CN113359786A - 一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，包括下述步骤：S1，多旋翼无人机在GPS的引导下进入备降区域后，多旋翼无人机飞行控制系统自动切换至自动降落状态并保持悬停；S2，测高雷达将实时飞行高度数据传给多旋翼无人机飞行控制系统；S3，机载UWB标签发送信息请求UWB基站进行测距通信；S4，多旋翼无人机飞行控制系统利用获得的飞行高度数据和距离数据，通过空间位置解算算法估算出多旋翼无人机的实时位置，最终控制多旋翼无人机完成自动精准降落；本发明能够实现更加稳定高效、精度高、全天候、具备一定隐蔽性、计算轻量化和无人值守的多旋翼无人机自动降落，更好地保证多旋翼无人机自主巡航的可靠性。

Description

一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法

技术领域

本发明涉及多旋翼无人机技术领域，具体涉及一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法。

背景技术

随着无人机技术的不断发展，多旋翼无人机已经被广泛应用于航拍航测、农林植保、电力巡检、安保防爆等领域。实现无人机全自主巡航有着广阔的应用前景，也是当前的发展趋势。而在无人机全自主巡航过程中，无人机安全平稳降落是其中的关键的环节之一。

目前无人机降落主要有传统的人工降落方式和自动降落方式两种：人工降落方式依赖人工控制，存在着降落区域恶劣复杂难以到达、气候复杂、工作量大、效率低、耗费时间长、成本高、危险性大等问题；自动降落方式主要有三种：一种是基于卫星引导的降落方式(包括GPS，北斗系统，RTK等方式)，通过卫星定位技术获取无人机的位置，从而引导无人机降落，由于卫星信号的穿透能力较弱，在周围有建筑物或者屋内时，信号会受到一定的干扰，另外由于依赖卫星通信，在中低纬地区每天存在两次信号盲区，会导致卫星信号丢失，因此基于卫星引导的降落方式在野外使用时存在着精度低、信号弱，或者无信号等的问题，无法实现高精度、稳定可靠的自动降落；第二种是基于图像识别技术引导的降落方式，由于需要通过识别降落标识来确定无人机相对降落点的位置，从而引导无人机降落在野外复杂的降落环境中，其光照条件难以保证，在光线较弱或者夜晚时，需要增加补光装置进行补光，这导致在增加了系统复杂度和成本的同时还降低了系统的隐蔽性，其次降落标识还可能存在被异物遮挡或者损坏的情况，显著降低了图像识别的准确率，因此基于图像识别技术引导的降落方式存在依赖光照条件、降落标志完整性和隐蔽性差等问题，无法实现稳定可靠、全天候的自动降落；第三种是基于UWB超宽带定位技术的方法。目前的UWB引导降落方法需要利用至少4个以上基站才能获得无人机的三维坐标，并且使用基于时间到达差(TDOA)定位算法，这需要较大的计算量，因此基于UWB超宽带定位技术的方法存在基站数量多和计算量较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种融合飞行高度和UWB信息的多旋翼无人机精准降落引导方法，该方法能够实现更加稳定高效、精度高、全天候、具备一定隐蔽性、计算轻量化和无人值守的多旋翼无人机自动降落，更好地保证多旋翼无人机自主巡航的可靠性。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，包括下述步骤：

S1，多旋翼无人机在GPS的引导下进入备降区域后，多旋翼无人机飞行控制系统自动切换至自动降落状态并保持悬停；

S2，测高雷达将实时飞行高度数据传给多旋翼无人机飞行控制系统，该系统控制多旋翼无人机调整至安全高度；

S3，机载UWB标签发送信息请求UWB基站进行测距通信，使用基于信号飞行时间测距方法获得与各UWB基站之间的距离数据，并传给多旋翼无人机飞行控制系统；

S4，多旋翼无人机飞行控制系统利用获得的飞行高度数据和距离数据，通过空间位置解算算法估算出多旋翼无人机的实时位置，并与待降落点进行比较获得控制量，最终控制多旋翼无人机完成自动精准降落。

优选地，所述S3具体包括：

多旋翼无人机在备降区域内，进入悬停后，机载UWB标签发送测距请求信息给UWB基站，各UWB基站将与机载UWB标签进行通信，机载UWB标签使用基于信号飞行时间测距方法获得与各UWB基站之间的距离数据，然后机载UWB标签将该距离数据传给多旋翼无人机飞行控制系统；

优选地，所述S4具体包括：

多旋翼无人机飞行控制系统融合测高雷达所提供的实时飞行高度数据和UWB模块所提供的距离数据；首先利用高度数据将多旋翼无人机的三维坐标点投影至二维平面从而获得一个二维坐标点，进而构成多个直角三角形，再利用距离数据并通过勾股定理计算该二维坐标点的值，最终得到无人机的实时三维坐标。

将解算出的多旋翼无人机实时三维位置坐标与待降落点进行比较从而获得三个维度的偏差，将偏差作为多旋翼无人机飞行控制系统的控制量，多旋翼无人机飞行控制系统控制多旋翼无人机进行调整，当三个维度的偏差均小于允许误差后，多旋翼无人机完成降落。

优选地，所述备降区域为以待降落点为圆点，半径为10-15米的半球体空域；所述待降落点为多旋翼无人机最终要降落位置区域的几何中心。

优选地，所述测高雷达用于实时地为多旋翼无人机飞行控制系统提供飞行高度数据，飞行高度数据主要用于多旋翼无人机保持安全高度和多旋翼无人机空间位置解算；所述安全高度为多旋翼无人机机体与地面或者备降落平台之间的高度，具体为3-10米。

优选地，所述UWB模块包括UWB标签和UWB基站，用于获取标签与各基站之间的距离数据，该距离数据用于多旋翼无人机空间位置解算。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明实现多旋翼无人值守的全天候多旋翼无人机自动精准降落，解决了依赖人工降落方案所存在的危险和工作效率低的问题；

(2)本发明融合UWB信息，其中UWB超宽带通信技术具有高宽带、低功耗、抗干扰能力强、时间分辨率高、多径分辨率和穿透能力强等优点，可为空间位置解算算法提供高质量的数据，有效地解决了依赖GPS信号降落方案存在信号盲区且精度低的问题，有效地弥补了依赖图像识别方案存在光照条件要求高、降落标识是否完整、无法全天候和隐蔽性较差的缺点；

(3)本发明融合飞行高度和UWB信息，提供了一种空间位置解算算法，用于估算多旋翼无人机实时位置，该算法思想相较于传统的UWB三边定位算法极大的降低了系统复杂度和减小了计算量，同时所需基站数量较少，布局较为简单，降低了成本；

(4)本发明相较于现有的人工降落方法和自动降落方式方法，节省了大量的劳动力，同时极大地提高了降落系统的稳定性、实时性和效率，从而解决了现有的无人机降落引导方法精度低，实时性差，依赖光照条件，无法全天候作业和计算量较大等问题。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为本发明的空间位置解算算法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，能够有效解决和弥补传统人工降落危险效率低、依赖GPS降落的精度较低，依赖图像识别技术降落的光照条件要求高、传统UWB定位的复杂解算算法计算量大、所需基站数量多和布置复杂等的问题和缺陷。

如图1～3所示，一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，包括下述步骤：

步骤一，多旋翼无人机在GPS的引导下进入备降区域后，多旋翼无人机飞行控制系统自动切换至自动降落状态并保持悬停；

步骤二，测高雷达将实时飞行高度数据传给多旋翼无人机飞行控制系统，该系统控制多旋翼无人机调整至安全高度；

步骤三，机载UWB(Ultra Wide Band，UWB)标签发送信息请求UWB基站进行测距通信，使用基于信号飞行时间(Time of flight，TOF)测距方法获得与各UWB基站之间的距离数据，并传给多旋翼无人机飞行控制系统；其中，多旋翼无人机在备降区域内，进入悬停后，机载UWB标签发送测距请求信息给UWB基站，各UWB基站将与机载UWB标签进行通信，机载UWB标签使用基于信号飞行时间(Time of flight，TOF)测距方法获得与各UWB基站之间的距离数据，然后机载UWB标签将该距离数据传给多旋翼无人机飞行控制系统；基于信号飞行时间测距方法具体的实现为非对称双边双向测距算法，优点在于无需基站之间进行时钟同步。

步骤四，多旋翼无人机飞行控制系统利用获得的飞行高度数据和距离数据，通过空间位置解算算法估算出多旋翼无人机的实时位置，并与待降落点进行比较获得控制量，最终控制多旋翼无人机完成自动精准降落；其中，多旋翼无人机飞行控制系统融合测高雷达所提供的实时飞行高度数据和UWB模块所提供的距离数据；首先利用高度数据将多旋翼无人机的三维坐标点投影至二维平面从而获得一个二维坐标点，进而构成多个直角三角形，再利用距离数据并通过勾股定理计算该二维坐标点的值，最终得到无人机的实时三维坐标。将解算出的多旋翼无人机实时三维位置坐标与待降落点进行比较从而获得三个维度的偏差，将偏差作为多旋翼无人机飞行控制系统的控制量，多旋翼无人机飞行控制系统控制多旋翼无人机进行调整，当三个维度的偏差均小于允许误差后，多旋翼无人机完成降落。

GPS：用于将多旋翼无人机安全的引导进入至备降区域内；所述备降区域为以待降落点为圆点，半径为10-15米(大于GPS定位误差)的半球体空域，所述待降落点为多旋翼无人机最终要降落位置区域的几何中心。

测高雷达：用于实时地为多旋翼无人机飞行控制系统提供高质量的飞行高度数据，飞行高度数据主要用于多旋翼无人机保持安全高度和多旋翼无人机空间位置解算，所述安全高度是指多旋翼无人机机体与地面或者备降落平台之间的高度，一般为3-10米，保证多旋翼无人机安全的同时也使测高数据稳定可靠。

UWB模块：所述UWB模块主要包括UWB标签和UWB基站，用于获取标签与各基站之间较为准确的距离数据，距离数据用于多旋翼无人机空间位置解算。

具体来说，如图1所示，本发明融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法的实施流程，实现对多旋翼无人机精准降落的引导，按以下几个步骤进行：

(1)引导进入备降区域。多旋翼无人机在机载GPS的引导下进入到备降区域，如图2所示，待降落点为坐标原点(0，0，0)，当机载GPS判断多旋翼无人机与待降落点之间的直线距离小于10-15米时，多旋翼无人机飞行控制系统认定无人机已经进入备降区域，此时飞行控制系统切换为自动降落状态，同时保持悬停。

(2)高度数据获取与调整。测高雷达将实时飞行高度数据传给多旋翼无人机飞行控制系统，系统判断此时多旋翼无人机与下方地面或者待降落平台之间的高度(如图2所示，高度h)是否为3-10米的安全高度，如果不满足，则系统控制多旋翼无人机调整至安全高度范围。

(3)UWB距离数据获取。机载UWB标签发送信息请求UWB基站进行测距通信，各UWB基站接收到请求信息后与UWB完成测距通信，UWB标签使用基于信号飞行时间(Time offlight，TOF)测距方法中的非对称双边双向测距计算出与各UWB基站之间的距离数据(如图2所示，距离d0，距离d1，距离d2)，并将距离数据传给多旋翼无人机飞行控制系统。

(4)解算多旋翼无人机空间位置并降落。多旋翼无人机飞行控制系统利用接收到的飞行高度和距离数据，通过空间位置解算算法估算出多旋翼无人机实时位置，并与待降落点进行比较获得三个维度的偏差值，利用这三个偏差值作为控制量，系统控制多旋翼无人机调整，将三个偏差均降低至允许误差(一般为10cm)之内，完成自动精准降落。

如图2所示，为本发明的结构与原理示意图，包括：

GPS：安装在多旋翼无人机机架上方一侧，如图2所示，GPS 8用于引导多旋翼无人机进入备降区域；

测高雷达：安装在多旋翼无人机机架下方一侧，如图2所示，测高雷达7用于实时地为多旋翼无人机飞行控制系统提供高质量的飞行高度数据，飞行高度数据主要用于多旋翼无人机保持安全高度和多旋翼无人机空间位置解算；

UWB模块：所述UWB模块主要包括1个UWB标签和3个UWB基站。如图2所示，UWB标签6安装在多旋翼无人机机架正下方；UWB1基站2安装在待降落平台上待降落点的正下方，UWB2基站3安装在距离坐标原点一定距离(一般根据实际机巢平台的尺寸决定)的X轴上，UWB3基站4安装在距离坐标原点一定距离的Y轴上，其中X轴、Y轴和Z轴满足右手定则，这样划分的优点是将待降落区域划分为4个象限，有利于判断多旋翼无人机的来向。UWB模块用于获取标签与各基站之间较为准确的距离数据，距离数据用于多旋翼无人机空间位置解算。

各部件执行对应的功能后，实现对多旋翼无人机精准降落的引导，相较于现有的人工降落方法和自动降落方式方法，节省了大量的劳动力，同时极大地提高了降落系统的稳定性和实时性，有效地解决了现有的无人机降落引导方法精度低，实时性差，依赖光照条件，无法全天候作业，计算量较大等问题。

如图3所示，本发明的多旋翼无人机空间位置解算算法示意图，具体步骤为：

(1)以待降落点为原点建立空间直角坐标系，将UWB1基站、UWB2基站和UWB3基站所在位置分别标为点O、A和B；

(2)假设多旋翼无人机的实时位置坐标为E(x0，y0，z0)，将E投影到水平面OAB上的点为F，实现了三维降至二维；其中有EF分别垂直于OF、AF和BF；过F点作X，Y轴的垂线分别交于点C和D，其中有CF垂直于OA，DF垂直于OB；

(3)假设待降落点即UWB1基站的坐标为(0，0，0)，UWB2基站的坐标为(a，0，0)，UWB3基站坐标为(0，b，0)，测高雷达反馈的高度数据为h，UWB标签与三个基站的距离数据分别为d0、d1和d2；

(4)则多旋翼无人机的实时位置坐标E的解最终为：

多旋翼无人机空间位置解算算法通过将多旋翼无人机的三维位置坐标投影到与待降落平台同一个水平面上，三维降为二维；实现了基站数量少、布置简单，快速地解出多旋翼无人机实时的位置数据；从而减小了传统的基于时间到达差(TDOA)定位算法需要较大的计算量，同时也降低了完全仅依赖UWB模块定位的误差。

本发明实现无人值守的全天候多旋翼无人机自动精准降落，解决了依赖人工降落方案所存在的危险和工作效率低的问题；融合UWB信息，其中UWB超宽带通信技术具有高宽带、低功耗、抗干扰能力强、时间分辨率高、多径分辨率和穿透能力强等优点，可为空间位置解算算法提供高质量的数据，有效地解决了依赖GPS信号降落方案存在信号盲区且精度低的问题，有效地弥补了依赖图像识别方案存在光照条件要求高、降落标识是否完整、无法全天候和隐蔽性较差的缺点；融合飞行高度和UWB信息，提供了一种空间位置解算算法，用于估算无人机实时位置，该算法思想相较于传统的UWB三边定位算法极大的降低了系统复杂度和减小了计算量，同时所需基站数量较少，布局较为简单，降低了成本；

相较于现有的人工降落方法和自动降落方式方法，本发明节省了大量的劳动力，同时极大地提高了降落系统的稳定性、实时性和效率，从而解决了现有的无人机降落引导方法精度低，实时性差，依赖光照条件，无法全天候作业和计算量较大等问题。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1，多旋翼无人机在GPS的引导下进入备降区域后，多旋翼无人机飞行控制系统自动切换至自动降落状态并保持悬停；

S2，测高雷达将实时飞行高度数据传给多旋翼无人机飞行控制系统，该系统控制多旋翼无人机调整至安全高度；

S3，机载UWB标签发送信息请求UWB基站进行测距通信，使用基于信号飞行时间测距方法获得与各UWB基站之间的距离数据，并传给多旋翼无人机飞行控制系统；

S4，多旋翼无人机飞行控制系统利用获得的飞行高度数据和距离数据，通过空间位置解算算法估算出多旋翼无人机的实时位置，并与待降落点进行比较获得控制量，最终控制多旋翼无人机完成自动精准降落。

2.根据权利要求1所述融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，所述S3具体包括：

多旋翼无人机在备降区域内，进入悬停后，机载UWB标签发送测距请求信息给UWB基站，各UWB基站将与机载UWB标签进行通信，机载UWB标签使用基于信号飞行时间测距方法获得与各UWB基站之间的距离数据，然后机载UWB标签将该距离数据传给多旋翼无人机飞行控制系统。

3.根据权利要求1所述融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，所述S4具体包括：

多旋翼无人机飞行控制系统融合测高雷达所提供的实时飞行高度数据和UWB模块所提供的距离数据；首先利用高度数据将多旋翼无人机的三维坐标点投影至二维平面从而获得一个二维坐标点，进而构成直角三角形，再利用距离数据并通过勾股定理计算该二维坐标点的值，最终得到无人机的实时三维坐标。

将解算出的多旋翼无人机实时三维位置坐标与待降落点进行比较从而获得三个维度的偏差，将偏差作为多旋翼无人机飞行控制系统的控制量，多旋翼无人机飞行控制系统控制多旋翼无人机进行调整，当三个维度的偏差均小于允许误差后，多旋翼无人机完成降落。

4.根据权利要求1所述融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，所述备降区域为以待降落点为圆点，半径为10-15米的半球体空域；所述待降落点为多旋翼无人机最终要降落位置区域的几何中心。

5.根据权利要求1所述融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，所述测高雷达用于实时地为多旋翼无人机飞行控制系统提供飞行高度数据，飞行高度数据主要用于多旋翼无人机保持安全高度和多旋翼无人机空间位置解算；所述安全高度为多旋翼无人机机体与地面或者备降落平台之间的高度，具体为3-10米。

6.根据权利要求3所述融合飞行高度的多旋翼无人机精准降落引导方法，其特征在于，所述UWB模块包括UWB标签和UWB基站，用于获取标签与各基站之间的距离数据，该距离数据用于多旋翼无人机空间位置解算。

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