够获取包括三维坐标、飞行速度与方向信息在内的状态信息，无人机还设置有微处理器和光束收发器，光束收发器设置在无人机的底部，能够在微处理器的控制下垂直向下发射光束，并能够将接收到的来自停机坪端的光信号传送至微处理器；
停机坪端，每个停机坪端设置有微处理器和光束收发器，光束收发器设置在停机坪上，能够在微处理器的控制下垂直向上发射光束，并能够将接收到的来自无人机端的光信号传送至微处理器；无人机端和停机坪端通过各自的微处理器和光束收发器进行光通信，实现停机坪发出指令与无人机状态反馈；每个停机坪端的微处理器还与管理服务器通过无线通信或有线连接方式相连。
管理服务器端，用于通过各个停机坪端对各个无人机进行引导降落的管理，管理服务器在每一个监测周期内仅对一个停机坪端进行管理，完成对码、通信、报告与申请降落此停机坪的无人机的飞行状态、三维坐标的停机坪报送的数据，管理服务器将降落方案指令也发送至该坪，其他坪报送数据丢弃；下一监测周期时各坪重新竞争报送；当同一监测周期内，多个停机坪端收发器仅发现唯一无人机时，管理服务器指令与该无人机最近距离的机位负责引导降落和停靠充电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，管理服务器端在一个监测周期内对某停机坪端进行管理的方法如下：管理服务器根据从某停机坪端获得的相应无人机报告的三维坐标、飞行速度与方向，与停机坪自身三维坐标进行计算，求得相对位置距离，形成并发出控制无人机沿位置连线方向运动的引导方案指令，并通过停机坪端向无人机发出指令，直至无人机的相对位置距离小于预设的阈值，表明停靠成功；若停机坪端光束收发器超过预设时段中断接收到正在引导的无人机反馈信息，表明停靠失败，停机坪向管理服务器报警。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，引导降落管理的方法如下：
步骤一：多无人机飞抵停机坪区上空，底部光束收发器接收感知到某一停机坪分布组机位中心光束收发器发出的光信号，由此说明该坪位空置；多无人机主动向任一停机坪发出通信请求，该停机坪选择回复是或否；若选择是，则建立稳定通信链路，各无人机操作员手动或全部无人机设置自动向停机坪发出请求，拟降落至该坪；若选择否，则坪区任一机位无法实施引导和充电，机位拒绝与该无人机通信，此次感知询问过程结束；
步骤二：建立稳定通信链路后，多无人机询问是否可以降落；停机坪区管理端服务器端回复可降，则某一无人机启动状态报告过程；若回复否，则该停机坪机位拒绝与该无人机通信，此次感知询问过程结束；
步骤三：多无人机启动状态报告过程，通过稳定通信链路向停机坪报告自身三维坐标和飞行状态；管理端服务器计算机、坪二者相对位置，模拟无人机状态，形成引导方案，发送至各无人机端；多无人机应答并执行引导方案要求。
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