CN113900453B - 四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统。在第一阶段，母机/子机以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；在第二阶段，子机在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，具体为先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落。本发明方法不需要依赖于高精度的传感器，不需要搭载高性能的机载计算机，有效减轻无人机的负载，提高无人机续航能力，具备重量轻、高可靠性、高精度的优点。
Description
技术领域
本发明属于无人机飞行控制领域，具体涉及四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统。
背景技术
目前四旋翼无人机充电的方式大多为固定充电桩的形式，无人机任务结束返回充电桩进行充电或更换电池。此方式无法提高单架次的续航能力，并且在森林、海域等无人机不具备降落条件时，充电桩的充电方式无法进行无人机充电作业。为了提高单架次无人机的续航能力，以及破除森林、海域无人机无法降落充电的壁垒，有必要对子母无人机空中精准对接进行研究，以实现全地形无障碍无人机空中充电。
发明内容
发明目的：为实现四旋翼子母机空中精准对接，克服目前地面充电的缺点，本发明提供一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，包括：
子机/母机将GPS位置信息发送至地面控制站，地面控制站将子机/母机的动态位置转发给母机/子机；母机/子机以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；
子机在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，包括：先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接。
本发明提供的子母机精准对接控制方法，区别于单飞行器降落到地面充电平台控制方法，是一种多尺度子母机空中对接控制方法，分为两阶段：（1）第一阶段根据子机的实际任务需求进行实施。若需要母机逼近正在作业的子机，则母机由远距离朝子机飞行，并悬停在子机下方；若需要子机逼近母机，则子机停止作业由远距离朝母机飞行，并悬停在母机上方。针对传统充电平台无人机精准返回充电平台上方成功率低的问题，以及传统位置控制器无法适用本发明中子机位置实时变化场景，本发明提出动态位置控制器，子机的动态位置作为母机动态位置控制器的期望输入（以母机飞向子机的场景为例）。（2）第二阶段为子机精准降落到搭载对接平台的母机上，本阶段细分为两步，第一步为精准跟踪，即子机飞至母机上方如何由航线模式精准的判断并切到降落模式的过程；第二步为切换到降落模式后的精准降落过程，针对子母机空中对接的场景，考虑到所选传感器的特点，融合视觉和测距传感器，解耦无人机水平位置与高度位置分别进行控制。
作为优选，所述动态位置控制器以输入的动态位置作为期望位置采用串级PID控制算法，其中子机/母机期望速度首先由母机/子机实时位置与子机/母机实际位置做差乘以比例系数得到vel_sp，再结合子母机间水平距离d确定：
其中，vel_zi为子机/母机的速度，
为飞机速度放大参数，取值范围(1,2]，
为子母机安全距离阈值，取值范围[3,6]，单位为m，
为飞机安全速度阈值，取值
范围(0,5]，单位为m/s。
作为优选，地标采用Apriltag，在子机位于母机上方后，通过子机搭载的视觉处理模块Openmv识别Apriltag，将Apriltag坐标位置实时传给飞控，引导子机跟踪地标，保持高度不变精准悬停于地标之上。
作为优选，子机通过搭载的视觉处理模块Openmv识别地标，在Openmv传递位置信息时，水平位置控制器根据如下公式确定无人机相对于地标的位置偏移量：
其中，x、y为无人机相对于地标在横滚、俯仰轴方向上的位置偏移量，z为竖直距
离，由于z值需要靠人工进行标定，所以存在一定的误差，本发明中采用激光测距仪的测距
数据，f为摄像头焦距，(u,v)为地标在像素坐标系中的坐标，
表示图像中心点像
素坐标与图像原点像素坐标在横向和纵向上的像素数差值，α、β为尺度因子，代表物理距离
对应的像素点数；
将机体坐标系下的位置转换为北东地NED坐标系下的位置后判断，当xned、yned均为零时，表明子机正处于地标正上方，此时地标的像素坐标为图像中心点坐标；当xned或yned不为零时，表明无人机不位于地标正上方，通过调整飞行姿态来实现位置运动，让xned和yned的值逐渐趋向于零。
作为优选，激光测距仪获取高度信息后存入设置的缓存器中，每一次调用缓存器中的数据时都与上一时刻高度信息进行对比，当差值小于设定容错阈值时才允许传入高度控制器，否则子机自主切到定高模式；高度控制器中速度控制加入限幅：
其中，V为无人机下降速度，Vsp为无人机期望速度，d为子机测得的子母间距离，d max 为第二下降阶段安全距离，取值(0.8,1.5)，V max 为降落限幅速度，取值[10,20)，V cu 为子机当前速度，V d-min 为降落安全速度，取值(1,5)，速度单位为m/s，距离单位为m。
作为优选，容错阈值根据调用激光测距仪信息的频率和子机下降过程的最大速度确定。
作为优选，子机上配置有LED灯，将子机飞行过程中是否搜索到地标可视化。
一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制系统，包括：子机、母机以及地面控制站；所述地面控制站分别与子机、母机通信，将从子机/母机收到的GPS位置信息转发给母机/子机；
母机/子机设有第一阶段对接控制模块，用于以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；
子机设有第二阶段对接控制模块，用于在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，包括：先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接。
作为优选，四旋翼无人机采用X型结构，母机上方设置对接平台，对接平台在母机四侧延伸，子机最大着陆长度与对接平台长度比为1：2。
作为优选，所述对接平台经四根空心支架与母机机身连接，中间为充电板，周围为栅格平台，栅格孔垂直机身，供子机下洗气流完整通过。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明先基于GPS位置信息进行第一阶段的对接控制，完成子母机由相对远距离进行近距离逼近的过程；再融合视觉和激光测距信息进行第二阶段的精准对接控制，完成空中精准降落任务。本发明方法不需要依赖于高精度的传感器，不需要搭载高性能的机载计算机，分阶段、多源异构信息融合的方法，有效减轻无人机的负载，提高无人机续航能力，具备重量轻、高可靠性、高精度的优点。
2、本发明提供的子母机空中对接控制区别于单机控制，地面控制站通过双通信链路数传分别与子母机进行通信，实现子母机之间的联动，一个地面控制站同时监视、控制两架无人机。
3、本发明设计的对接平台能够最大程度弱化了子机飞至母机上方进行降落时下洗气流对母机稳定性产生的影响。
4、本发明方法采用常规的GPS模块、Openmv模块、激光测距仪模块即可实现，具有功耗低、质量轻、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的空中充电子母机精准对接控制方法总体流程图。
图2为本发明实施例中的动态位置控制器示意图。
图3为本发明实施例中的精准切换方法流程图。
图4为本发明实施例中的对接系统配置示意图。
图5为本发明实施例中Openmv与飞控连线图。
图6为本发明实施例中第一阶段对接控制的系统部署图。
图7为本发明实施例中第二阶段对接控制流程图。
图8为本发明实施例中子机降落实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的方案进行进一步说明。
如图1所示，本发明实施例公开的一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，主要分为两个阶段：
第一阶段：子机/母机将GPS位置信息发送至地面控制站，地面控制站将子机/母机的动态位置转发给母机/子机；母机/子机以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方。
第一阶段为子母机由相对远距离进行近距离逼近的过程，本阶段根据子机的实际任务需求进行实施。若需要母机逼近正在作业的子机，则母机由远距离朝子机飞行，并悬停在子机下方；若需要子机逼近母机，则子机停止作业由远距离朝母机飞行，并悬停在母机上方，本阶段被逼近者在空中受风的影响存在位置实时变化的情况，为提高第一阶段对接成功率，设计动态位置控制器，逼近者根据被逼近者的动态位置实时调整航线，至此，第一阶段对接任务完成。
第二阶段：子机在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落。
区别于传统地面充电系统飞机返回起点直接降落的控制方式，针对母机在空中会实时小范围变化的特点，设计精准切换算法，子机锁定地标后不立即切换降落模式而是先是锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式。待子机自动精准切换到降落模式后，子机融合多源异构信息，进行精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接。至此，第二阶段的精准降落任务完成。
本发明的子母机精准对接控制方法依赖于GPS模块，基于全球定位系统导航的自动降落是目前常用的方法，但只依赖GPS引导自动降落有一定的不足。首先，不做特殊处理的GPS定位精度仅能达10m，对于地形复杂的区域，比如建筑群密集的城市，无人机很可能因为导航误差在低空进近区域坠毁；其次，GPS信号受非空气介质干扰大，在遮挡物较多的区域，比如森林，会造成误差增大甚至信号丢失；专业级高精度GPS设备成本昂贵，不具备经济实用性。采用昂贵的视觉系统引导无人机降落需要搭载高性能的机载计算机，此方案大大增加了无人机的负载，与提高无人机续航能力的目的相悖。因此本发明设计合理高效的多传感器系统，融合了GPS模块、视觉处理模块(如Openmv)、激光测距仪模块，经实验验证具备重量轻、高可靠性、高精度的特点。
本发明实施例设计的动态位置控制器如图2所示，实时位置由传统的静态点变为被逼近者自动更新的实时位置。本发明中子机降落平台区别于传统静止降落平台，传输给母机静态降落坐标进行返航的位置控制方法不适用于本发明（以母机飞向子机的场景为例）。本发明中子机在空中作业位置实时变化，若仍采用传统位置控制器引导母机，母机以固定的航线飞向子机，则与位置实时变化的子机存在撞机的可能性，且母机携带大容量Li电池，相撞会导致空中爆炸带来极大的危害。针对此问题本发明中母机逼近子机采用动态位置控制器，子机将位置信息通过Mavlink协议传输给地面控制站，开发地面控制站实现当母机切换到自动模式时地面控制站以400HZ频率将子机位置信息传给母机，具体控制算法采用串级PID控制算法。并且针对本发明特定场景对位置控制中速度控制进行设计：
首先母机期望速度是由子机实时位置
与母机实际位置
做差乘以
比例系数
得到的，如下公式：
得到的期望速度vel_sp做以下设计：
当子机以速度vel_zi运动，且子母机距离大于安全距离阈值
时母机的速度
不得低于子机速度，当子母机间距离小于安全距离阈值
时为保证安全，设置母机速度
为安全速度
；公式表示为：
其中，vel_zi为子机的速度，
为飞机速度放大参数，取值范围（1,2]，如取值
1.5，
为子母机安全距离阈值，取值范围[3,6]，如5m，
为飞机安全速度阈值，取
值范围（0，5]，如4m/s。d为子母间距离
子母机空中对接控制区别于单机控制，需要子母机之间进行通信、联动。本发明实施例中第一阶段子母机间的通信模块选择双通信链路数传。通信模块包含一个地面端与两个空中端，地面端数传使用单独电源供电，空中端数传与飞控直连部署在无人机上。对数传进行开发、调试，实现一个地面控制站同时监视、控制两架无人机。
地面控制站区别于传统单无人机控制，本发明需要同时监视子母机，基于双链路通信开发专用地面控制站，可通过简易操作界面对子母机进行控制，简易操作界面可直观实时显示子母机的相对位置，实现一键起飞、模式设置、降落、位置控制等功能。子母机对接第一阶段，在地面控制站设置子机进入定点悬停模式，若此时子机高度低于50m先将子机升至50m高度，母机切到自动模式，设置母机飞行高度低于子机10m，母机便自动飞行至子机上方。
子母机完成第一阶段远距离逼近后实施第二阶段的精准降落，第二阶段的精准降落传感器选用重量轻、处理能力强、成本低的Openmv视觉处理模块。标识物选择Apriltag族，Apriltag有6个族，每个族包含的校验信息量不同，使得Openmv识别时识别距离与准确率成负相关。为提高空中对接的准确率以及安全性，选择包含校验信息更丰富的6*6个方块TAG36H11标识物。
本发明设计的精准切换流程如图3所示。精准切换在子机悬停于母机上方完成第一阶段对接后触发，捕获地标后先自动切入到精准悬停模式，待捕获次数超过20次便切入精准降落模式。精准悬停模式基于Openmv开发，其逻辑为，Openmv将Apriltag坐标位置实时传给飞控，引导无人机跟踪标识物，保持高度不变精准悬停于地标之上。大大提高了母机位置动态变化情况下的精准降落成功率。
本发明设计的第二降落阶段的多源异构信息融合算法区别于Openmv常规定位方法，为提高Openmv数据传输速度、高度信息的可靠性，本发明使用Openmv获取水平位置信息，使用激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机进行精准降落，本发明设计的精准悬停模式基于此处水平和高度信息的获取。具体过程如下：
首先设计Openmv程序，目的是为了通过串口通信将Openmv获取的数据传输给飞控。在代码中指定可识别的Apriltag为Apriltag 36H11 ID0，指定特定标识物的目的是为了适应本发明提高Openmv计算速度。设计串口通信，指定串口3，波特率设为115200，uart=(3,115200)，设计数据发送函数，帧头为16进制，发送数据为Apriltag相对镜头坐标。
其次，由于本发明所使用的Openmv在飞控固件中无相应的驱动，所以手动从底层加入本发明所使用Openmv的驱动。在library目录下创建Ap_Openmv文件，包含AP_Openmv.h与AP_Openmv.pp文件，代码实现主要逻辑为查找飞控哪个串口连接了Openmv，找到后打开串口，串口波特率设为115200，然后设计接收、解析数据函数；在串口管理处添加Openmv枚举变量，注意此处设置的波特率及Openmv枚举变量号，在下文具体实施配置参数时要与之对应；为使所编写代码可与整个APM架构编译时相衔接，在ArduCopter/wscript路径下加入“AP_Openmv”；最后在在顶层设计调用此驱动，设计调用频率为400HZ。此处设计的参数对应下文验证过程中的配置项目。在Openmv传递位置信息时，由于坐标系的不同以及无人机姿态变化引起标志物在镜头下的偏差，对传入的坐标信息做以下处理：
摄像头实际成像过程可用针孔成像模型来描述。o-xyz为摄像头坐标系，单位为毫
米(mm)，摄像头中心(光心)o为坐标系原点，oz轴为摄像头光轴，垂直于成像平面，ox轴和oy
轴为平行于图像物理坐标系的两条垂边，线段
长度为摄像头焦距f，单位为毫米(mm)。
oc-xcyc为与图像像素坐标系共平面的一个二维图像物理坐标系，单位为毫米(mm)，光轴与
图像平面的交点oc为坐标系原点，理论上原点oc为图像平面中心点，但由于受到制造工艺以
及镜头的物理光学偏差的影响，往往会与图像平面中心存在一定偏移，为便于分析，暂且忽
略这两个外在因素的影响。假设地标在摄像头坐标系中的坐标为Q(x, y, z)，其中z值代表
点Q与点O的竖直距离，该值的绝对值也为无人机对地高度；点Q在图像物理坐标系中的坐标
为
。由针孔成像模型中的三角形相似可得到摄像头坐标系与图像物理坐标
系的转换关系为：
为估计出无人机的相对位置，还需将图像物理坐标系中的点
变换到像素坐标
系中，得到其像素坐标
，然后由地标像素坐标与图像中心点像素坐标的偏差解
算得到无人机的位置偏移量，完成无人机相对位置估计。像素坐标系oi-uv，图像平面的左
上顶点为坐标系原点
，单位为像素(Pixel)，
轴与
轴分别平行于图像宽度和高
度方向。
表示图像中心点像素坐标与图像原点像素坐标在横向和纵向上的像素数
差值，通常为摄像头分辨率的一半。图像物理坐标系与像素坐标系的转换关系如下：
式中，α、β为尺度因子，代表物理距离对应的像素点数，单位为像素/毫米(Pixel/mm)。可得到无人机相对于地标的位置偏移量为：
式中，x、y为地标在水平航向坐标系下的横、纵坐标，也为无人机相对于地标在横滚、俯仰轴方向上的位置偏移量，距离z值采用激光测距仪的测距数据，以改善由于Openmv测距不准带来的误差。由于无人机姿态的变化，且Openmv是固连在飞机上，如无人机在仰头情况下，地标在机体坐标系下的位置会有误差，再进一步坐标转换使用飞控含有的旋转矩阵将机体坐标系下的位置转换为NED（北东地）坐标系下的位置。当xned、yned均为零时，表明无人机正处于地标正上方，此时地标的像素坐标为图像中心点坐标；当xned或yned不为零，表明无人机不位于地标正上方，视觉位置控制器通过调整飞行姿态来实现位置运动，让xned和yned的值逐渐趋向于零，使其能飞行到地标正上方。
本发明使用激光测距仪获得高度信息后传入高度控制器，本发明高度控制与传统返回地面平台充电桩的最大区别为激光测距仪需要测量子机到母机的高度，母机悬停空中，若子机携带激光测距仪测到了地面，则高度信息会出现断崖式变化，导致子母机撞击。为克服此隐患，在高度控制中加入容错机制，激光测距仪获取高度信息后存入设置的缓存器中，每一次调用缓存器中的数据时都与上一时刻高度信息进行对比当差值小于设定0.25m时才允许传入控制器，若差值大于0.25m无人机自主切到定高模式。本设计在高度控制器中速度控制加入限幅：
其中，V为无人机下降速度，Vsp为无人机期望速度，d为子机测得的子母间距离，d max 为第二下降阶段安全距离，取值(0.8,1.5)，如1m，V max 为降落限幅速度，取值[10,20)，如10m/s，V cu 为子机当前速度，V d-min 为降落安全速度，取值(1,5)，如3m/s。阈值0.25m计算过程为，本发明设计调用激光测距仪信息频率为400Hz，无人机下降过程最大速度为10m/s，400Hz下理论最大下降距离为0.025m，考虑到传感器精度以及实际安全阈设置容错阈值为0.25m。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制系统，包括：子机、母机以及地面控制站；地面控制站分别与子机、母机通信，将从子机/母机收到的GPS位置信息转发给母机/子机；母机/子机设有第一阶段对接控制模块，用于以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；子机设有第二阶段对接控制模块，用于在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，包括：先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接。各模块具体的实施细节参考上述控制方法的实施例，此处不再赘述。
此外，为了减轻子机降落时下洗气流、着陆面积、重量对母机产生的影响，本发明还针对子母机的配置、对接平台做了特别设计，具体如下：
本发明实施例中四旋翼采用X型结构，所设计的对接平台在母机四侧延申10cm，本发明精准降落最大误差为20cm，为保证子母机安全对接，设计子机最大着陆长度与对接平台长度比为1：2；公式表示为：
其中，Xzi为子机轴距，Xmu为母机轴距。根据任务子机机型确定母机机型，本例中任务子机轴距为350mm，解算母机轴距为665mm，结合常规的机架选项选择650轴距机型。
子母四旋翼无人机均选用定桨距螺旋桨，经流体力学仿真，螺旋桨由上部吸入相对发散稀疏的气流，下部吹出密集力度较大的快速气流。对螺旋桨进行建模：
其中，L为螺旋桨拉力（单位N）；W为螺旋桨来流速度，主要由螺旋桨旋转产生的径
向速度和外来速度V组成，N为螺旋桨转速，
为经验常值，Dp代表螺旋桨直径为常值；S sa 为
螺旋桨面积；C t 为无量纲的拉力系数常值，ρ（单位kg/m3）为飞行环境空气密度，
表示标
准大气密度为常值，Pa为大气压强默认为常值，Tt为温度，默认为常值。若采用实体对接平
台，子机下洗气流对母机产生较大压力，母机要想保持悬停状态必须增大转速，提高拉力使
得螺旋桨产生的拉力等于母机自重与下洗气流产生的压力和，减少了母机续航时间，且实
体对接平台重量大增大了母机自重。针对螺旋桨此特性，为减少子机下洗气流对母机的压
力并充分利用下洗气流，设计对接平台，所设计对接平台为栅格平台，栅格孔垂直机身，供
子机下洗气流完整通过，平台经四根空心支架与母机机身连接，充电板为200g。增加对接平
台后在有子机下洗气流的环境下对母机螺旋桨重新建模：
其中，
为子机高速下洗气流增强的母机入流速度，由于母机处于悬停状态，且子
机下洗气流大部分从栅格孔溜走，忽略下洗气流对母机的压力，此时拉力L为母机机身重
力。由公式可得，当拉力一定，外来入流速度增大时，要想保证稳定此时螺旋桨转速变小。转
速变小导致转矩变小，由电机模型得等效电流
（M为转矩，CM为常值，）变小，等
效电流变小引起输入电流
（
为常值）变小，根据电池模型悬停时间与输入电
流成反比定理得，携带栅格对接平台相比于携带同等大小实体对接平台母机悬停时间变
长。利用所述栅格平台具有以下优点：大部分气流从栅格间流走，可以减少下洗气流对母机
的压力；减轻子机降落时的地效，很大程度上提高了降落的安全性；母机吸入大量子机下洗
气流，提高了效率进而提高母机续航时间；栅格状平台大大减轻了平台带来的自重。
结合上述分析，本发明实施例精准对接系统配置如图4所示，其中1为650轴距母机；2为搭载在母机上中间为实体充电板周围为栅格的对接平台，充电板与母机电池直连；3为搭载在子机下方的受电板，重量为100g，受电板与子机电池直连；4为轴距350子机。子机机架选择350mm轴距四旋翼机架，电池为锂聚合物动力电芯，容量为2200MAh，电压为7.4V，持续放电倍率为20C，尺寸（mm）为106*34*17，重量约为110g；母机机架选择650mm轴距四旋翼机架，电池为锂聚合物动力电芯，容量为10000MAh，电压为22.2V，持续放电倍率为25C，尺寸（mm）为60*60*166，重量约为1215g。
下面主要从实验前飞行器软/硬件设置、平台地面验证、第一飞行阶段、第二飞行阶段五个阶段对本发明技术方案进行可行性分析与验证。
实验前需对子机进行软、硬件设置，子机配置Openmv、激光测距仪、GPS模块，母机仅配置GPS模块。首先，Openmv与飞控pixhawk的硬件连接。Openmv与pixhwak需要连接三根线，两根电源线，一根通讯线，采用串口通信，连接飞控TELEM1（或TELEM2）口，具体连接示意图如图5所示。本发明中Openmv仅充当与降落位置有关信息的传输，即通过串口通信将数据传回飞控，因此通讯线只连接Openmv P4口与飞控RX口即可。Openmv固定时为确保稳定性，根据Openmv尺寸与飞机搭载板尺寸，设计固定件，使用3D打印机进行打印。本发明考虑到Openmv测距时存在误差大、不稳定的缺点以及为了提高Openmv处理速度保证可以跟踪上飞控位置控制器的刷新率，Openmv仅作为相对坐标获取模块，另添加激光测距仪传感器作为测距模块，最终对两传感器信息进行融合传给飞控进行精准降落。软件参数设置主要在地面控制站进行操作，若Openmv与飞控的TELEM1相连接，则将SERIAL1_BAUD设置为115(115200),若使用TELEM2，则将SERIAL2_BAUD设置为115(115200)，此参数为串口波特率的设置，与上文Openmv驱动设计程序所设计波特率相对应，具体如下表：
表1 参数设置
子机软、硬件设置完毕，进行平台地面调试工作，确保传感器与飞控间信息流的有效性与流畅性。首先确保传感器保持正常工作状态，对Openmv进行单独供电，打开IDE进行配置，修改代码打印输出相对坐标，使用Openmv扫描Apriltag 36H11查看输出信息如图7所示。为将子机飞行过程中是否搜索到地标可视化，在程序中加入LED灯逻辑，当识别到地标时亮绿灯，失去地标时亮红灯，如图8所示。其次进行Openmv与飞控间信息流地面调试，打开地面控制站打开Mavlink信息流监视器，查看Openmv是否将位置信息传给飞控。
采用双链路通信数传的第一飞行阶段基于GPS信息进行实施。为保证通信安全，提高飞行安全性，数传通信协议选择TCP协议，数传连接飞控serial2口，在地面控制站将SERIAL2_BAUD参数修改为115，通过TCP协议连接飞机时波特率保持一致选择115200，部署图如图6所示，具体实施步骤如下：
第一步：路由器连接开发主机，子母机、双链路数传地面端通电。
第二步：打开地面控制站，通过TCP协议连接母机，端口地址为192.168.1.12，远程端口编号为5760。
第三步：右击功能窗口，选择connection options，连接子机，端口号为5762。
第四步：操作界面母机切到航线模式，母机采用动态位置控制器实时接收子机的位置，飞至子机下方。
第二飞行阶段基于Openmv、激光测距仪、GPS进行实施，具体控制流程如图7所示。以A4纸打印Apriltag 36H11 ID：0贴于对接平台进行实验，第二飞行阶段，具体实施步骤如下：
第一步：配置飞行模式，两个挡位依次为自稳模式（Stabilize）、定点模式（Loiter）。
第二步：子机在定点模式下起飞，飞行至悬停状态的母机上方，等待无人机搜索地标。
第三步：待无人机锁定标识物，采用精准切换算法，自动切到精准悬停模式，待锁定次数超过20次后，无人机融合多源异构信息进行精准降落。实验结果如图8所示。
Claims (9)
1.一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，其特征在于，包括：
子机/母机将GPS位置信息发送至地面控制站，地面控制站将子机/母机的动态位置转发给母机/子机；母机/子机以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；
子机在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，包括：先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接；
其中，激光测距仪获取高度信息后存入设置的缓存器中，每一次调用缓存器中的数据时都与上一时刻高度信息进行对比，当差值小于设定容错阈值时才允许传入高度控制器，否则子机自主切到定高模式；高度控制器中速度控制加入限幅：
其中，V为无人机下降速度，Vsp为无人机期望速度，d为子机测得的子母间距离，d max 为第二下降阶段安全距离，取值(0.8,1.5)，V max 为降落限幅速度，取值[10,20)，V cu 为子机当前速度，V d-min 为降落安全速度，取值(1,5)，速度单位为m/s，距离单位为m。
2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，其特征在于，所述动态位置控制器以输入的动态位置作为期望位置采用串级PID控制算法，其中子机/母机期望速度首先由母机/子机实时位置与子机/母机实际位置做差乘以比例系数得到vel_sp，再结合子母机间水平距离d确定：
其中，vel_zi为子机/母机的速度，
为飞机速度放大参数，取值范围(1,2]，
为
子母机安全距离阈值，取值范围[3,6]，单位为m，
为飞机安全速度阈值，取值范围(0,
5]，单位为m/s。
3.根据权利要求1所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，其特征在于，地标采用Apriltag，在子机位于母机上方后，通过子机搭载的视觉处理模块Openmv识别Apriltag，将Apriltag坐标位置实时传给飞控，引导子机跟踪地标，保持高度不变精准悬停于地标之上。
4.根据权利要求1所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，其特征在于，子机通过搭载的视觉处理模块Openmv识别地标，在Openmv传递位置信息时，水平位置控制器根据如下公式确定无人机相对于地标的位置偏移量：
其中，x、y为无人机相对于地标在横滚、俯仰轴方向上的位置偏移量，z为竖直距离，采
用激光测距仪的测距数据，f为摄像头焦距，(u,v)为地标在像素坐标系中的坐标，
表示图像中心点像素坐标与图像原点像素坐标在横向和纵向上的像素数差值，α、β为尺度因子，代表物理距离对应的像素点数；
将机体坐标系下的位置转换为北东地NED坐标系下的位置后判断，当xned、yned均为零时，表明子机正处于地标正上方，此时地标的像素坐标为图像中心点坐标；当xned或yned不为零时，表明无人机不位于地标正上方，通过调整飞行姿态来实现位置运动，让xned和yned的值逐渐趋向于零。
5.根据权利要求1所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，其特征在于，容错阈值根据调用激光测距仪信息的频率和子机下降过程的最大速度确定。
6.根据权利要求1所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，其特征在于，子机上配置有LED灯，将子机飞行过程中是否搜索到地标可视化。
7.一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制系统，其特征在于，包括：子机、母机以及地面控制站；所述地面控制站分别与子机、母机通信，将从子机/母机收到的GPS位置信息转发给母机/子机；
母机/子机设有第一阶段对接控制模块，用于以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；
子机设有第二阶段对接控制模块，用于在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，包括：先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接；
其中，激光测距仪获取高度信息后存入设置的缓存器中，每一次调用缓存器中的数据时都与上一时刻高度信息进行对比，当差值小于设定容错阈值时才允许传入高度控制器，否则子机自主切到定高模式；高度控制器中速度控制加入限幅：
其中，V为无人机下降速度，Vsp为无人机期望速度，d为子机测得的子母间距离，d max 为第二下降阶段安全距离，取值(0.8,1.5)，V max 为降落限幅速度，取值[10,20)，V cu 为子机当前速度，V d-min 为降落安全速度，取值(1,5)，速度单位为m/s，距离单位为m。
8.根据权利要求7所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制系统，其特征在于，四旋翼无人机采用X型结构，母机上方设置对接平台，对接平台在母机四侧延伸，子机最大着陆长度与对接平台长度比为1：2。
9.根据权利要求8所述的四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制系统，其特征在于，所述对接平台经四根空心支架与母机机身连接，中间为充电板，周围为栅格平台，栅格孔垂直机身，供子机下洗气流完整通过。
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