CN112198894A - 旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统，该方法使得无人机能够快速、准确、安全地降落在移动平台上，提高降落精度和速度，保证无人机的安全回收率，同时为无人机执行其他任务留足时间。具体来说，利用两轴云台上的相机捕获降落平台上的标识物，并实时获得角度和角速率值；制导策略采取终端包含速度、位置约束的PN算法，保证无人机能够快速降落并且终端能够实现速度约束，位置约束，且末端令加速度趋于0。这样的制导方法使得无人机在LOS坐标系下弹目线方向和垂直于弹目线方向的加速度变化均较小，同时又能满足比例导引算法的使用条件，使得旋翼无人机能够在移动平台上较平稳地降落，保证无人机的安全性，实现自主降落目标。

Description

旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统

技术领域

本发明涉及旋翼无人机的控制方法及系统，具体涉及一种旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统。

背景技术

旋翼无人机由于机动性较好，成本低廉等优势，得到了普遍的应用，旋翼无人机在如灾后搜救、情报搜集等场景中被广泛应用。通过旋翼无人机机载相机和云台，实现对移动目标的跟踪与识别，并在移动平台上快速降落，能够加速旋翼无人机的发展，拓宽应用场景，提升应用价值。

由于无人机在移动平台上的快速降落涉及多学科如控制、轨迹预估、计算机视觉等知识，存在有较多问题，如定位精度低，处理速度慢，跟踪误差大，降落精度低等等。这些都对自主降落技术的发展有较大的遏制。这就导致当前没有一种能够很好满足自主移动降落需求的算法，不能使得移动目标自主降落的技术在工程上得到普及与应用。

当前移动目标自主降落技术在工程上大多应用PID来配合视觉信息来进行降落，但是PID控制的鲁棒性较差，受环境影响较大，导致控制精度较低，在下降时无人机有较大的抖动，会使得无人机侧翻导致损坏。并且，该算法降落时间较慢，在有限的电池电量内，使得无人机执行其他任务的时间比较仓促，会导致任务效率不高。并且视觉信息在将要降落时，随着高度的降低，无人机与移动平台逐渐靠近，视觉识别对特征点的选取更加困难与粗糙，从而对目标的获取更加困难，使得降落的精度较低，容易损坏无人机及平台。

由于上述原因，本发明人对现有的旋翼无人机自主降落方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种旋翼无人机自主移动降落制导方法及系统，该方法使得无人机能够快速、准确、安全地降落在移动平台上，提高降落精度和速度，保证无人机的安全回收率，同时为无人机执行其他任务留足时间。具体来说，该方法中，利用两轴云台上的相机捕获降落平台上的标识物，并实时获得角度和角速率值；制导策略采取终端包含速度、位置约束的PN算法，保证无人机能够快速降落并且终端能够实现速度约束，位置约束，且末端令加速度趋于0。这样的制导方法使得无人机在LOS坐标系下弹目线方向和垂直于弹目线方向的加速度变化均较小，同时又能满足比例导引算法的使用条件，使得旋翼无人机能够在移动平台上较平稳地降落，保证无人机的安全性，实现自主降落目标。

具体来说，本发明的目的在于提供一种旋翼无人机自主移动降落制导方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过两轴云台上的相机捕获降落平台上标识物，即目标，并实时获取两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；

步骤2，实时获得视线系下的法向期望过载，并通过该法向期望过载控制无人机的旋翼工作，飞向降落平台。

其中，在步骤2中，通过下式(一)实时获得视线系下的法向期望过载：

其中，a_c表示视线系下的法向期望过载，N表示比例导引系数，V_r表示视线方向相对速度，

表示视线旋转角速率，与步骤1中获得的框架旋转角速率相等。

其中，所述视线方向相对速度V_r即为视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L在X轴方向的分量，通过下式(二)获得，

V_r＝[1,0,0]*V_L (二)

其中，V_r是标量，V_L是矢量。

其中，所述视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L通过地理坐标系中飞行器与目标之间的相对速度转换得到，如式(三)中所述：

其中，所述

表示地理坐标系和视线坐标系之间的转换矩阵，所述V_n表示地理坐标系下飞行器与目标之间的相对速度。

其中，所述转换矩阵

通过下式(四)获得：

其中，q_x表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在X轴方向的分量，q_y表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Y轴方向的分量，q_z表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Z轴方向的分量；θ表示地理坐标系中无人机的俯仰角，

表示地理坐标系中无人机的滚转角。

其中，V_n在地理坐标系中的三个分量V_x、V_y和V_z分别由地理坐标系中无人机和目标在三个方向的偏差值x、y、z微分得到，

其中，水平方向的偏差值x和y通过下式(五)获得：

其中，地理坐标系中，竖直方向的偏差值z由无人机的高度值与目标的高度值作差得到。

其中，所述标识物为喷漆在降落平台上的十字型标志。

本发明还提供一种旋翼无人机自主移动降落制导控制系统，该系统包括：

设置在降落平台上的标识物，

设置在无人机上的两轴云台，和

设置在无人机上的解算模块，

通过两轴云台上的相机捕获降落平台上标识物，并实时获取两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；

通过解算模块实时获得视线系下的法向期望过载，并通过该法向期望过载控制无人机的旋翼工作，飞向降落平台。

其中，解算模块中通过下式(一)获得线系下的法向期望过载：

其中，a_c表示视线系下的法向期望过载，N表示比例导引系数，V_r表示视线方向相对速度，

表示视线旋转角速率，与两轴云台获得的框架旋转角速率相等。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的旋翼无人机自主移动降落制导方法能够提高无人机的降落速度。

(2)根据本发明提供的旋翼无人机自主移动降落制导方法能够以较小的速度降落，降低降落时速度较大对支撑脚架造成的危害以及与移动平台速度不一致造成的侧翻风险。

附图说明

图1示出根据本发明所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法整体逻辑图；

图2示出本发明实施例中目标和无人机的运动轨迹图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的旋翼无人机自主移动降落制导方法，如图1中所示，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过两轴云台上的相机捕获降落平台上标识物，即目标，所述云台实时追踪标识物，使得标识物始终处于视场中心，并实时获取两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；所述标识物是指降落平台上的一个降落区域，通常用喷漆喷成十字或者特定的图形；

步骤2，无人机中实时解算视线系下的法向期望过载，并通过该法向期望过载控制旋翼工作，飞向降落平台。

在一个优选的实施方式中，所述两轴云台选用贯中精仪公司所生产的90A13型号的两轴云台，即能够实时追踪标识物，还能够输出两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率。

优选地，在所述两轴云台中，通过连续的目标照片解算用于控制该云台转动的角速率控制指令，基于该角速率控制指令控制云台转动，从而确保标识物始终处于视场中心。

具体来说，对像素偏差进行PID解算，获取角速度控制指令，即

其中，control_x表示生成的角速率控制指令在X轴上的分量，control_y表示生成的角速率控制指令在Y轴上的分量，此处的X轴和Y轴是目标照片上的彼此垂直的两条坐标轴。err_x，err_y表示像素偏差，即目标标识在图像中距离图像中心的像素值；所述k_p，k_i，k_d都表示PID参数，其具体取值为(80，0，5)，所述dt是获取数据的时间间隔，一般取值为0.02s。

在一个优选的实施方式中，在步骤2中，通过下式(一)实时解算视线系下的法向期望过载：

其中，a_c表示视线系下的法向期望过载，N表示比例导引系数，本申请中优选地取值为4，V_r表示视线方向相对速度，

表示视线旋转角速率，即为步骤1中两轴云台输出的框架旋转角速率。

由于无人机速度通常较小，一般用于降落的方法通常为PID，以相对位置和速度作为PID的输入，使得PID方法通常为尾追法，而本申请中的PN方法以飞机与降落平台连线角度和角速率作为输入，只要保证角度不变追击目标，而不需要通过尾追，大大提高降落速度。

另外，本申请中通过视线系下的法向期望过载控制飞行器飞向目标并降落，在最终降落的时候速度较小，这是为了保护脚架，但是在追踪移动平台过程中速度较快。由视线系下的法向期望过载的解算式可知，当相对速度越小时，其过载也越小，与移动平台的速度也就越接近。在追踪和降落阶段采取不同的策略，在追踪过程，即水平追踪使用比例导引，高度方向采取PID控制，保证水平速度大小和方向与目标一致后，高度下降，最后降落到指定移动平台上。这里PID取值为0.8，0.4，1.5。

本申请中，所述视线方向是指云台中心(也可视为无人机质心)与降落平台的连线方向，视线方向相对速度是指视线系下，移动目标相对无人机的速度。

优选地，所述视线方向相对速度V_r即为视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L在X轴方向的分量，通过下式(二)获得，

V_r＝[1,0,0]*V_L (二)

V_r是标量，V_L是矢量。

优选地，视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L可通过地理坐标系中飞行器与目标之间的相对速度转换得到，如式(三)中所述：

其中，所述

表示地理坐标系和视线坐标系之间的转换矩阵，所述V_n表示地理坐标系下飞行器与目标之间的相对速度；

优选地，所述转换矩阵

通过下式(四)获得：

优选地，V_n在地理坐标系中的三个分量V_x、V_y和V_z分别由地理坐标系中无人机和目标在三个方向的偏差值x、y、z微分得到。

其中，地理坐标系中，竖直方向的偏差值z由无人机的高度值与目标的高度值作差得到，所述无人机的高度值由无人机上的GPS等定位模块实时获得，所述目标的高度值由无人机上的气压高度计实时测量得到；

地理坐标系中，水平方向的偏差值x和y通过下式(五)获得：

本申请中，q_x表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在X轴方向的分量，q_y表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Y轴方向的分量，q_z表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Z轴方向的分量；θ表示地理坐标系中无人机的俯仰角，由pixhawk上的imu模块实时测量得到，

表示地理坐标系中无人机的滚转角，由pixhawk上的imu模块实时测量得到。

本申请中，所述的地理坐标系是指地理坐标系ENU(东北天)，其中x轴为与大地水平面平行，指向地理东方(E)，y轴为与大地水平面平行，指向地理北方(N)，z轴垂直地面指向上，按右手定则，其方向向上(U)。

所述视线坐标系是指将原点O取在云台的质心，OX轴是无人机与目标的连线，指向移动平台为正，OZ轴位于垂直地面的铅锤平面内，与OX垂直且向上为正，OY轴方向由右手定则决定。

本发明还提供一种旋翼无人机自主移动降落制导控制系统，该系统包括：

设置在降落平台上的标识物，设置在无人机上的两轴云台，和设置在无人机上的解算模块，

通过两轴云台上的相机捕获降落平台上标识物，并实时获取两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；

优选地，解算模块中通过下式(一)获得线系下的法向期望过载：

其中，a_c表示视线系下的法向期望过载，N表示比例导引系数，V_r表示视线方向相对速度，

表示视线旋转角速率，与两轴云台获得的框架旋转角速率相等。

优选地，该旋翼无人机自主移动降落制导控制系统还包括设置在无人机中的GPS等定位模块和设置在无人机上的气压高度计，用以获得地理坐标系中竖直方向的偏差值。

该系统还包括地理坐标系中无人机的俯仰角及滚转角的测量模块，如pixhawk上的imu模块，用以实时获得无人机的俯仰角和滚转角。

实施例：

以在地面上绕8字型路线巡航的汽车为目标，在汽车顶部设置有能够被无人机上相机捕获的标识物；目标的运动轨迹如图2中的实线所示；

无人机的初始位置坐标为(0,0,15)，当无人机在该初始位置时，目标所在位置的坐标为(20,-14,0)，无人机的初始速度为0m/s，无人机上的两轴云台能够实时追踪标志物，使得标识物始终处于视场中心，并且输出两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；

通过旋翼无人机自主移动降落制导方法对无人机进行制导控制，实时解算出法向期望过载，并且通过该法向期望过载控制无人机飞向目标。

具体来说，通过下式(一)解算视线系下法向期望过载

其中，比例导引系数的取值为4，视线旋转角速率

由两轴云台实时提供，视线方向相对速度V_r通过下式(二)获得：

V_r＝[1,0,0]*V_L (二)

视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L通过下式(三)获得：

转换矩阵

通过下式(四)获得：

地理坐标系下飞行器与目标之间的相对速度V_n通过地理坐标系中无人机和目标在三个方向的偏差值x、y、z微分得到；

竖直方向的偏差值z实时由无人机探测获得，水平方向的偏差值x和y通过下式(五)获得：

通过该视线系下法向期望过载控制飞行器，最终得到的无人机飞行轨迹如图2中的虚线所示，从图2中可以看出，无人机最终顺利降落到目标汽车上。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过两轴云台上的相机捕获降落平台上标识物，即目标，并实时获取两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；

步骤2，实时获得视线系下的法向期望过载，并通过该法向期望过载控制无人机的旋翼工作，飞向降落平台。

2.根据权利要求1所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

在步骤2中，通过下式(一)实时获得视线系下的法向期望过载：

其中，a_c表示视线系下的法向期望过载，N表示比例导引系数，V_r表示视线方向相对速度，

表示视线旋转角速率，与步骤1中获得的框架旋转角速率相等。

3.根据权利要求2所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

所述视线方向相对速度V_r即为视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L在X轴方向的分量，通过下式(二)获得，

V_r＝[1,0,0]*V_L (二)

其中，V_r是标量，V_L是矢量。

4.根据权利要求3所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

所述视线坐标系中飞行器与目标之间的相对速度V_L通过地理坐标系中飞行器与目标之间的相对速度转换得到，如式(三)中所述：

其中，所述

表示地理坐标系和视线坐标系之间的转换矩阵，所述V_n表示地理坐标系下飞行器与目标之间的相对速度。

5.根据权利要求4所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

所述转换矩阵

通过下式(四)获得：

其中，q_x表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在X轴方向的分量，q_y表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Y轴方向的分量，q_z表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Z轴方向的分量；θ表示地理坐标系中无人机的俯仰角，

表示地理坐标系中无人机的滚转角。

6.根据权利要求4所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

V_n在地理坐标系中的三个分量V_x、V_y和V_z分别由地理坐标系中无人机和目标在三个方向的偏差值x、y、z微分得到，

其中，水平方向的偏差值x和y通过下式(五)获得：

q_x表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在X轴方向的分量，q_y表示地理坐标系中两轴云台的框架旋转角度在Y轴方向的分量，θ表示地理坐标系中无人机的俯仰角，

表示地理坐标系中无人机的滚转角。

7.根据权利要求6所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

地理坐标系中，竖直方向的偏差值z由无人机的高度值与目标的高度值作差得到。

8.根据权利要求1所述的旋翼无人机自主移动降落制导方法，其特征在于，

所述标识物为喷漆在降落平台上的十字型标志。

9.一种旋翼无人机自主移动降落制导控制系统，其特征在于，

该系统包括：

设置在降落平台上的标识物，

设置在无人机上的两轴云台，和

设置在无人机上的解算模块，

通过两轴云台上的相机捕获降落平台上标识物，并实时获取两轴云台的框架旋转角度和框架旋转角速率；

通过解算模块实时获得视线系下的法向期望过载，并通过该法向期望过载控制无人机的旋翼工作，飞向降落平台。

10.根据权利要求9所述的旋翼无人机自主移动降落制导控制系统，其特征在于，

解算模块中通过下式(一)获得线系下的法向期望过载：

其中，a_c表示视线系下的法向期望过载，N表示比例导引系数，V_r表示视线方向相对速度，

表示视线旋转角速率，与两轴云台获得的框架旋转角速率相等。

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