CN112346477A - 基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法，包括旋翼无人机和无人艇，以及机、艇共载的定位模块、超宽带UWB模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块以及机载的视觉定位模块；旋翼无人机准备执行自主降落，无人艇将定位数据发送给旋翼无人机；旋翼无人机抵近无人艇后，打开超宽带UWB模块，求得机艇之间的距离，若距离小于阈值则在视觉定位引导下施行自主降落。本发明基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法实现艇、机协同作业，能够根据任务需求在运动的无人艇上自主起降，无需人工干预，解决了现有技术中旋翼无人机执行任务需要大量人力和通信资源，探索区域受限，巡航作战能力有限的的问题。

Description

基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法

技术领域

本发明属于旋翼无人机与无人艇协同技术领域，涉及基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法。

背景技术

旋翼无人机，指能够自主或远程领航控制，可携带有效载荷的无人旋翼飞行平台。无人艇，指无人操作的水面舰艇。二者一旦共同配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统，可执行多种战争或非战争军事任务。

现代战争中，无人机与无人艇的协同使用，极大程度上降低了人员伤亡的代价，提高了作战系统平台的安全性和自适应性，而“无人化”必将逐渐改变现代战争的面貌，成为支撑未来信息化战争的重要节点，并引领未来战争发展的新方向。在民用和科研领域，无人机与无人艇协同的作用也日益凸显，已成为辅助人类探索自然、提高社会安全、参与救灾抢险等重大任务必不可少的技术支撑。在海洋探测、城市监控、航拍摄影、矿产探测、应急检测、气象预报、社会安全防范等领域均有长足的发展。此外，近年来随着无人技术的广泛推广，无人系统在各领域获得普遍关注，除了无人飞行器系统被概念化以外，无人地面系统和无人海洋系统均获得普遍关注。由此可见，未来无人技术发展的趋势必然是陆地、天空、海洋以及外太空多种无人系统一体化的综合应用。传统的旋翼无人机执行任务需要大量人力和通信资源，探索区域受限，巡航作战能力有限。

因此，研究旋翼无人机在无人艇上的自主起降技术，让旋翼无人机能够根据任务需求在运动的无人艇上自主起降，无需人工干预，实现无人艇、机协同作业，是大势所趋。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法，实现无人艇、机协同作业，旋翼无人机能够根据任务需求在运动的无人艇上自主起降，无需人工干预，解决了现有技术中旋翼无人机执行任务需要大量人力和通信资源，探索区域受限，巡航作战能力有限的的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统，包括：

旋翼无人机，以及，

旋翼无人机搭载的：北斗定位模块或GPS定位模块、超宽带UWB模块、视觉定位模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块；

无人艇，以及，

无人艇搭载的：北斗定位模块或GPS定位模块、超宽带UWB模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块；所述无人艇上搭载停机坪；

其中，

北斗定位模块或GPS定位模块用于旋翼无人机或无人艇的粗略定位，使旋翼无人机抵近无人艇；

超宽带UWB模块用于测量旋翼无人机、无人艇之间的距离，以进行视觉定位；

旋翼无人机搭载的视觉定位模块用于旋翼无人机自主降落于无人艇上时的视觉定位，并将视觉定位数据输送至旋翼无人机的运动控制模块；

旋翼无人机搭载的运动控制模块为电机驱动器；

旋翼无人机搭载的运动执行模块为机械旋翼；

无人艇搭载的运动控制模块为电机驱动器；

无人艇搭载的运动执行模块为螺旋桨；

通信模块包括4G模块和wi-fi模块；旋翼无人机与无人艇间远距离通信时使用4G模块进行数据交互，近距离通信时使用wi-fi模块进行数据交互；

无人机搭载的停机坪用于旋翼无人机进行降落。

进一步地，旋翼无人机搭载的视觉定位模块包括工业相机、图像采集模块和图像处理模块；工业相机使用前经焦距调试，置于旋翼无人机正下方垂直向下拍摄；图像采集模块用于旋翼无人机自主降落过程中采集视觉定位图像；图像处理模块用于分析采集到的视觉定位图像，并将旋翼无人机与无人艇的距离、角度数据发送到旋翼无人机搭载的运动控制模块；图像处理模块为基于OpenMV开发的自控平台；所述图像采集模块和图像处理模块顺序连接。

本发明的另一发明目的，在于提供一种上述基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，包括以下步骤：

S1、旋翼无人机准备执行自主降落，通过搭载的通信模块向无人艇发送定位指令；无人艇通过搭载的通信模块接收定位指令，由搭载的北斗定位模块或GPS定位模块获得定位数据，通过搭载的通信模块将获得的定位数据发送给旋翼无人机；旋翼无人机抵近无人艇后进入S2；

S2、分别打开旋翼无人机与无人艇上搭载的超宽带UWB模块，通过超宽带UWB模块进行距离解算，求得旋翼无人机与无人艇之间的距离，若距离小于设置的距离阈值则进入S3，否则旋翼无人机在无人艇附近进行搜索直至发现无人艇；

S3、打开旋翼无人机搭载的视觉定位模块，在视觉定位引导下，旋翼无人机以无人艇搭载的停机坪为降落目标施行自主降落。

进一步地，S2中，超宽带UWB模块采用下式进行距离解算：

式中，T_prop表示电磁波在空中的飞行时间，T_round表示到达时间，T_reply表示反馈时间。

更进一步地，超宽带UWB模块进行距离解算的过程中引入误差算式，如下式所示：

式中，error表示误差，k_a表示旋翼无人机时钟的实际频率和预期频率的比值，k_b是无人艇时钟的实际频率和预期频率的比值。

进一步地，S3具体为：

打开旋翼无人机搭载的视觉定位模块，工业相机使用前经焦距调试，置于旋翼无人机正下方垂直向下拍摄视觉定位图像，输送至图像采集模块；

图像采集模块将采集的视觉定位图像输送至图像处理模块；

图像处理模块分析采集到的视觉定位图像，通过距函数进行图像识别，并将旋翼无人机与无人艇的距离、角度数据输送至旋翼无人机搭载的运动控制模块；

在视觉定位引导下，旋翼无人机搭载的运动控制模块驱动运动执行模块，以无人艇搭载的停机坪为降落目标施行自主降落。

更进一步地，距函数如下式所示：

式中，η_pq表示归一化中心距，μ_pq表示p+q阶中心距，μ₀₀表示零阶中心距，其中

存在的几何不变矩为：

M₁＝η₂₀+η₀₂；

本发明的有益效果是：本发明提供一种基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统及其自主降落方法不用考虑机载人员的生理限制，因此可以超越人类极限的更灵活的自由度完成各种复杂的任务，并可探索人类无法接近的危险区域；减少人员和制作成本，为部署传感器和其他设备提供了更多空间；可以进行更长时间的巡航和作战；并且可以节省传统的旋翼无人机执行任务所需要的大量人力和通信资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。

图1是本发明基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的结构图。

图2是本发明基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1所示，基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统，包括：

旋翼无人机，以及，

旋翼无人机搭载的：北斗定位模块或GPS定位模块、超宽带UWB模块、视觉定位模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块；

无人艇，以及，

无人艇搭载的：北斗定位模块或GPS定位模块、超宽带UWB模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块；所述无人艇上搭载停机坪；

舰机协同；

其中，

北斗定位模块或GPS定位模块用于旋翼无人机或无人艇的粗略定位，使旋翼无人机抵近无人艇；

超宽带UWB模块用于测量旋翼无人机、无人艇之间的距离，以进行后续的视觉定位；

旋翼无人机搭载的视觉定位模块用于旋翼无人机自主降落于无人艇上时的视觉定位，并将视觉定位数据输送至旋翼无人机的运动控制模块；

旋翼无人机搭载的视觉定位模块包括工业相机、图像采集模块和图像处理模块；工业相机使用前经焦距调试，置于旋翼无人机正下方垂直向下拍摄；图像采集模块用于旋翼无人机自主降落过程中采集视觉定位图像；图像处理模块用于分析采集到的视觉定位图像，并将旋翼无人机与无人艇的距离、角度数据发送到旋翼无人机搭载的运动控制模块；图像处理模块为基于OpenMV开发的自控平台；所述图像采集模块和图像处理模块顺序连接；

旋翼无人机搭载的运动控制模块为电机驱动器；

旋翼无人机搭载的运动执行模块为机械旋翼；

无人艇搭载的运动控制模块为电机驱动器；

无人艇搭载的运动执行模块为螺旋桨；

通信模块为远近场通信方式，包括4G模块和wi-fi模块；旋翼无人机与无人艇间远距离通信时使用4G模块进行数据交互，近距离通信时使用wi-fi模块进行数据交互；

无人机搭载的停机坪用于旋翼无人机进行降落。

基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，具体包括以下步骤，

S1、旋翼无人机准备执行自主降落，通过搭载的通信模块向无人艇发送定位指令；无人艇通过搭载的通信模块接收定位指令，由搭载的北斗定位模块或GPS定位模块获得定位数据，通过搭载的通信模块将获得的定位数据发送给旋翼无人机；旋翼无人机抵近无人艇后进入S2；

S2、分别打开旋翼无人机与无人艇上搭载的超宽带UWB模块，通过超宽带UWB模块进行距离解算，求得旋翼无人机与无人艇之间的距离，若距离小于设置的距离阈值则进入S3，否则旋翼无人机在无人艇附近进行搜索直至发现无人艇；

超宽带UWB模块采用下式进行距离解算：

式中，T_prop表示电磁波在空中的飞行时间，T_round表示到达时间，T_reply表示反馈时间；

超宽带UWB模块进行距离解算的过程中引入误差算式，如下式所示：

式中，error表示误差，k_a表示旋翼无人机时钟的实际频率和预期频率的比值，k_b是无人艇时钟的实际频率和预期频率的比值；

S3、打开旋翼无人机搭载的视觉定位模块，在视觉定位引导下，旋翼无人机以无人艇搭载的停机坪为降落目标施行自主降落，具体包括以下步骤：

打开旋翼无人机搭载的视觉定位模块，工业相机使用前经焦距调试，置于旋翼无人机正下方垂直向下拍摄视觉定位图像，输送至图像采集模块；

图像采集模块将采集的视觉定位图像输送至图像处理模块；

图像处理模块分析采集到的视觉定位图像，通过距函数进行图像识别，并将旋翼无人机与无人艇的距离、角度数据输送至旋翼无人机搭载的运动控制模块；

其中，距函数如下式所示：

式中，η_pq表示归一化中心距，μ_pq表示p+q阶中心距，μ₀₀表示零阶中心距，其中

存在的几何不变矩为：

M₁＝η₂₀+η₀₂；

M1和M2均是存在的几何不变矩；

在视觉定位引导下，旋翼无人机搭载的运动控制模块驱动运动执行模块，以无人艇搭载的停机坪为降落目标施行自主降落。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。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过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统，其特征在于，包括：

旋翼无人机，以及，

旋翼无人机搭载的：北斗定位模块或GPS定位模块、超宽带UWB模块、视觉定位模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块；

无人艇，以及，

无人艇搭载的：北斗定位模块或GPS定位模块、超宽带UWB模块、运动控制模块、运动执行模块、通信模块；所述无人艇上搭载停机坪；

其中，

所述北斗定位模块或GPS定位模块用于旋翼无人机或无人艇的粗略定位，使旋翼无人机抵近无人艇；

所述超宽带UWB模块用于测量旋翼无人机、无人艇之间的距离，以进行视觉定位；

所述旋翼无人机搭载的视觉定位模块用于旋翼无人机自主降落于无人艇上时的视觉定位，并将视觉定位数据输送至旋翼无人机的运动控制模块；

所述旋翼无人机搭载的运动控制模块为电机驱动器；

所述旋翼无人机搭载的运动执行模块为机械旋翼；

所述无人艇搭载的运动控制模块为电机驱动器；

所述无人艇搭载的运动执行模块为螺旋桨；

所述通信模块包括4G模块和wi-fi模块；旋翼无人机与无人艇间远距离通信时使用4G模块进行数据交互，近距离通信时使用wi-fi模块进行数据交互；

所述无人机搭载的停机坪用于旋翼无人机进行降落。

2.根据权利要求1所述的基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统，其特征在于，所述旋翼无人机搭载的视觉定位模块包括工业相机、图像采集模块和图像处理模块；工业相机使用前经焦距调试，置于旋翼无人机正下方垂直向下拍摄；图像采集模块用于旋翼无人机自主降落过程中采集视觉定位图像；图像处理模块用于分析采集到的视觉定位图像，并将旋翼无人机与无人艇的距离、角度数据发送到旋翼无人机搭载的运动控制模块；图像处理模块为基于OpenMV开发的自控平台；所述图像采集模块和图像处理模块顺序连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、旋翼无人机准备执行自主降落，通过搭载的通信模块向无人艇发送定位指令；无人艇通过搭载的通信模块接收定位指令，由搭载的北斗定位模块或GPS定位模块获得定位数据，通过搭载的通信模块将获得的定位数据发送给旋翼无人机；旋翼无人机抵近无人艇后进入S2；

S2、分别打开旋翼无人机与无人艇上搭载的超宽带UWB模块，通过超宽带UWB模块进行距离解算，求得旋翼无人机与无人艇之间的距离，若距离小于设置的距离阈值则进入S3，否则旋翼无人机在无人艇附近进行搜索直至发现无人艇；

S3、打开旋翼无人机搭载的视觉定位模块，在视觉定位引导下，旋翼无人机以无人艇搭载的停机坪为降落目标施行自主降落。

4.根据权利要求3所述的基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，其特征在于，S2中，所述超宽带UWB模块采用下式进行距离解算：

式中，T_prop表示电磁波在空中的飞行时间，T_round表示到达时间，T_reply表示反馈时间。

5.根据权利要求4所述的基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，其特征在于，所述超宽带UWB模块进行距离解算的过程中引入误差算式，如下式所示：

式中，error表示误差，k_a表示旋翼无人机时钟的实际频率和预期频率的比值，k_b是无人艇时钟的实际频率和预期频率的比值。

6.根据权利要求3所述的基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，其特征在于，S3具体包括以下步骤：

打开旋翼无人机搭载的视觉定位模块，工业相机使用前经焦距调试，置于旋翼无人机正下方垂直向下拍摄视觉定位图像，输送至图像采集模块；

图像采集模块将采集的视觉定位图像输送至图像处理模块；

图像处理模块分析采集到的视觉定位图像，通过距函数进行图像识别，并将旋翼无人机与无人艇的距离、角度数据输送至旋翼无人机搭载的运动控制模块；

在视觉定位引导下，旋翼无人机搭载的运动控制模块驱动运动执行模块，以无人艇搭载的停机坪为降落目标施行自主降落。

7.根据权利要求6所述的基于无人艇的旋翼无人机自主降落系统的自主降落方法，其特征在于，所述距函数如下式所示：

式中，η_pq表示归一化中心距，μ_pq表示p+q阶中心距，μ₀₀表示零阶中心距，其中

存在的几何不变矩为：

M1＝η₂₀+η₀₂；

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