CN111142546A - 一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法，涉及无人机技术领域，能够实现无人机在未知地点的精准降落，同时成本低、便携、精度高；该系统包括多旋翼无人机、停机坪和地面控制站；所述停机坪设于多旋翼无人机待降落的位置，用于引导多旋翼无人机进行降落；所述多旋翼无人机包括：图像处理器，用于对可见光/红外传感器拍摄的停机坪图像进行处理和计算，以获得多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差；飞行控制器，用于根据图像处理器获得的多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差，控制多旋翼无人机进行精准降落；差分RTK系统用于无人机定位。本发明提供的技术方案适用于无人机降落的过程中。

Description

一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法

【技术领域】

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法。

【背景技术】

多旋翼无人机对起降条件要求低、飞行稳定性好、可控性好，在无人快递，丛林作战等领域得到了广泛的应用。

中国专利CN206696434U、《一种无人机自动引导降落系统》公开了利用差分GPS引导无人机精准降落的系统，该系统利用差分GPS实现无人机撞网回收，此系统针对固定翼无人机，且需要专门的天网装置才能回收，回收装置固定。中国专利CN108572661A、《一种无人机控制系统及无人机控制方法》公开了利用差分GPS制作智能停机坪引导多旋翼无人机精准降落，此种系统需要将差分GPS安装到停机坪上，且与地面控制站无线连接，成本较高，且不易携带，机动性较差。中国专利CN105843242B、《无人船舰载平台的无人机图像引导降落方法》利用舰载图像屏引导无人机降落，在引导降落过程中，由于导航系统误差(水平方向稳定精度为5米)，无人机易发生漂移，导致捕捉不到舰载图像，降落失败。中国专利CN107264821A、《一种无人机光引导降落系统及方法》公开了一种利用光信号，实时计算机载接收机与地面发送机(着陆点)的偏移位置，通过无人机飞控系统进行纠偏，来引导无人机进行精准降落的方法和系统。该系统的不足之处在于，需要专门的光信号发送和接收装置，获得的偏移位置不是真实距离，导致飞控系统无法进行定量纠偏。

综上所述，单纯依靠差分GPS系统或者图像处理技术，多旋翼无人机执行无人快递、跟随车动态降落等任务时，或在楼顶、狭窄区域、地面崎岖等区域执行降落任务时，由于降落区域面积小，无法满足无人机能精准降落要求。

因此，有必要研究一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法，能够实现无人机在未知地点(可移动)的精准降落，同时成本低、便携、精度高。

一方面，本发明提供一种多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述引导系统包括多旋翼无人机、停机坪和地面控制站；

所述地面控制站通过无线测控与所述多旋翼无人机通信连接，用于对所述多旋翼无人机进行干预控制；

所述停机坪设于多旋翼无人机待降落的位置，用于引导多旋翼无人机进行降落；

所述多旋翼无人机包括：

图像处理器，与设于所述多旋翼无人机机体下方的可见光/红外传感器连接，用于对设于所述多旋翼无人机机体下方的可见光/红外传感器拍摄的停机坪图像进行处理和计算，以获得多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差；

飞行控制器，用于根据图像处理器获得的多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差，控制多旋翼无人机进行精准降落；

差分RTK系统，用于实现多旋翼无人机的精确定位。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述飞行控制器控制多旋翼无人机进行精准降落的具体内容为：

根据图像处理器获得的多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差对多旋翼无人机的位置、高度和/或飞行速度进行调整，使多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量和高度处于预设的范围内，使多旋翼无人机的飞行速度与停机坪的相对速度差为零；飞行控制器控制多旋翼无人机关闭发动机，进行自主着陆。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，多旋翼无人机相对于停机坪偏移量的预设范围为：|X|≤0.1且|Y|≤0.1，其中，X为多旋翼无人机在x轴上相对于停机坪中心点的偏移量，Y为多旋翼无人机在y轴上相对于停机坪中心点的偏移量。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，多旋翼无人机相对于停机坪高度的预设范围为小于0.2m，优选小于0.1米。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述停机坪包括靶标，所述靶标形状为圆形或者方形。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述靶标为同心圆，且所述同心圆的最小圆的半径≤5cm，同心圆个数≥3，相邻同心圆间距≥10cm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述多旋翼无人机还包括设于机体下方的LED照明灯，用于在光线不足环境下降落时进行照明。

再一方面，本发明提供一种多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，使用如上任一所述的多旋翼无人机精准降落引导系统；所述方法的步骤包括：

S1、多旋翼无人机采集停机坪图像；

S2、图像处理器对停机坪图像进行处理，提取靶标信息；

S3、根据可见光/红外传感器的实际参数、停机坪的实际大小以及提取的停机坪靶标信息，计算出多旋翼无人机相对于靶标的偏移量和高度；

S4、判断多旋翼无人机相对于靶标的偏移量和高度是否在预设范围内；若是，进入下一步；若否，飞行控制器控制多旋翼无人机进行位置和高度的调整，调整完成后返回S1重新采集图像；

S5、关闭多旋翼无人机的发动机，进行自主着陆。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4具体步骤包括：

S41、判断多旋翼无人机相对于靶标的偏移量是否满足|X|≤0.1且|Y|≤0.1；若是，进入下一步；若否，飞行控制器控制多旋翼无人机进行位置调整，调整完成后返回S1重新采集图像；

S42、判断多旋翼无人机相对于靶标的高度是否小于0.2m；若是，进入S5；若否，飞行控制器控制多旋翼无人机下调高度，调整完成后返回S1重新采集图像。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S3还包括：图像处理器根据停机坪靶标中心在图像中移动的速度，计算出停机坪的实际速度，飞行控制器根据停机坪的实际速度和多旋翼无人机当前速度对多旋翼无人机的飞行速度进行调整，使多旋翼无人机的飞行速度与停机坪的相对速度差为零。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：基于机器视觉对无人机进行精准降落的引导，能够基于相对于停机坪的实际偏移量、高度和速度对无人机进行位置、高度和飞行速度的微整，使无人机能够在很小的偏移范围内精准降落在停机坪，且无需过多附加装置或设备，成本低廉、携带方便。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的多旋翼无人机精准降落的情景示意图；

图2是本发明一个实施例提供的多旋翼无人机精准降落引导系统的机构框图；

图3是本发明一个实施例提供的停机坪俯视图；

图4是本发明一个实施例提供的多旋翼无人机精准降落引导系统工作流程图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种多旋翼无人机精准降落引导系统，将差分RTK系统与图像处理技术相结合，用于实现无人机在未知地点(可移动)的精准降落，同时成本低，便携，精度高。差分RTK系统包括差分GPS系统，差分北斗系统等，其作用是：让飞机的定位精度提高到厘米级别，飞机自身稳定、无漂移现象，既使在飞机高度较低的情况下，也能保证引导降落的停机坪在飞机载荷的视场内，再与图像处理技术相结合，实现图像引导无人机成功地精准着陆。

引导多旋翼无人机精准降落的系统，如图1和图2所示，包括多旋翼无人机3、停机坪2和地面控制站1，地面控制站1通过无线测控与多旋翼无人机3通信连接；多旋翼无人机上设有动力系统、惯性导航系统、可见光/红外传感器、机载差分RTK系统、LED照明灯、图像处理器和飞行控制器，其中动力系统、惯性导航系统、可见光/红外传感器、机载差分RTK系统、LED照明灯、图像处理器和飞行控制器均固定连接于机身，LED灯和可见光/红外传感器位于机体下方。可见光/红外传感器与图像处理器连接，图像处理器与飞行控制器和测控系统相连接。测控系统包括机载端无线测控和地面端无线测控。机载端无线测控与图像处理器和飞行控制器相连接，地面端无线测控通过网口/USB等接口与地面控制站相连接，用于发送图像以及地面控制指令和无人机状态数据；飞行控制器作为无人机的“大脑”，与机载差分RTK系统，惯性导航系统，动力系统，LED照明灯等连接。

图像处理器一方面对可见光/红外传感器的图像进行压缩，通过测控将图像传送到地面站，另一方面，在接收到地面站发送的降落指令后，结合飞行控制器传回的气压高度计高度、导航高度等信息，对停机坪的靶标进行检测，识别；由于靶标的大小固定，可见光/红外传感器的视场角及像元在出厂时确定，根据在图像中成像大小，可反推出无人机距离停机坪的距离，根据距离和靶标在图像中的偏移量，可精确的计算出无人机与停机坪中心的偏移位置。图像处理器在无人机偏移停机坪位置|X|≥0.1m或|Y|≥0.1时，将偏移的位置量发送给飞行控制器，由飞行控制器调整无人机的位置。在无人机偏移停机坪位置|X|≤0.1且|Y|≤0.1时，向飞行控制器发送高度下调指令，调整无人机的高度，引导无人机降落。LED灯，用于在夜晚降落时照明使用。

地面控制站用于向无人机发送控制命令，控制命令通过无线链路传输。地面控制站包括RTK差分基站、手持控制终端和无线测控装置。无线测控可以使通用3G/4G设备，也可以是L波段的专用链路。

差分RTK系统分为基站和机载端两部分，基站放置到地面，通过自身的链路给机载端实时发送基准定位信息；机载端接收到地面的基准信息后，通过计算，得出精度为厘米级的定位精度。

停机坪包括靶标和拦截带。停机坪可由普通的布、尼龙材料组成，形状为圆形或者方形，上面喷涂有靶标图案。靶标可以为同心圆或同心方形。靶标为同心圆时，如图3所示，最小圆的半径≤5cm，同心圆个数≥3，相邻同心圆间距≥10cm。停机坪的周边设有塑料或者泡沫突起的拦截带。停机坪处于移动状态时，由于惯性，向后滑落现象常有发生；由于拦截带区域比降落区域高且围成一圈，可以在无人机降落后起到拦截作用，防止无人机向后滑落。

采用本申请系统引导多旋翼无人机精准降落的方法，如图4所示，具体步骤包括：

(1)多旋翼无人机上电，自检完成后，通过无线测控与地面工作站无线连接，将无人机状态信息及可见光视频回传至地面工作站；

(2)地面工作站通过航线或者手动控制，控制无人机飞行；

(3)无人机飞行到停机坪附近位置上空后，地面工作站给多旋翼无人机发送精准降落指令，图像处理器开始工作，通过无人机高度以及可见光视场角等参数，进行canny边缘提取，利用连通区域提取算法，提取停机坪中心位置，然后根据中心位置半径(像素数)、停机坪靶标实际尺寸和图像宽高(像素数)，通过求比例，推算出无人机距离停机坪的真实高度。

(4)图像处理器在无人机偏移停机坪位置|X|≥0.1或|Y|≥0.1时，将偏移的位置量发送给飞行控制器，由飞行控制器调整无人机的位置。在无人机偏移停机坪位置|X|≤0.1且|Y|≤0.1时，图像处理器根据图像处理的结果向飞行控制器发送高度下调指令，进而调整无人机的高度，引导无人机降落。X代表x轴偏移量，Y代表y轴偏移量。

(5)当无人机高度距离停机坪位置0.2m以下时(优选低于0.1m)，图像处理器向飞行控制器发送关闭发动机指令，飞行控制器控制无人机关闭发动机，无人机自主着陆。

当停机坪处于移动的车上时，停机坪具有一定的速度。步骤(4)的具体操作还包括：图像处理器根据停机坪靶标中心在图像中移动的速度，可以计算出停机坪的实际速度，此时向飞行控制器额外发送速度指令，飞行控制器响应该速度指令，控制无人机的速度与停机坪的相对速度差为零。

以上对本申请实施例所提供的一种多旋翼无人机精准降落引导系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述引导系统包括多旋翼无人机、停机坪和地面控制站；

所述地面控制站通过无线测控与所述多旋翼无人机通信连接，用于对所述多旋翼无人机进行干预控制；

所述停机坪设于多旋翼无人机待降落的位置，用于引导多旋翼无人机进行降落；

所述多旋翼无人机包括：

图像处理器，用于对设于所述多旋翼无人机机体下方的可见光/红外传感器拍摄的停机坪图像进行处理和计算，以获得多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差；

飞行控制器，用于根据图像处理器获得的多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差，控制多旋翼无人机进行精准降落；

差分RTK系统，用于实现多旋翼无人机的精确定位。

2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述飞行控制器控制多旋翼无人机进行精准降落的具体内容为：

根据图像处理器获得的多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量、高度和/或相对速度差对多旋翼无人机的位置、高度和/或飞行速度进行调整，使多旋翼无人机相对于停机坪的偏移量和高度处于预设的范围内，使多旋翼无人机的飞行速度与停机坪的相对速度差为零；飞行控制器控制多旋翼无人机关闭发动机，进行自主着陆。

3.根据权利要求2所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，多旋翼无人机相对于停机坪偏移量的预设范围为：|X|≤0.1且|Y|≤0.1，其中，X为多旋翼无人机在x轴上相对于停机坪中心点的偏移量，Y为多旋翼无人机在y轴上相对于停机坪中心点的偏移量。

4.根据权利要求2所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，多旋翼无人机相对于停机坪高度的预设范围为小于0.2m。

5.根据权利要求1所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述停机坪包括靶标，所述靶标形状为圆形或者方形。

6.根据权利要求5所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述靶标为同心圆，且所述同心圆的最小圆的半径≤5cm，同心圆个数≥3，相邻同心圆间距≥10cm。

7.根据权利要求1所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述多旋翼无人机还包括设于机体下方的LED照明灯，用于在光线不足环境下降落时进行照明。

8.一种多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的多旋翼无人机精准降落引导系统；所述方法的步骤包括：

S1、多旋翼无人机采集停机坪图像；

S2、图像处理器对停机坪图像进行处理，提取靶标信息；

S3、根据可见光/红外传感器的实际参数、停机坪的实际大小以及提取的停机坪靶标信息，计算出多旋翼无人机相对于靶标的偏移量和高度；

S4、判断多旋翼无人机相对于靶标的偏移量和高度是否在预设范围内；若是，进入下一步；若否，飞行控制器控制多旋翼无人机进行位置和高度的调整，调整完成后返回S1重新采集图像；

S5、关闭多旋翼无人机的发动机，进行自主着陆。

9.根据权利要求8所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，所述S4具体步骤包括：

S41、判断多旋翼无人机相对于靶标的偏移量是否满足|X|≤0.1且|Y|≤0.1；若是，进入下一步；若否，飞行控制器控制多旋翼无人机进行位置调整，调整完成后返回S1重新采集图像；

S42、判断多旋翼无人机相对于靶标的高度是否小于0.2m；若是，进入S5；若否，飞行控制器控制多旋翼无人机下调高度，调整完成后返回S1重新采集图像。

10.根据权利要求8所述的多旋翼无人机精准降落引导系统，其特征在于，S3还包括：图像处理器根据停机坪靶标中心在图像中移动的速度，计算出停机坪的实际速度，飞行控制器根据停机坪的实际速度和多旋翼无人机当前速度对多旋翼无人机的飞行速度进行调整，使多旋翼无人机的飞行速度与停机坪的相对速度差为零。

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