CN112180978B - 基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统及方法，所述系统包括：无人机、控制终端、飞艇平台、摄像采集模块、通信模块、动力系统和传感器模块；无人机内部设有飞控模块和定位导航模块，无人机通过通信模块与控制终端连接；控制终端位于地面站，用于检查无人机的自身状态、监测无人机的飞行状态和查阅飞行日志，飞艇平台用于无人机停靠，包括框架、挂钩连接处和停靠标识；摄像采集模块位于无人机底部，用于采集飞艇平台上的停靠标识；通信模块用于系统内的数据通信；动力系统为无人机的飞行提供动力；传感器模块包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；本发明实现无人机准确降落到飞艇平台上的指定位置。

Description

基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统及方法

技术领域

本发明涉及飞艇平台以及无人机飞行控制技术领域，特别涉及基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统及方法。

背景技术

如今，无人机已经成为最热门的新兴高科技产业之一，从研发，制造到使用，管理及服务等环节日趋成熟，我国无人机产业未来的发展前景十分值得期待。物流产业的发展渴望无人机能够进一步地代替人工，更加高效快捷地运送货物是必须的，无人机与平台的对接就成为了一个值得讨论的问题。2019年全球无人机销量336.3万台，是一个非常庞大的数字，在所有的高新科技产品销量中名列前茅。所以无人机具有很高的商业价值和研究价值。

近些年，随着航空技术的进步，飞艇又开始得到人们的重视。尽管同飞机相比，飞艇显得大而笨，操纵不便，速度也较慢，易受风力影响；但飞艇也有其突出的优点，如垂直降落，留空时间长，可长时间悬停或缓慢行进，且不因此消耗燃料，噪音小，污染小，经济性好，而且随着飞艇广泛使用了氦气填充，安全性也大大改善。根据计算，用飞艇运送一吨货物的费用，要比飞机少68％，比直升机少94％，比火车少一半。因此，世界各国纷纷又重新开始研制飞艇。

目前无人机对接飞艇的应用较少，主要仍停留在理论分析方面，实际缺乏小规模试验，又因为无人机仍存在一些降落方面的问题，存在的主要问题就是精度低，无论如何在无人机落地的一瞬间，和动力系统关闭的不同步，会导致会出现一定地跳跃，往往是需要划定降落区域，所以这时候需要一种其他设备的帮助，如辅助的对接装置来减轻对接时的电机驱动调整，来提高无人机的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统及方法，不仅实现无人机快速、准确的停靠在飞艇平台，而且降低了成本。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，所述系统包括：无人机、控制终端、飞艇平台、摄像采集模块、通信模块、动力系统和传感器模块；

无人机内部设有飞控模块和定位导航模块，无人机通过通信模块与控制终端连接；飞控模块用于识别摄像采集模块采集的图像和接收传感器模块传来的计算数据，判断出无人机是否处于飞艇平台停靠位置的正上方，引导无人机能够准确地降落到飞艇平台指定位置；

控制终端位于地面站，用于检查无人机的自身状态、监测无人机的飞行状态和查阅飞行日志，并通过定位导航模块的定位信息对无人机的飞行路径进行预先设定，把飞艇平台位置设置为最终路径点，并设置悬停高度，并将飞行路径和悬停高度发送至飞控模块；

飞艇平台用于无人机停靠，包括框架、挂钩连接处和停靠标识；

摄像采集模块位于无人机底部，用于采集飞艇平台上的停靠标识；

通信模块用于系统内的数据通信；

传感器模块安装于无人机上，计算无人机飞行的速度、无人机与飞艇平台的距离以及相对位置，用于无人机控制无人机的水平位置、调整飞行姿态以及引导无人机的降落，并将计算数据发送至飞控模块；

动力系统为无人机的飞行提供动力。

进一步的，所述飞艇平台框架由热塑性塑料制成。

进一步的，所述飞艇平台上方连接用于提供升力的浮空球，浮空球主体是一个PE材料制作的气囊；以氦气冲入其中，充盈之后呈橄榄球状。

进一步的，所述气囊囊体两侧偏下部各有两个挂钩，用以固定囊体与飞艇平台，如图6所示。

进一步的，所述飞控模块对摄像头拍摄的图片处理识别采用图像识别技术；采用黑底白色图形进行识别，采用迭代阈值法进行处理。

进一步的，所述传感器模块包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；

光流传感器利用图像的变化进行图像处理，用于检测地面的状态，从而监测飞机的速度以及位置变化；

超声波传感器位于无人机底部，采用HC-SR04超声波测距模块，包括超声波发射器、接收器与控制电路，用于测量无人机与飞艇平台框架之间的距离；

激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成；激光传感器计算用于飞艇平台与无人机的相对位置。

进一步的，所述无人机腿部支架处安装吸盘。

进一步的，所述摄像头采用全景摄像头或红外摄像头。

进一步的，所述定位导航模块为北斗卫星导航系统、GPS导航系统、差分GPS导航系统或伽利略导航系统。

一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制方法，所述方法为：

步骤一：将地面站的控制终端与无人机进行无线连接，通过地面站检查无人机的自身状态；在确定无人机工作正常且状态良好的情况下，对无人机的飞行路径进行预先设定，把飞艇平台位置设置为最终路径点，并设置悬停高度，通过定位导航模块对无人机飞行进行初步定位，预设完成后将路径规划发送至飞控模块，无人机起飞并向飞艇平台位置飞行；

步骤二：当无人机飞到预期停靠平台上方时，通过摄像采集模块对平台上的停靠标识进行捕捉，摄像采集模块拍摄到停靠标识时，将其转化为数字信号传入飞控模块进行去噪、二值化处理，飞控模块提取并检测其图像是否与给定的停靠标识相同，若相同，则准备降落停靠，执行步骤三；若不相同，应重新检查无人机是否已经悬停在平台上方，是则再执行步骤二，否则继续调整无人机飞行速度、姿态以及位置；

步骤三：在降落过程中，采用超声波传感器和激光传感器进行测距，将由超声波传感器和激光传感器得到的距离数据取平均值作为高度的判断依据，并传入飞行控制系统中，调整无人机调整飞行高度，将飞行高度控制在设置的阈值高度内，最终无人机确定了降落位置，开始匀速下降直到停靠成功，断开所有动力系统，完成降落。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的硬件部分通过传感器定位与飞艇对接的装置，实现容错率高，装置简单高效，实现快速对接，保证定位空间占据较小，保证耗能率低，保证具有一定的承重能力；(2)本发明的软件部分，在尽可能复杂的环境中，通过多角度定位，保证对接时的姿态偏差不大；(3)本发明具有成本低，抗干扰能力强的优点；基于激光传感器的测距技术，成本高，精度也高，用于无人机方向微调等，两者相结合，最大程度降低成本。

附图说明

图1为本发明的地面停靠示意图。

图2为本发明图像处理示意图。

图3为本发明飞艇挂接平台示意图。

图4为本发明图像识别流程图。

图5为本发明停靠标识示意图。

图6为本发明飞艇实物示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，所述系统包括：无人机、控制终端、飞艇平台、摄像采集模块、通信模块、动力系统和传感器模块；

无人机内部设有飞控模块和定位导航模块，无人机通过通信模块与控制终端连接；飞控模块用于识别摄像采集模块采集的图像和接收传感器模块传来的计算数据，判断出无人机是否处于飞艇平台停靠位置的正上方，使得无人机能够准确地降落到飞艇平台指定位置；所述定位导航模块为北斗卫星导航系统、GPS导航系统、差分GPS导航系统或伽利略导航系统中的任意一种；

控制终端位于地面站，用于检查无人机的自身状态、监测无人机的飞行状态和查阅飞行日志，并通过定位导航模块的定位信息对无人机的飞行路径进行预先设定，把飞艇平台位置设置为最终路径点，并设置悬停高度，并将飞行路径和悬停高度发送至飞控模块；

如图3所示，飞艇平台用于无人机停靠，包括框架3和挂钩连接处4，飞艇平台表面绘有用于识别的停靠标识2，

摄像采集模块位于无人机底部，用于采集飞艇平台上的停靠标识；所述摄像头采用全景摄像头或红外摄像头；

通信模块用于系统内的数据通信；

传感器模块安装于无人机上，计算无人机飞行的速度、无人机与飞艇平台的距离以及相对位置，将计算数据发送至飞控模块，调整无人机的水平位置、姿态以及引导无人机的降落。

动力系统为无人机的飞行提供动力。

整个飞艇平台框架由热塑性塑料制成，因为材料足够轻盈，不会为飞艇带来过重的负担，同时在打印出的底板上画出停靠标识，作为图像识别的目标图像，如图5所示。

飞艇平台上方连接用于提供升力的浮空球，浮空球部分主体是一个以轻质的PE材料制作的气囊；以安全的稀有气体氦气冲入其中使之获得足够的升力，充盈之后呈橄榄球状；囊体两侧偏下部各有两个挂钩，总共四个挂钩，用以固定囊体与飞艇平台，如图6所示。

在无人机飞入平台时，通过摄像头拍摄平台上的停靠标识，无人机的飞控模块会检测判断出无人机是否处于飞艇平台停靠位置的正上方，如图1所示。飞控模块对摄像头拍摄的图片处理识别采用图像识别的技术，因为在平台上采用黑底白色图形进行识别，采用较常规的迭代阈值法进行处理，首先通过摄像头对图像进行摄取，之后将图像由RGB图像转化成灰度图像，再对灰度图像进行二值化处理，图像二值化处理可以使图像更加简单清晰，是数据量更小，将飞艇平台上图案更加凸显，便于飞行控制系统进行进一步的飞行识别处理；因为只有黑白两种色，且图形较大，所以图像识别所需精度要求不会太高，由于可能有分区的需要，所以通过阈值法，调整到适合的精度，使其能够识别基本的一位至多位的字母或数字，以用于实现要求，帮助无人机进行对飞艇平台的定位。

传感器模块，包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；

光流传感器利用图像的变化进行图像处理，用于检测地面的状态，从而监测飞机的移动；光流传感器将一个图片序列进行分析，把每张图像中每个像素的运动速度和运动方向进行分析，通过第i帧的图像与第i+1帧的图像之间的位置移动计算出无人机飞行的速度以及位置变化。该计算数据主要用于控制飞机保持在水平位置，可以实现定高和定点飞行；

超声波传感器：无人机底部采用HC-SR04超声波测距模块，包括超声波发射器、接收器与控制电路，用于测量无人机与飞艇平台框架之间的距离。超声波传感器的基本工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈；(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。在无人机不断飞向飞艇平台的过程中，将由超声波传感器得到的距离数据传入飞行控制系统，使得控制系统调整无人机飞行姿态，逐渐飞入平台上方。

激光传感器：激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器；它由激光器、激光检测器和测量电路组成；激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等；无人机在定位过程中用激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点；根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离；同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，将计算数据传入飞控模块，得到飞艇平台与无人机的相对位置，进一步提高精度使得无人机能够准确地降落到飞艇平台指定位置，完成自主降落。

根据预先设计，四旋翼无人机按照指定方向飞入飞艇平台上方，在降落时，为避免无人机在平台上发生滑动现象，在无人机腿部支架处安装吸盘，用以完成无人机与飞艇平面的固定。如图3所示，飞机停靠，在飞艇平台上方插入横杆1，用于无人机停靠在平台时的固定，降落后浮空球的挂钩也可进行辅助固定，直到停靠成功，断开所有动力系统，完成降落。

结合流程图2，本实例提供一种基于上述系统的四旋翼无人机自主降落控制方法，所述方法为：

步骤一：将地面站的控制终端与无人机进行无线连接，通过地面站检查无人机的自身状态；在确定无人机工作正常且状态良好的情况下，对无人机的飞行路径进行预先设定，把飞艇平台位置设置为最终路径点，并设置悬停高度，通过定位导航模块对无人机飞行进行初步定位，预设完成后将路径规划发送至飞控模块，无人机向飞艇平台位置飞行。

步骤二：当无人机飞到预期停靠平台上方时，通过摄像采集模块对平台上的停靠标识进行捕捉，摄像采集模块拍摄到停靠标识时，将其转化为数字信号传入飞控模块进行去噪、二值化处理，飞控模块提取并检测其图像是否与给定的停靠标识相同，若相同，则准备降落停靠，执行步骤3；若不相同，应重新检查无人机是否已经悬停在平台上方，是则再执行步骤2，否则继续调整无人机飞行速度、姿态以及位置；

对图像进行去噪后再对其进行二值化处理，如图2所示，将通过函数处理的二值化图像进行轮廓提取并检测其图像是否与给定停靠标识相同，若相同，则准备降落停靠；若不相同，应重新检查无人机是否已经悬停在平台上方，并对捕捉到的图像再次进行识别确认，如图4所示。

步骤三：在降落过程中，采用HC-SR04超声波测距模块和激光模块进行测距，将由超声波传感器和激光传感器得到的距离数据取平均值作为高度的判断依据，并传入飞行控制系统中，调整无人机调整飞行高度，将飞行高度控制在设置的阈值高度内，用来避免无人机飞行过高导致其无法正常飞入平台上方。最终无人机确定了降落位置，开始匀速下降直到停靠成功，断开所有动力系统，完成降落。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述系统包括：无人机、控制终端、飞艇平台、摄像采集模块、通信模块、动力系统和传感器模块；

无人机内部设有飞控模块和定位导航模块，无人机通过通信模块与控制终端连接；飞控模块用于识别摄像采集模块采集的图像和接收传感器模块传来的计算数据，判断出无人机是否处于飞艇平台停靠位置的正上方，引导无人机能够准确地降落到飞艇平台指定位置；

控制终端位于地面站，用于检查无人机的自身状态、监测无人机的飞行状态和查阅飞行日志，并通过定位导航模块的定位信息对无人机的飞行路径进行预先设定，把飞艇平台位置设置为最终路径点，并设置悬停高度，并将飞行路径和悬停高度发送至飞控模块；

飞艇平台用于无人机停靠，包括框架、挂钩连接处和停靠标识；

摄像采集模块位于无人机底部，用于采集飞艇平台上的停靠标识；

通信模块用于系统内的数据通信；

传感器模块安装于无人机上，计算无人机飞行的速度、无人机与飞艇平台的距离以及相对位置，用于无人机控制无人机的水平位置、调整飞行姿态以及引导无人机的降落，并将计算数据发送至飞控模块；

动力系统为无人机的飞行提供动力；

所述传感器模块包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；

光流传感器利用图像的变化进行图像处理，用于检测地面的状态，从而监测飞机的速度以及位置变化；

超声波传感器位于无人机底部，采用HC-SR04超声波测距模块，包括超声波发射器、接收器与控制电路，用于测量无人机与飞艇平台框架之间的距离；

激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成；激光传感器计算用于飞艇平台与无人机的相对位置。

2.根据权利要求1所述的基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述飞艇平台的框架由热塑性塑料制成。

3.根据权利要求1所述的基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述飞艇平台上方连接用于提供升力的浮空球，浮空球主体是一个PE材料制作的气囊；以氦气冲入其中，充盈之后呈橄榄球状。

4.根据权利要求3所述的基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述气囊囊体两侧偏下部各有两个挂钩，用以固定囊体与飞艇平台。

5.根据权利要求1所述的基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述飞控模块对摄像头拍摄的图片处理识别采用图像识别技术；采用黑底白色图形进行识别，采用迭代阈值法进行处理。

6.根据权利要求1所述的基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述摄像采集模块采用全景摄像头或红外摄像头。

7.根据权利要求1所述的基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制系统，其特征在于，所述定位导航模块为北斗卫星导航系统、GPS导航系统、差分GPS导航系统或伽利略导航系统。

8.一种基于飞艇平台的四旋翼无人机自主降落控制方法，其特征在于，所述方法为：

步骤一：将地面站的控制终端与无人机进行无线连接，通过地面站检查无人机的自身状态；在确定无人机工作正常且状态良好的情况下，对无人机的飞行路径进行预先设定，把飞艇平台位置设置为最终路径点，并设置悬停高度，通过定位导航模块对无人机飞行进行初步定位，预设完成后将路径规划发送至飞控模块，无人机起飞并向飞艇平台位置飞行；

步骤二：当无人机飞到预期停靠平台上方时，通过摄像采集模块对平台上的停靠标识进行捕捉，摄像采集模块拍摄到停靠标识时，将其转化为数字信号传入飞控模块进行去噪、二值化处理，飞控模块提取并检测其图像是否与给定的停靠标识相同，若相同，则准备降落停靠，执行步骤三；若不相同，应重新检查无人机是否已经悬停在平台上方，是则再执行步骤二，否则继续调整无人机飞行速度、姿态以及位置；

步骤三：在降落过程中，采用超声波传感器和激光传感器进行测距，将由超声波传感器和激光传感器得到的距离数据取平均值作为高度的判断依据，并传入飞行控制系统中，调整无人机调整飞行高度，将飞行高度控制在设置的阈值高度内，最终无人机确定了降落位置，开始匀速下降直到停靠成功，断开所有动力系统，完成降落。