CN113190048B - 一种垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法，属于无人机控制领域。本发明的垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法，自动机场用于发射波束引导无人机降落；机场控制系统用于接收无人机的状态报告码，并发送应答码；无人机用于发送状态报告码，并根据应答码、自动机场的导航标志点和停机坪上方特定频率信号自动识别下一航路点。本发明的无人机根据波束形成的航道自行判定和校准航迹，解决了无人机起降阶段过度依赖人力的问题。本发明实现了起降全过程的自动化，无人机适用于沙漠、山脉等不利于人员长期驻扎的地区。

Description

一种垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法

技术领域

本发明属于无人机控制领域，尤其是一种垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法。

背景技术

现有的垂直起降无人机，包括多旋翼无人机等，多采用人工手动操纵降落或者依赖图像识别技术寻找降落位置的方式实现降落。人工操纵是目前最为常用的方式，依赖于人工操纵的无人机在应对突发状况上具有明显的优势，执行任务过程中的灵活性更强。然而，采用人工手动操纵降落的方式消耗了一定的人力资源，在一些不利于人员驻守的任务区，人工手动操作的难度会进一步加大。垂直起降无人机的定点降落过程中的顺利进场着陆需要依靠操作人员的经验，若任务需要多架无人机协同执行，则需要数量对等的操作人员进行操作起降，还需要人工的空中交通管制系统予以辅助，不利于无人机的集群化执行任务。

图像识别技术是目前较常用的智能化无人机自动着陆技术，通过识别无人机正下方的地形图、降落点标志等来确定无人机的降落地点，从而自动操纵无人机实现自动着陆，因此运用图像识别技术可以实现单架无人机的精准起降，克服了人工操纵降落的人员依赖问题。然而单纯这种方法在一些特定不利天气下也难以保证无人机安全降落，首先，在室外工作环境下，受雾霾等不利天气影响，在高于一定高度飞行时，无人机难以清楚的识别到无人机正下方的地形图，需要降低飞行高度来识别图像，但过低的飞行高度也同样严重影响飞航安全。其次，室外环境易于发生变化，如果单独使用图像识别技术操纵垂直起降无人机，则需要定期对机场以及航路点进行图像采集，并定期更新无人机数据库，这同样造成了无人机实际起降过程中的不便。此外，当无人机完全偏离航路时将无法识别地表目标，若将该地区全部地理图像全部录入数据库，则更新数据库的成本过于高昂，使无人机的经济性下降。

目前无人机尚无大规模应用的无人机机场自动控制系统设计方案，在同类无人机的降落方案上来看，目前多采用人工操纵起降的方法。这种方法需要与飞行器对等数目的无人机驾驶员针对无人机进行操纵，此外，还需要考虑到驾驶员与飞行器之间的人机交互问题，在无人机机场系统设计与实现上均存在人力物力的不必要消耗情况，尤其在戈壁、高原等不适宜人员驻留的任务执行区域，对人员提供生产生活保障也将牵制大量资源。

虽然无人机机场自动控制系统没有得到大规模的生产运用，但目前已经有相关的文献资料对无人机机场自动控制系统的结构与功能提出了初步的设想。而从目前的文献资料来看，机场自动控制系统主要包含如下方面的设计，针对此类设计分析如下：第一、在定点停放技术方面，现有文献资料中多采用停机坪编码和位置传感器的方法来实现无人机在自动停机坪上的精准降落。这种方法理论上基本能够摆脱人为操纵降落的诸多问题，然而这种方法可行性不足，位置传感器，如光电位置传感器、电位器式位移传感器等更适用于近距离测距，无人机在降落之前与地表相距数十米，且单独依靠位置传感器来寻找降落点就相当于将识别机场位置的工作全部交由无人机实现，其降落精度与可靠性均存在不足的问题，且在地面自动ATC系统(Air Traffic Control,即空中交通管制，下同)发出降落指令之后自动机场与无人机将再无直接互动，无人机无法实现直接准确地找到降落点的位置。第二、在多架无人机进出机场时自动机场空中交通管制技术方面，文献中多采用对出入场无人机进行编码的形式进行管理，这种方式能够做到识别机场附近飞行中的每架无人机，从而做到分别发送指令，但单独采用这种固定编码的技术无法获取无人机的状态变量，如是否有无人机电量即将耗尽等紧急信息，无法最大限度保障机场附近空域的飞航安全。第三、在无人机保障服务技术方面，文献中多采用由机械臂对准无人机插口进行充电的方式，对于机场周边天气信息的提供，多采用在自动机场设立气象雷达等设施的方式，无人机在停机期间由电子束缚装置进行固定。这种方式能够满足为无人机提供能源的需求，也能够提供机场附近的实时气象条件，在大风等极端环境下能够保证无人机固定在停机坪上。然而这种方式也存在诸多问题，首先针对为无人机提供能源的方式，使用机械臂需要较高精度的控制，且机械臂自身成本高昂，结构复杂，易于产生故障，在人员无法长期驻守的任务区域容易直接导致该停机坪的瘫痪，不利于机场自动控制系统的维护和日常使用；其次针对机场附近的气象条件服务问题，由于机场自动控制系统设立在戈壁、高原等任务区域自动执行任务，气象台无法经常接受检修，且由于成本原因，这种设计无法在更广大的任务区域内大规模实施，若降低成本修建，则其提供的气象条件将失去准确性，且地面自动ATC系统也需要利用这一信息进行航空管制，故采用配套气象台的方式明显不适用；最后，针对无人机在停机坪上的固定和保护问题，由于无人机自动机场位于人员不便长期驻留的任务区，对于无人机而言，在上述环境下在自动机场停靠时，需要避免阳光直射、沙尘暴、野生动物破坏等各种不利因素，以保证无人机能够正常执行任务，因此无人机机场自动控制系统需要提供封闭机库，以保护无人机及其附属设备。

发明内容

本发明的目的在于克服无人机垂直起降过程中所面临的人工依赖性、抗干扰能力不足的缺点，提供一种垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种垂直起降无人机机场自动控制系统，包括无人机、机场控制系统和自动机场；

所述自动机场用于发射波束引导无人机降落；

所述机场控制系统用于接收无人机的状态报告码，并发送应答码；

所述无人机用于发送状态报告码，并根据应答码、自动机场的导航标志点和停机坪上方特定频率信号自动识别下一航路点。

进一步的，所述无人机上设有软件系统和硬件系统；

所述软件系统用于与自动机场的进行联络，并根据自动机场的ATC系统发布其他无人机的应答码判断与所述无人机的碰撞风险，或者根据ATC系统发布的本机应答码，结合自动机场的调频波束实现无人机的自主降落；

所述硬件用于实现无线充电功能，并实现自身故障的检测。

进一步的，所述自动机场的无线电导航设备采用甚高频航路点导航台将无人机引导自动机场附近；

采用超低频的导航标志点将无人机引导至自动机场内；

采用超低频起降引导设备将自动机场内待降落的无人机引导至停机坪降落或引导无人机从停机坪上起飞。

进一步的，还包括区域服务型气象台；

所述区域服务型气象台用于接收并解读自动机场发送的询问码，并向所述机场发送气象应答码。

进一步的，所述区域服务型气象台响应预设范围内的多个自动机场；

每个自动机场至少接收两个区域服务型气象台的气象应答码。

进一步的，所述自动机场用于应答周边无人机降落请求，并根据无人机的状态报告码安排无人机的降落优先级；

在接收到调度中心的调度指令时，所述自动机场用于监测目标无人机状态并向服务气象台发送询问码；

所述自动机场还用于接收无人机的状态报告码和气象台应答码，生成并发送相应的应答码，所述应答码中包含了基于气象信息和目标无人机状态信息做出的目标无人机的执行动作信息。

进一步的，所述自动机场上设有与停机坪一体化的垂直起降无人机自动机库；

所述自动机库设有内外两层机库顶，通过升降设备将无人机送至停机坪；

自动机库内设有供电端感应线圈，用于对无人机进行充电。

一种垂直起降无人机机场自动控制方法：

自动机场发射波束引导无人机降落；

机场控制系统接收无人机的状态报告码，并发送应答码；

无人机发送状态报告码，并根据应答码、自动机场的导航标志点和停机坪上方特定频率信号自动识别下一航路点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的垂直起降无人机机场的自动控制系统及方法，无人机根据波束形成的航道自行判定和校准航迹，解决了无人机起降阶段过度依赖人力的问题。本发明实现了起降全过程的自动化，无人机适用于沙漠、山脉等不利于人员长期驻扎的地区。

进一步的，在进近与降落期间采用的ATC空中交通管制机制，在实现无人机的自主降落的同时避免了碰撞风险。

进一步的，自动机场采用无线充电方式为停靠的无人机提供能源。

进一步的，自动机场能够接收最近气象台的本地天候数据，并息向本机场及附近出入场无人机发布航空交通管制信息。

进一步的，采用新式机库以保护停靠在机场的无人机。

进一步的，航路点的空地交流采用甚高频电磁波，在无须考虑地表图像的前提下引导无人机前往机场，在机场附近入场前和离场后通过导航标志点作为位置标识点，导航标志点采用不同频率的超低频电磁波，以引导无人机建立盲降，有效在进近过程中克服了能见度不足的问题。

附图说明

图1为无人机机场进近通道波束形成航路的基本原理图；

图2为整个进近通道上的导航标志点与波束分布图；

图3为无人机在接收到波束后飞行决策流程图；

图4为无人机降落点的波束分布图；

图5为无人机在波束中降落示意图；

图6为无人机向地面自动ATC系统报告码结构示意图；

图7为地面自动ATC系统对无人机应答码结构示意图；

图8为地面自动ATC系统指挥无人机按顺序降落流程示意图；

图9为无线充电装置示意图；

图10为机场向气象台询问码结构图；

图11为气象台向机场应答码结构图；

图12为气象台与诸机场通信示意图；

图13为机场发布空中交通管制规则示意图；

图14为新式无人机机库结构示意图。

其中，1-停机坪；2-预定降落点；3-机库；4-混频器与天线；5-涡流感应式无线充电设备。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

导航标志点天线发出的电磁波包括数个波瓣，其中强度最大的波瓣即是无人机引导着陆所使用的波束。如图1所示，两个相邻的波束采用不同的调制频率和相同的信号发射强度，其中左波束采用100Hz调频，右波束采用200Hz调频。此时两个波束会形成相交的平面，这个二维上的航向面就是无人机进近通道。无人机在接收到两种频率的波束后，会比较两种波束的信号强度，若左波束强于右波束，则向右飞行，若右波束强于左波束，则无人机向左飞行，最终无人机将能够保持在航路上按照预定的精确轨迹飞行进近，如图3所示。

在进近直到到达降落点之前，会有三组混频器和天线。图1所示为第一组的左右波束频率，即一组导航标志点，如图2所示，其后第二组和第三组导航标志点的左右波束频率依次增加30Hz，无人机每通过一组混频器后就会更新自身状态，向地面自动ATC系统发出自身状态报告，自身状态报告码的结构如图6所示，并接收地面自动ATC系统发来的应答码。在无人机接收到地面自动ATC系统允许降落信号之后，无人机将自行搜寻降落点的信号，同时切换到垂直起降状态。

在无人机向地面自动ATC系统发布自身状态报告时，其状态码结构如下：状态码的第一位至第五位为本机前序起飞机场编号；第六位至第七位为该飞机在前一机场的离场序号；第八位至第十位为飞机类型码，不同的码代表不同类型的无人机；第十一位至第十三位为飞机剩余电量；第十四至十六位则报告自身位置在哪一组导航标志点；第十七位至第二十位报告自身所处高度；第二十一位至第二十四位为速度码，报告自身速度；第二十五位至第二十八位为航向码，以正北为0度，顺时针计数；第二十九位至第三十位为故障编码，报告无人机发生的故障类型，该码数字越大，故障越严重。

如图7所示，地面自动ATC系统在收到无人机发来的状态码后，经过计算和处理，向空中广播应答码，应答码的结构如下：应答码的第一位至第五位为目标无人机的前序机场编码；第六位至第七位为目标飞机前一机场的离场序号；第八位至第十位为飞机类型码；前十位为目标飞机提供识别使用，无人机在接收到应答码后将对比前十位是否与本机代码相同，若相同则继续读取后续命令，若不相同则按照该码判读是否与自身存在碰撞风险，若存在则调整速度或者原地悬停并向地面自动ATC系统发送报警信号，第十一位至第十四位为下一航路点码，指示无人机前往该点，若某无人机已到达航路点上空，但地面自动ATC系统仍未回复，则由巡航状态转至起降状态悬停，并继续发送报告等待地面自动ATC系统应答，直至接收到对应的应答信号；第十五位至第二十六位分别为降落点四个频率波束信号的频率；第二十七位至第三十位为允许无人机飞行的飞行高度；第三十一至三十四位为速度码，指示无人机应达到的飞行速度；第三十五位至第三十八位为航向码，指示当前应飞行的方向。

如图8所示，地面自动ATC系统在管理无人机降落时，首先选择优先级最高的无人机优先安排。当无人机电量码低于降落所需安全数值时，优先安排该无人机就近降落，即电量不足的无人机优先级最高；当发来的状态码中故障码不是00时，表明该飞机存在故障，降落优先级仅次于电量不足；当状态码中故障码为00时，表明飞机正常飞行，此时按照预计到达时间进行排序，预计先到达的先降落。

地面自动ATC系统向无人机发布的降落信息中，包含降落点四个混频器的各自频率，在接收到相应的四个频率信号后，无人机将飞行至四个波束所形成的下降线上，此时无人机会执行一个判定程序，若四个波束的信号强度差小于预设安全范围，则减小垂直起降装置产生的总升力，使无人机按照安全的降落速度着陆，若接收到的四个波束的强度差异过大，则向波束强一侧混频器的反方向移动，直至接收到的四个波束信号强度相同时，执行降落程序。

如图4所示，无人机机场内每个降落点的引导波束组的四个频率都是不同的，无人机通过搜寻地面自动ATC系统发来的频率信号来定位。降落场地1为正方形场地，在其四条边中点各有一台混频器与天线4，四个频率的波束均竖直向上，四个波束将形成一条垂直向下的降落线，降落线与地面的交点为预定降落点，无人机将沿此线下降，直至着陆。

如图5所示，无人机在接收到地面自动ATC系统降落命令后，选择频率最高的作为识别信号，这样能够保证每个降落点的识别信号频率差固定，有利于提高飞航安全性。在这个识别信号强于预设阈值后，无人机将同时接收其他三个频率的信号，此时无人机开启水平位置控制程序，如图2，在满足降落条件后实施降落。

在无人机完成降落后，将启动降落后的处理程序，第一步关闭降落场地1四个引导降落混频器，以最大限度避免干扰下一班次降落无人机的正常起降。随后，升降平台缓缓下降，在升降平台下降完成后，内外两层机库3顶开始闭合，如图14所示，当外库顶开启后，库顶上偶然飘落的砂石等杂物会落下来，当机库3外界发生强降雨天气时，雨水也将沿着外库顶的缝隙流下，故内库顶的作用是阻挡外库顶缝隙落下的杂物，以保护停靠的无人机，无人机入库时内库顶先于外库顶闭合，出库时内库顶后于外库顶开启。

当无人机需要从库中调出以执行飞行任务时，机场将提前开启涡流感应式无线充电设备5，为飞机供电，并同时向覆盖本机场的专属气象台进行询问，每个气象台可以覆盖一定区域内的所有自动机场，如图12所示。当调度中心向本自动机场调出某类型无人机的指令时，由于北斗导航系统具有短报文功能，故机场自动控制系统将通过北斗系统短报文功能向对本机场服务的各个气象台自动询问天气信息，每个机场至少受两个气象台服务，其询问码结构如图10所示。

在图10中，第一位至第五位为询问机场代码，第六位至第八位为对象气象台代码。在气象台接收到对应的询问信号后，将反馈一个应答码，该应答码的结构如图11所示。

第一位至第五位为发送询问码的自动机场编码；第六至第八位为回应的气象台编码；第九位为降水信息，反映是否降水；第十位至第十二位为雨雪等降水形式信息和降水强度信息；第十三位为当地风向；第十四位至第十六位为当地风速；第十七位至第二十四位为未来四小时内的温度信息，每两位相邻码为一个小时的温度，时间上由前向后排列；第二十五位至第三十二位为未来四小时的湿度信息；第三十三位为是否发生大雾等低能见度气象信息，第三十四位为是否发生沙尘暴、扬沙等不利气象信息，第三十五位为该机场附近空域是否发生风切变，强对流天气信息。

地面自动ATC系统将根据无人机电量、状态与气象条件决定是否允许无人机起飞并发布空中交通管制信息，其规则如图13所示。由于降雨往往伴随不利气流条件，如风切变、湍流等，因此首先检测是否存在降水，若不存在则跳过检测风速风向，若存在降水则检测降水强度与形式，若降水强度与形式满足无人机起飞要求，则检测风速风向，若不满足起飞条件则无人机不能起飞。若地面静风则跳过风速风向，检测温度湿度是否满足起飞要求，若机场附近空域风速过大，则无人机不能起飞。下一步检测温度湿度，若满足起飞条件则进行下一项，若不满足则终止无人机起飞程序。最后检测第三十五至三十八位，若能够满足无人机起飞要求，则启动无人机起飞程序，空中交通管制流程予以放行。

在满足气象条件后，首先对无人机进行启动和上电自测试，若出现故障则中断起飞程序，若无故障自动机场将检测无人机现在拥有的电量，若满足任务要求，则向无人机重新发送编号信息，擦除其原有的编号，将编号命名为本机场编码和起飞次序的形式。如图14所示，外库顶平移打开，在内库顶检测到异物掉落完毕后，向外开启内库顶，涡流感应式无线充电设备关闭，机库3升降平台升起，降落场地1外围调频天线开启，以引导无人机垂直起飞，随后无人机向地面自动ATC系统发送最终起飞请求，地面自动ATC系统回复应答信号，通知其沿离场通道飞出自动机场空域，应答码中的第十五至第二十六位，即将降落所需的四个频率的信号代码全部归零，无人机完成离场程序，起飞执行任务。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种垂直起降无人机机场自动控制系统，其特征在于，包括无人机、机场控制系统、自动机场和区域服务型气象台；

所述自动机场用于发射波束引导无人机降落；

所述机场控制系统用于接收无人机的状态报告码，并发送应答码；

所述无人机用于发送状态报告码，并根据应答码、自动机场的导航标志点和停机坪上方特定频率信号自动识别下一航路点；

所述自动机场的无线电导航设备采用甚高频航路点导航台将无人机引导自动机场附近；

采用超低频的导航标志点将无人机引导至自动机场内；

采用超低频起降引导设备将自动机场内待降落的无人机引导至停机坪降落或引导无人机从停机坪上起飞；

所述区域服务型气象台用于接收并解读自动机场发送的询问码，并向所述机场发送气象应答码；

所述区域服务型气象台响应预设范围内的多个自动机场；

每个自动机场至少接收两个区域服务型气象台的气象应答码；

所述自动机场用于应答周边无人机降落请求，并根据无人机的状态报告码安排无人机的降落优先级；

在接收到调度中心的调度指令时，所述自动机场用于监测目标无人机状态并向服务气象台发送询问码；

所述自动机场还用于接收无人机的状态报告码和气象台应答码，生成并发送相应的应答码，所述应答码中包含了基于气象信息和目标无人机状态信息做出的目标无人机的执行动作信息。

2.根据权利要求1所述的垂直起降无人机机场自动控制系统，其特征在于，所述无人机上设有软件系统和硬件系统；

所述软件系统用于与自动机场的进行联络，并根据自动机场的ATC系统发布其他无人机的应答码判断与所述无人机的碰撞风险，或者根据ATC系统发布的本机应答码，结合自动机场的调频波束实现无人机的自主降落；

所述硬件用于实现无线充电功能，并实现自身故障的检测。

3.根据权利要求1所述的垂直起降无人机机场自动控制系统，其特征在于，所述自动机场上设有与停机坪一体化的垂直起降无人机自动机库；

所述自动机库设有内外两层机库顶，通过升降设备将无人机送至停机坪；

自动机库内设有供电端感应线圈，用于对无人机进行充电。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的垂直起降无人机机场自动控制系统的自动控制方法，其特征在于：

自动机场发射波束引导无人机降落；

机场控制系统接收无人机的状态报告码，并发送应答码；

无人机发送状态报告码，并根据应答码、自动机场的导航标志点和停机坪上方特定频率信号自动识别下一航路点。