CN112256063B - 一种具有高可靠性的无人机精准降落方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有高可靠性的无人机精准降落方法，在软件中增加差分GNSS状态观测器，用于监测差分GNSS定位数据的有效性和精度；将水平控制和高度控制进行联合校验，并将高度控制功能分段，在每段完成降落状态的准备和确认；软件中利用飞机姿态角度估算当前风速大小，在落地前延迟判断飞机姿态和位置偏差，避免降落瞬间阵风的影响。本发明所述的具有高可靠性的无人机精准降落方法通过利用多种手段，实现了无人机的精准降落。
Description
技术领域
本发明属于无人机精准降落技术领域，尤其是涉及一种具有高可靠性的无人机精准降落方法及系统。
背景技术
随着多旋翼无人机相关技术的成熟，其产品大量涌入各行各业，在一些特定的应用场景下，要求无人机具有较高的降落精度，即定点降落。常见应用场景包括：
1、在起降地点十分狭小的地面上实现无人机的精准回收；
2、物流无人机需要将货物准确降落在货物释放地点；
3、在无人值守应用场景下，无人机需要准确落入停机舱内。
当然无人机高精度降落的应用场景并不仅局限于以上所述，但这些应用场景的共同点就是需要无人机具有非常高的降落精度，一旦降落精度无法保证，则可能发生摔机事故，对自身设备和周围的财产造成无法估量的损失。
目前在精准降落应用方面常见方法是采用差分GNSS定位技术，其成本可控，技术相对成熟，差分GNSS定位精度可达到厘米级，最终的降落精度更多的取决于控制策略和控制精度，但是该技术具有以下几个缺点：
1)差分GNSS定位方法定位精度可达厘米级，但容易受外界因素干扰，如马达启动、变压器周边、供电电压波动等，且根据之前的使用经验，差分GNSS在云层较厚的天气，差分初始定位会较天气良好的时间长很多，甚至会出现无人进入差分GNSS固定解状态，达不到良好的定位状态；
2)在无人机降落过程中需要同时高度和水平位置，常用方案是将水平控制与高度控制解耦，相互之间不做校验，在高度上单纯的采用匀速下降的方法；
3)在有风的天气降落时，无人机降落精度受风影响较大，尤其是在落地瞬间来风时，飞机降落偏差会更大。
近几年精准降落技术开发方面比较前沿的技术为视觉定位，此方案依靠摄像头采集放置在地面上的地标图像信息，并经机载的或地面的视频处理板实时计算无人机定位偏差，然后再传输至飞控进行控制，此方法难度大，对环境光线的要求比较高，目前暂时 无法做到全天时全天候可靠的工作，而且由于摄像头需要定期做除尘除雾等保养，无法在无人值守等场景应用。
发明内容
有鉴于此，为克服上述缺陷，本发明旨在提出一种具有高可靠性的无人机精准降落方法及系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明一方面提供了一种具有高可靠性的无人机精准降落方法，在软件中增加差分GNSS状态观测器，用于监测差分GNSS定位数据的状态和精度，并控制无人机下降状态，在差分GNSS定位状态和精度较差时，控制无人机悬停，正常时，继续降落。
进一步的，还增加了水平控制与高度控制联合校验算法，具体为：
根据不同高度将高度控制功能分为多个降落段，不同降落段结合水平位置偏差执行不同的控制策略。
进一步的，所述降落段包括：快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段，每段实现不同的降落前准备和对准功能。
进一步的，还增加了降落确认算法，在降落确认段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，验证飞机是否处于精度要求的范围内，用于保证飞机在急速下降段下降过程中不会出现较大偏差。
本发明另一方面提供了一种无人机精准降落系统，包括差分GNSS状态观测模块，用于监测差分GNSS定位数据的状态和精度，并控制无人机下降状态，在差分GNSS定位状态和精度较差时，控制无人机悬停，正常时，继续降落。
进一步的，还包括水平控制与高度控制联合校验模块，用于根据不同高度将高度控制功能分为多个降落段，不同降落段结合水平位置偏差执行不同的控制策略。
进一步的，所述降落段包括：快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段，每段实现不同的降落前准备和对准功能。
进一步的，还包括降落确认模块，用于在降落确认段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，验证飞机是否处于精度要求的范围内，用于保证飞机在急速下降段下降过程中不会出现较大偏差。
相对于现有技术，本发明所述的具有高可靠性的无人机精准降落方法具有以下优势：
（1）本发明在软件中增加差分GNSS状态观测器，其功能有两个：一是实时反馈差分GNSS定位状态和精度；二是控制飞机下降状态，当定位状态或精度较差时，控制飞机悬停等待下一步操作，状态良好则控制飞机继续下降，提高了飞机在恶劣环境下应用的可靠性。
（2）本发明 增加水平控制与高度控制联合校验算法，并将高度控制功能分段，共计分成快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段等六段，每段实现不同的降落前准备和对准功能。
（3）本发明 增加降落确认算法，在降落确认段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，验证飞机是否处于精度要求的范围内，同时保证飞机在急速下降段下降过程中不会出现较大偏差。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的高度控制功能分段执行策略流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提供了一种具有高可靠性的无人机精准降落方法，在软件中增加差分GNSS状态观测器，用于监测差分GNSS定位数据的状态和精度，并控制无人机下降状态，在差分GNSS定位状态和精度较差时，控制无人机悬停，正常时，继续降落。
还增加了水平控制与高度控制联合校验算法，具体为：
根据不同高度将高度控制功能分为多个降落段，不同降落段结合水平位置偏差执行不同的控制策略，具体的控制策略如图1所示。
所述降落段包括：快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段，每段实现不同的降落前准备和对准功能。
还增加了降落确认算法，在降落确认段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，验证飞机是否处于精度要求的范围内，用于保证飞机在急速下降段下降过程中不会出现较大偏差。
本实施例提供了一种无人机精准降落系统，包括差分GNSS状态观测模块，用于监测差分GNSS定位数据的状态和精度，并控制无人机下降状态，在差分GNSS定位状态和精度较差时，控制无人机悬停，正常时，继续降落。
还包括水平控制与高度控制联合校验模块，用于根据不同高度将高度控制功能分为多个降落段，不同降落段结合水平位置偏差执行不同的控制策略，具体的控制策略如图1所示。
所述降落段包括：快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段，每段实现不同的降落前准备和对准功能。
还包括降落确认模块，用于在降落确认段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，验证飞机是否处于精度要求的范围内，用于保证飞机在急速下降段下降过程中不会出现较大偏差。
本发明通过在软件中增加差分GNSS状态观测器，能够对差分GNSS定位数据的有效性和精度进行监测，发现定位状态异常或定位精度较差时则立即控制飞机停止下降，避免在无人值守状态下出现落舱失败的情况，提高了飞机在恶劣环境下应用的可靠性。
将水平控制与高度控制进行联合校验，并将高度控制功能分段，当水平位置偏差超过阈值时则停止下降，不同的降落段其阈值设置不同，同时不同段对定位状态的监测条件也是不同的，此方法可以完全避免飞机在定位状态差的情况下降落安全的问题。
在降落的最后阶段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，确保飞机在降落瞬间位置偏差小同时处于风速较小的状态，完全避免了在降落瞬间阵风对降落精度的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种具有高可靠性的无人机精准降落方法，其特征在于:在软件中增加差分GNSS状态观测器，用于监测差分GNSS定位数据的状态和精度，并控制无人机下降状态，在差分GNSS定位状态和精度较差时，控制无人机悬停，正常时，继续降落；
还增加了水平控制与高度控制联合校验算法，具体为：
根据不同高度将高度控制功能分为多个降落段，不同降落段结合水平位置偏差执行不同的控制策略；
快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段，每段实现不同的降落前准备和对准功能；
还增加了降落确认算法，在降落确认段利用飞机姿态角度估算当前风速大小，并延迟判断飞机姿态和水平位置偏差，验证飞机是否处于精度要求的范围内，用于保证飞机在急速下降段下降过程中不会出现较大偏差。
2.一种无人机精准降落系统，其特征在于：包括差分GNSS状态观测模块，用于监测差分GNSS定位数据的状态和精度，并控制无人机下降状态，在差分GNSS定位状态和精度较差时，控制无人机悬停，正常时，继续降落；
还包括水平控制与高度控制联合校验模块，用于根据不同高度将高度控制功能分为多个降落段，不同降落段结合水平位置偏差执行不同的控制策略；
快速下降段、慢速下降段、降落粗对准段、降落减速段、降落确认段、急速下降段，每段实现不同的降落前准备和对准功能；
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