CN114056555B - 一种无gps/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及控制方法 - Google Patents

一种无gps/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于多旋翼平台技术领域，具体涉及一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及控制方法，该平台包括：旋翼平台、系留缆、地面装置、升降定位装置、载荷；升降定位装置包括：光电定位组件、超声波定位组件；光电定位组件包括定位光源阵列、定位相机；超声波定位组件包括超声波发射源、超声波接收单元；本发明采用光电和超声波定位相结合的方式实现位置测量，解决了GPS或北斗信号受到干扰时，系留式旋翼平台的定点起降控制问题。旋翼平台高度上升时，同时获得视频处理单元计算的旋翼平台定位数据、超声波定位计算单元计算的旋翼平台定位数据，完成校准，实现旋翼平台起降过程中旋翼平台位置数据在光电定位和超声波定位数据之间的平滑切换。

Description

一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及控制方法
技术领域
本发明属于多旋翼平台技术领域，主要涉及一种系留式旋翼定点起降平台，具体涉及一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及控制方法。
背景技术
现代战争中，战场态势瞬息万变，机会稍纵即逝，能否实时有效地获取敌方目标、己方兵力布局等战场态势情报信息已经是克敌制胜的关键。
系留式旋翼平台通过系留线缆由地面持续供电，利用电动旋翼获取升力，在气动力作用下上升并停留到一定高度，可搭载光电观瞄侦察系统、通信中继设备等，对目标进行侦察监视或者通信中继。作为获取远距离战场态势情报信息的重要装备，系留式旋翼平台克服了桅杆的高度不足、旋翼飞行器飞行时间短的缺点，其既具备定点起降、跟随载车机动飞行、快速展开和收放等功能，又能长时间不间断的对重要地域、空域进行持续侦察监视。
在通常环境下，系留式旋翼平台的定位采用GPS或北斗技术，实现定点位置的自动起降或者跟随飞行。但是，在环境恶劣的情况下，GPS或北斗系统收到干扰后无法工作，系统需要新的定位手段，以控制旋翼定点起降或跟随飞行。
目前，通过现有的渠道查询还未发现不采用GPS或者北斗技术的系留式旋翼自动定点起降平台的相关专利及论文。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：由于外部干扰、特殊地理地形等原因，系留式旋翼平台无法接收GPS或者北斗系统的定位信号，即无法实现自主定点起降或跟踪飞行等功能。针对该问题，如何提供一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及控制方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台，所述自动定点起降平台包括：旋翼平台01、系留缆02、地面装置03、升降定位装置、载荷05；
其中，所述地面装置03中包括：收放装置031、信息处理控制装置033、支撑平台034；所述信息处理控制装置033包括：下部光端机0331、升降控制单元0332、视频处理单元0333、超声波定位计算单元0334；
所述升降定位装置包括：光电定位组件、超声波定位组件；
所述光电定位组件包括定位光源阵列、定位相机0412；所述定位光源阵列安装在旋翼平台01上，定位相机0412设置在收放装置031上部，垂直向上放置，获取定位光源阵列的视频图像，由视频处理单元0333处理后得到旋翼平台01的位置数据和旋转角度，从而实现较高位置时旋翼平台01的起降控制；
所述超声波定位组件包括超声波发射源0421、超声波接收单元；其中，所述超声波发射源0421安装于旋翼平台01上，其发射空间近似半球状；所述超声波接收单元由多个超声波接收器组成，位于支撑平台034上，用于接收超声波发射源0421发出的超声波，由超声波定位计算单元0334计算旋翼平台位置和高度，实现较低位置时旋翼平台的起降控制。
其中，所述定位光源阵列由四个近红外光源点阵，即第一近红外光源点阵04111、第二近红外光源点阵04112、第三近红外光源点阵04113、第四近红外光源点阵04114组成，安装于旋翼机体011上，构成等腰梯形，且等腰梯形对角线的交点与旋翼平台01的旋翼机体011的中心重合，且等腰梯形对角线的交点到梯形短边中点的连线与旋翼平台的航向一致；四个近红外光源点阵由旋翼平台01中的上部电源装置017供电，且亮度由升降控制单元0332电控调节。
其中，所述定位相机0412包括连续变倍光学系统04121、近红外成像探测器04122；其中，所述连续变倍光学系统04121内部包括窄带滤光片041211、可变光阑041212、光学透镜组件；其中，窄带滤光片041211的波段与近红外光源的波段一致；可变光阑041212可通过电路控制调节大小；光学透镜组件包括前固定组0412131、变倍组0412132、补偿组0412133、后固定组0412134、调焦组0412135。
其中，所述视频处理单元0333通过视频接口接收定位相机0412的视频，通过串行通信口控制定位相机0412的变倍、调焦、调节光阑、调整曝光时间及四个近红外光源点阵的亮度，以控制四个近红外光源点阵全部在定位相机0412中成像且成像接近饱和。
其中，在光电定位组件工作过程中，
以近红外成像探测器04122的靶面中心为原点建立摄像机坐标系，视频处理单元0333通过采用相应图像处理算法，自动解算在视频图像中四个近红外光源点阵的坐标(xn，yn，0),n值为1、2、3、4，计算在视频图像中相隔的第一近红外光源点阵04111和第三近红外光源点阵04113、第二近红外光源点阵04112和第四近红外光源点阵04114的连线交点坐标(x中，y中，0)，即是旋翼机体011中心在视频图像中的位置坐标为(x中，y中，0)，该位置坐标为(x中，y中，0)为旋翼平台01在摄像机坐标系的位置，控制该坐标值不变就可实现旋翼平台01始终位于定点位置上方；
解算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中的位置连线的直线方程，找到平行的两条连线，计算较短连线的中点坐标xM，yM，0，解算旋翼机体011中心在视频图像中的成像位置与上述短连线的中点间连线的直线方程，计算上述直线在近红外成像探测器04122坐标系中与X轴之间的夹角θ，该夹角θ为旋翼平台01绕Z轴的旋转角度，控制该角度值即可实现旋翼平台01相对于支撑平台034的航向角度；
计算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中成像位置的像素差：其中(Xm，Ym，0)为在视频图像中相邻近红外光源点阵的坐标差，m为1、2、3、4；
计算相邻的近红外光源点阵之间在视频图像中成像位置的距离Lm＝Pm×u，u为近红外成像探测器04122的像元尺寸；
计算旋翼机体011相对于近红外成像探测器04122的高度
其中f为定位相机0412的光学系统焦距，am为Lm对应的四个近红外光源点阵之间相邻近红外光源点阵间的实际距离，m为1、2、3、4，旋翼机体011相对于近红外成像探测器04122的高度H再减去近红外成像探测器04122与支撑平台034的距离差b，即得到旋翼机体011相对于支撑平台034的高度Hp，控制高度值Hp即可实现旋翼平台的飞行高度控制。
其中，所述超声波发射源0421由多个超声波发射器组成，安装于载荷05的下方中心位置，分布于旋翼平台01的系留缆连接装置018的周围，将发射空间拼接成近似半球状；
所述超声波接收单元由五个超声波接收器，即第一超声波接收器04221、第二超声波接收器04222、第三超声波接收器04223、第四超声波接收器04224、第五超声波接收器04225组成，安装于支撑平台034上；
其中，第五超声波接收器04225位于支撑平台034的中心，另外四个超声波接收器以正方形排列，正方形的中心与支撑平台034的中心重合。
其中，所述超声波定位计算单元0334通过下部光端机0331、系留缆02中的光纤022、旋翼平台01中的上部光端机016传输控制指令，控制超声波发射源0421的每个超声波发射器同时发射相同波段、相同编码的超声波信号，接收、处理五个超声波接收器的信号，分别计算从超声波发射源0421发出超声波到五个超声波接收器接收到超声波的时间间隔Tn,n为1、2、3、4、5，依据声波传播速度，分别计算五个超声波接收器到超声波发射源0421的距离Dn,n为1、2、3、4、5；
以支撑平台034的中心为原点建立支撑平台坐标系，且各个坐标轴与上述摄像机坐标系的各轴平行；依据五个超声波接收器的位置坐标，解算超声波发射源0421的坐标x声，y声，z声，该坐标作为超声波定位组件的输出数据，z声为旋翼平台01相对于支撑平台034的高度。
其中，所述系留式旋翼平台自动定点起降平台校准时，选取光电定位组件、超声波定位组件均能获取旋翼平台位置数据的高度z校，在超声波定位组件输出的超声波发射源0421的三维坐标为(0,0,z校)，记录光电定位组件输出的相隔近红外光源点阵的连线交点坐标(x校，y校，z校)，作为光电定位组件相对于超声波定位组件的定位零位误差，实现升降控制单元0332的定位数据源在光电定位组件、超声波定位组件之间的切换。
其中，所述升降定位装置实时测量旋翼平台01的位置、高度信息，反馈到升降控制单元0332，控制旋翼平台01在前后、左右、上下三个方向上移动，实现系留式旋翼平台的自动定点起降。
此外，本发明还提供一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降控制方法，所述方法基于所述权利要求8所述的系留式旋翼自动定点起降平台来实施，所述方法包括如下步骤：
步骤1：系留式旋翼自动定点起降平台开机、上电自检完成；
步骤2：升降控制单元0332接收到起飞指令后，旋翼平台01启动并且匀速上升；
步骤3：升降控制单元0332选用超声波定位组件的输出作为旋翼平台01的位置数据；
步骤4：待旋翼平台01高度上升到z校时，升降控制单元0332自动切换到光电定位组件的输出作为旋翼平台01的位置数据；
步骤5：上述旋翼平台01的位置数据经升降控制单元0332处理后，通过下部光端机0331、光纤022、上部光端机016送入旋翼平台飞行控制计算机，实现控制上述坐标值x声、y声为零，或者控制上述位置坐标x中－x校为零、y中－y校为零、上述夹角θ为零；
步骤6：待旋翼平台01高度上升到设定高度后，旋翼平台01悬停。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明的无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台及其控制方法采用光电定位和超声波定位相结合的方式实现系留式旋翼平台的位置测量，解决了GPS或北斗信号受到干扰时，系留式旋翼平台的定点起降控制问题。
(2)本发明中，光电定位组件包括定位光源阵列、定位相机，定位光源阵列采用近红外光源，安装在旋翼平台上且构成特定形状，定位相机垂直向上放置，获取定位光源阵列的图像，采用窄带滤光片提高信噪比，由视频处理单元处理后得到旋翼平台的位置数据和旋转角度，从而实现较高位置时旋翼平台的位置测量。
(3)本发明中，超声波定位组件包括超声波发射源、超声波接收单元，超声波发射源安装于旋翼平台上，其发射空间近似半球状。超声波接收单元由多个超声波接收器组成，位于起降平台上部，接收超声波发射源发出的超声波，由超声波定位计算单元计算旋翼平台位置和高度，实现较低位置时旋翼平台的位置测量。
(4)本发明中，旋翼平台的高度上升到某数值时，升降控制单元可同时获得视频处理单元计算的旋翼平台定位数据、超声波定位计算单元计算的旋翼平台定位数据，由升降控制单元完成校准，实现旋翼平台起降过程中旋翼平台位置数据在光电定位和超声波定位数据之间的平滑切换。
附图说明
图1是系统组成示意图。
图2是系留缆截面示意图。
图3是地面装置组成示意图。
图4是光电定位组件示意图。
图5是定位相机组成示意图。
图6是光电定位解算坐标。
图7是自动定点起降的控制原理框图。
图8是自动定点起降的控制流程框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台，如图1-图8所示，所述自动定点起降平台包括：旋翼平台01、系留缆02、地面装置03、升降定位装置、载荷05；
其中，所述地面装置03中包括：收放装置031、信息处理控制装置033、支撑平台034；所述信息处理控制装置033包括：下部光端机0331、升降控制单元0332、视频处理单元0333、超声波定位计算单元0334；
所述升降定位装置包括：光电定位组件、超声波定位组件；
所述光电定位组件包括定位光源阵列、定位相机0412；所述定位光源阵列安装在旋翼平台01上，定位相机0412设置在收放装置031上部，垂直向上放置，获取定位光源阵列的视频图像，由视频处理单元0333处理后得到旋翼平台01的位置数据和旋转角度，从而实现较高位置时旋翼平台01的起降控制；
所述超声波定位组件包括超声波发射源0421、超声波接收单元；其中，所述超声波发射源0421安装于旋翼平台01上，其发射空间近似半球状；所述超声波接收单元由多个超声波接收器组成，位于支撑平台034上，用于接收超声波发射源0421发出的超声波，由超声波定位计算单元0334计算旋翼平台位置和高度，实现较低位置时旋翼平台的起降控制。
其中，所述定位光源阵列由四个近红外光源点阵，即第一近红外光源点阵04111、第二近红外光源点阵04112、第三近红外光源点阵04113、第四近红外光源点阵04114组成，安装于旋翼机体011上，构成等腰梯形，且等腰梯形对角线的交点与旋翼平台01的旋翼机体011的中心重合，且等腰梯形对角线的交点到梯形短边中点的连线与旋翼平台的航向一致；四个近红外光源点阵由旋翼平台01中的上部电源装置017供电，且亮度由升降控制单元0332电控调节。
其中，所述定位相机0412包括连续变倍光学系统04121、近红外成像探测器04122；其中，所述连续变倍光学系统04121内部包括窄带滤光片041211、可变光阑041212、光学透镜组件；其中，窄带滤光片041211的波段与近红外光源的波段一致；可变光阑041212可通过电路控制调节大小；光学透镜组件包括前固定组0412131、变倍组0412132、补偿组0412133、后固定组0412134、调焦组0412135。
其中，所述视频处理单元0333通过视频接口接收定位相机0412的视频，通过串行通信口控制定位相机0412的变倍、调焦、调节光阑、调整曝光时间及四个近红外光源点阵的亮度，以控制四个近红外光源点阵全部在定位相机0412中成像且成像接近饱和。
其中，在光电定位组件工作过程中，
以近红外成像探测器04122的靶面中心为原点建立摄像机坐标系，视频处理单元0333通过采用相应图像处理算法，自动解算在视频图像中四个近红外光源点阵的坐标(xn，yn，0),n值为1、2、3、4，计算在视频图像中相隔的第一近红外光源点阵04111和第三近红外光源点阵04113、第二近红外光源点阵04112和第四近红外光源点阵04114的连线交点坐标(x中，y中，0)，即是旋翼机体011中心在视频图像中的位置坐标为(x中，y中，0)，该位置坐标为(x中，y中，0)为旋翼平台01在摄像机坐标系的位置，控制该坐标值不变就可实现旋翼平台01始终位于定点位置上方；
解算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中的位置连线的直线方程，找到平行的两条连线，计算较短连线的中点坐标xM，yM，0，解算旋翼机体011中心在视频图像中的成像位置与上述短连线的中点间连线的直线方程，计算上述直线在近红外成像探测器04122坐标系中与X轴之间的夹角θ，该夹角θ为旋翼平台01绕Z轴的旋转角度，控制该角度值即可实现旋翼平台01相对于支撑平台034的航向角度；
计算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中成像位置的像素差：其中(Xm，Ym，0)为在视频图像中相邻近红外光源点阵的坐标差，m为1、2、3、4；
计算相邻的近红外光源点阵之间在视频图像中成像位置的距离Lm＝Pm×u，u为近红外成像探测器04122的像元尺寸；
计算旋翼机体011相对于近红外成像探测器04122的高度
其中f为定位相机0412的光学系统焦距，am为Lm对应的四个近红外光源点阵之间相邻近红外光源点阵间的实际距离，m为1、2、3、4，旋翼机体011相对于近红外成像探测器04122的高度H再减去近红外成像探测器04122与支撑平台034的距离差b，即得到旋翼机体011相对于支撑平台034的高度Hp，控制高度值Hp即可实现旋翼平台的飞行高度控制。
其中，所述超声波发射源0421由多个超声波发射器组成，安装于载荷05的下方中心位置，分布于旋翼平台01的系留缆连接装置018的周围，将发射空间拼接成近似半球状；
所述超声波接收单元由五个超声波接收器，即第一超声波接收器04221、第二超声波接收器04222、第三超声波接收器04223、第四超声波接收器04224、第五超声波接收器04225组成，安装于支撑平台034上；
其中，第五超声波接收器04225位于支撑平台034的中心，另外四个超声波接收器以正方形排列，正方形的中心与支撑平台034的中心重合。
其中，所述超声波定位计算单元0334通过下部光端机0331、系留缆02中的光纤022、旋翼平台01中的上部光端机016传输控制指令，控制超声波发射源0421的每个超声波发射器同时发射相同波段、相同编码的超声波信号，接收、处理五个超声波接收器的信号，分别计算从超声波发射源0421发出超声波到五个超声波接收器接收到超声波的时间间隔Tn,n为1、2、3、4、5，依据声波传播速度，分别计算五个超声波接收器到超声波发射源0421的距离Dn,n为1、2、3、4、5；
以支撑平台034的中心为原点建立支撑平台坐标系，且各个坐标轴与上述摄像机坐标系的各轴平行；依据五个超声波接收器的位置坐标，解算超声波发射源0421的坐标x声，y声，z声，该坐标作为超声波定位组件的输出数据，z声为旋翼平台01相对于支撑平台034的高度。
其中，所述系留式旋翼平台自动定点起降平台校准时，选取光电定位组件、超声波定位组件均能获取旋翼平台位置数据的高度z校，在超声波定位组件输出的超声波发射源0421的三维坐标为(0,0,z校)，记录光电定位组件输出的相隔近红外光源点阵的连线交点坐标(x校，y校，z校)，作为光电定位组件相对于超声波定位组件的定位零位误差，实现升降控制单元0332的定位数据源在光电定位组件、超声波定位组件之间的切换。
其中，所述升降定位装置实时测量旋翼平台01的位置、高度信息，反馈到升降控制单元0332，控制旋翼平台01在前后、左右、上下三个方向上移动，实现系留式旋翼平台的自动定点起降。
此外，本发明还提供一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降控制方法，所述方法基于所述权利要求8所述的系留式旋翼自动定点起降平台来实施，所述方法包括如下步骤：
步骤1：系留式旋翼自动定点起降平台开机、上电自检完成；
步骤2：升降控制单元0332接收到起飞指令后，旋翼平台01启动并且匀速上升；
步骤3：升降控制单元0332选用超声波定位组件的输出作为旋翼平台01的位置数据；
步骤4：待旋翼平台01高度上升到z校时，升降控制单元0332自动切换到光电定位组件的输出作为旋翼平台01的位置数据；
步骤5：上述旋翼平台01的位置数据经升降控制单元0332处理后，通过下部光端机0331、光纤022、上部光端机016送入旋翼平台飞行控制计算机，实现控制上述坐标值x声、y声为零，或者控制上述位置坐标x中－x校为零、y中－y校为零、上述夹角θ为零；
步骤6：待旋翼平台01高度上升到设定高度后，旋翼平台01悬停。
实施例1
如图1所示，本实施例的无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台的优选实施例包括：旋翼平台01、系留缆02、地面装置03、升降定位装置04、载荷05；
所述旋翼平台01包括：旋翼机体011、旋翼012、电机013、姿态测量设备014、飞行控制计算机015、上部光端机016、上部电源装置017、系留缆连接装置018、电连接器插座；
所述系留缆02包括：高压供电缆021、光纤022、加强层023、防护套024组成，如图2所示；其中，所述系留缆连接装置018实现固定电缆的功能，采用万向节结构，万向节的上部固定在旋翼机体011上，万向节下部固定系留缆02，系留缆02穿过万向节后焊接电连接器插头，电连接器插头连接到旋翼平台01的电连接器插座上；
所述地面装置03包括：收线装置031、供电装置032、信息处理控制装置033、支撑平台034；其中，收线装置031、供电装置032位于支撑平台034下面；所述信息处理控制装置033包括下部光端机0331、升降控制单元0332、视频处理单元0333、超声波定位计算单元0334，安装在支撑平台034中部空间内，如图3所示。
所述升降定位装置包括：光电定位组件、超声波定位组件；其中，所述光电定位组件包括定位光源阵列、定位相机0412，定位相机0412安装在收放装置031上部，垂直向上放置，如图4所示；
所述定位光源阵列由四个近红外光源点阵，即第一近红外光源点阵04111、第二近红外光源点阵04112、第三近红外光源点阵04113、第四近红外光源点阵04114组成，安装于旋翼机体011上，构成等腰梯形，且等腰梯形对角线的交点与旋翼机体011的中心重合，且等腰梯形对角线的交点到梯形短边中点的连线与旋翼平台的航向一致；四个近红外光源点阵由上部电源装置017供电，且亮度由升降控制单元0332电控调节；
所述定位相机0412包括连续变倍光学系统04121、近红外成像探测器04122，如图5所示，由供电装置032供电；其中，所述连续变倍光学系统04121内部包括窄带滤光片041211、可变光阑041212、光学透镜组件；其中，窄带滤光片041211的波段与近红外光源的波段一致；可变光阑041212可通过电路控制调节大小；光学透镜组件包括前固定组0412131、变倍组0412132、补偿组0412133、后固定组0412134、调焦组0412135；
所述视频处理单元0333由供电装置032供电，通过视频接口接收定位相机0412的视频，通过串行通信口控制定位相机0412的变倍、调焦、调节光阑、调整曝光时间及四个近红外光源点阵的亮度，以控制四个近红外光源点阵全部在定位相机0412中成像且成像接近饱和。
以近红外成像探测器04122的靶面中心为原点建立摄像机坐标系，如图6所示，视频处理单元0333通过采用相应图像处理算法，自动解算在视频图像中四个近红外光源点阵的坐标(xn，yn，0),n值为1、2、3、4，计算在视频图像中相隔的第一近红外光源点阵04111和第三近红外光源点阵04113、第二近红外光源点阵04112和第四近红外光源点阵04114的连线交点坐标(x中，y中，0)，即是旋翼机体011中心在视频图像中的位置坐标为(x中，y中，0)，该位置坐标为(x中，y中，0)为旋翼平台01在摄像机坐标系的位置，控制该坐标值不变就可实现旋翼平台01始终位于定点位置上方；
解算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中的位置连线的直线方程，找到平行的两条连线，计算较短连线的中点坐标(xM，yM，0)，解算旋翼机体011中心在视频图像中的成像位置与上述短连线的中点间连线的直线方程，计算上述直线在近红外成像探测器04122坐标系中与X轴之间的夹角θ，该夹角θ为旋翼平台01绕Z轴的旋转角度，控制该角度值即可实现旋翼平台01相对于支撑平台034的航向角度；
计算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中成像位置的像素差：其中(Xm，Ym，0)为在视频图像中相邻近红外光源点阵的坐标差，m为1、2、3、4；
计算相邻的近红外光源点阵之间在视频图像中成像位置的距离Lm＝Pm×u，u为近红外成像探测器04122的像元尺寸；
计算旋翼机体011相对于近红外成像探测器04122的高度
其中f为定位相机0412的光学系统焦距，am为Lm对应的四个近红外光源点阵之间相邻近红外光源点阵间的实际距离，m为1、2、3、4，旋翼机体011相对于近红外成像探测器04122的高度H再减去近红外成像探测器04122与支撑平台034的距离差b，得到旋翼机体011相对于支撑平台034的高度Hp，控制高度值Hp即可实现旋翼平台的飞行高度控制。
所述超声波定位组件包括超声波发射源0421、超声波接收单元，如图1所示；超声波发射源0421由多个超声波发射器组成，安装于载荷05的下方中心位置，分布于系留缆连接装置018的周围，将发射空间拼接成近似半球状，由上部电源装置017供电；超声波接收单元由五个超声波接收器，即第一超声波接收器04221、第二超声波接收器04222、第三超声波接收器04223、第四超声波接收器04224、第五超声波接收器04225组成，安装于支撑平台034上。其中，第五超声波接收器04225位于支撑平台034的中心，另外四个超声波接收器以正方形排列，正方形的中心与支撑平台034的中心重合，五个超声波接收器由供电装置032供电。
所述超声波定位计算单元0334由供电装置032供电，通过下部光端机0331、光纤022、上部光端机016传输控制指令，控制超声波发射源0421的每个超声波发射器同时发射相同波段、相同编码的超声波信号，接收、处理五个超声波接收器的信号，分别计算从超声波发射源0421发出超声波到五个超声波接收器接收到超声波的时间间隔Tn,n为1、2、3、4、5，依据声波传播速度，分别计算五个超声波接收器到超声波发射源0421的距离Dn,n为1、2、3、4、5。以支撑平台034的中心为原点建立支撑平台坐标系，且各个坐标轴与上述摄像机坐标系的各轴平行；依据五个超声波接收器的位置坐标，解算超声波发射源0421的坐标(x声，y声，z声)，该坐标作为超声波定位组件的输出数据，z声为旋翼平台01相对于支撑平台034的高度；
在系留式旋翼平台自动定点起降平台校准时，选取光电定位组件、超声波定位组件均能获取旋翼平台位置数据的高度z校，在超声波定位组件输出的超声波发射源0421的三维坐标为(0,0,z校)，记录光电定位组件输出的相隔近红外光源点阵的连线交点坐标(x校，y校，z校)，作为光电定位组件相对于超声波定位组件的定位零位误差，实现升降控制单元0332的定位数据源在光电定位组件、超声波定位组件之间的切换；
本发明中系留式旋翼平台自动定点起降的控制原理框图如图7所示，升降定位装置实时测量旋翼平台01的位置、高度信息，反馈到升降控制单元0332，控制旋翼平台01在前后、左右、上下三个方向上移动，实现系留式旋翼平台的自动定点起降。
本发明中系留式旋翼平台自动定点起降的控制流程框图如图8所示，系统开机、上电自检完成后，升降控制单元0332接收到起飞指令后，旋翼平台01启动并且匀速上升，升降控制单元0332选用超声波定位组件的输出作为旋翼平台01的位置数据，待旋翼平台01高度上升到z校时，升降控制单元0332自动切换到光电定位组件的输出作为旋翼平台01的位置数据。上述旋翼平台01的位置数据经升降控制单元0332处理后，通过下部光端机0331、光纤022、上部光端机016送入旋翼平台飞行控制计算机，实现控制上述坐标值x声、y声为零，或者控制上述位置坐标x中－x校为零、y中－y校为零、上述夹角θ为零；待旋翼平台01高度上升到设定高度后，旋翼平台01悬停。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台，其特征在于，所述自动定点起降平台包括：旋翼平台(01)、系留缆(02)、地面装置(03)、升降定位装置、载荷(05)；
其中，所述地面装置(03)中包括：收放装置(031)、信息处理控制装置(033)、支撑平台(034)；所述信息处理控制装置(033)包括：下部光端机(0331)、升降控制单元(0332)、视频处理单元(0333)、超声波定位计算单元(0334)；
所述升降定位装置包括：光电定位组件、超声波定位组件；
所述光电定位组件包括定位光源阵列、定位相机(0412)；所述定位光源阵列安装在旋翼平台(01)上，定位相机(0412)设置在收放装置(031)上部，垂直向上放置，获取定位光源阵列的视频图像，由视频处理单元(0333)处理后得到旋翼平台(01)的位置数据和旋转角度，从而实现较高位置时旋翼平台(01)的起降控制；
所述超声波定位组件包括超声波发射源(0421)、超声波接收单元；其中，所述超声波发射源(0421)安装于旋翼平台(01)上，其发射空间近似半球状；所述超声波接收单元由多个超声波接收器组成，位于支撑平台(034)上，用于接收超声波发射源(0421)发出的超声波，由超声波定位计算单元(0334)计算旋翼平台位置和高度，实现较低位置时旋翼平台的起降控制；
其中，所述定位光源阵列由四个近红外光源点阵，即第一近红外光源点阵(04111)、第二近红外光源点阵(04112)、第三近红外光源点阵(04113)、第四近红外光源点阵(04114)组成，安装于旋翼机体(011)上，构成等腰梯形，且等腰梯形对角线的交点与旋翼平台(01)的旋翼机体(011)的中心重合，且等腰梯形对角线的交点到梯形短边中点的连线与旋翼平台的航向一致；四个近红外光源点阵由旋翼平台(01)中的上部电源装置(017)供电，且亮度由升降控制单元(0332)电控调节；
其中，所述定位相机(0412)包括连续变倍光学系统(04121)、近红外成像探测器(04122)；其中，所述连续变倍光学系统(04121)内部包括窄带滤光片(041211)、可变光阑(041212)、光学透镜组件；其中，窄带滤光片(041211)的波段与近红外光源的波段一致；可变光阑(041212)可通过电路控制调节大小；光学透镜组件包括前固定组(0412131)、变倍组(0412132)、补偿组(0412133)、后固定组(0412134)、调焦组(0412135)；
其中，所述视频处理单元(0333)通过视频接口接收定位相机(0412)的视频，通过串行通信口控制定位相机(0412)的变倍、调焦、调节光阑、调整曝光时间及四个近红外光源点阵的亮度，以控制四个近红外光源点阵全部在定位相机(0412)中成像且成像接近饱和；
其中，在光电定位组件工作过程中，
以近红外成像探测器(04122)的靶面中心为原点建立摄像机坐标系，视频处理单元(0333)通过采用相应图像处理算法，自动解算在视频图像中四个近红外光源点阵的坐标(xn，yn，0),n值为1、2、3、4，计算在视频图像中相隔的第一近红外光源点阵(04111)和第三近红外光源点阵(04113)、第二近红外光源点阵(04112)和第四近红外光源点阵(04114)的连线交点坐标(x中，y中，0)，即是旋翼机体(011)中心在视频图像中的位置坐标为(x中，y中，0)，位置坐标(x中，y中，0)为旋翼平台(01)在摄像机坐标系的位置，控制位置坐标(x中，y中，0)不变就可实现旋翼平台(01)始终位于定点位置上方；
解算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中的位置连线的直线方程，找到平行的两条连线，计算短连线的中点坐标(xM，yM，0)，解算旋翼机体(011)中心在视频图像中的成像位置与上述短连线的中点间连线的直线方程，计算上述直线在近红外成像探测器(04122)坐标系中与X轴之间的夹角θ，该夹角θ为旋翼平台(01)绕Z轴的旋转角度，控制旋转角度即可实现旋翼平台(01)相对于支撑平台(034)的航向角度；
计算四个近红外光源点阵中，相邻近红外光源点阵在视频图像中成像位置的像素差：其中(Xm，Ym，0)为在视频图像中相邻近红外光源点阵的坐标差，m为1、2、3、4；
计算相邻的近红外光源点阵之间在视频图像中成像位置的距离Lm＝Pm×u，u为近红外成像探测器(04122)的像元尺寸；
计算旋翼机体(011)相对于近红外成像探测器(04122)的高度
其中f为定位相机(0412)的光学系统焦距，am为Lm对应的四个近红外光源点阵之间相邻近红外光源点阵间的实际距离，m为1、2、3、4，旋翼机体(011)相对于近红外成像探测器(04122)的高度H再减去近红外成像探测器(04122)与支撑平台(034)的距离差b，即得到旋翼机体(011)相对于支撑平台(034)的高度Hp，控制高度值Hp即可实现旋翼平台的飞行高度控制；
其中，所述超声波发射源(0421)由多个超声波发射器组成，安装于载荷(05)的下方中心位置，分布于旋翼平台(01)的系留缆连接装置(018)的周围，将发射空间拼接成近似半球状；
所述超声波接收单元由五个超声波接收器，即第一超声波接收器(04221)、第二超声波接收器(04222)、第三超声波接收器(04223)、第四超声波接收器(04224)、第五超声波接收器(04225)组成，安装于支撑平台(034)上；
其中，第五超声波接收器(04225)位于支撑平台(034)的中心，另外四个超声波接收器以正方形排列，正方形的中心与支撑平台(034)的中心重合；
其中，所述超声波定位计算单元(0334)通过下部光端机(0331)、系留缆(02)中的光纤(022)、旋翼平台(01)中的上部光端机(016)传输控制指令，控制超声波发射源(0421)的每个超声波发射器同时发射相同波段、相同编码的超声波信号，接收、处理五个超声波接收器的信号，分别计算从超声波发射源(0421)发出超声波到五个超声波接收器接收到超声波的时间间隔Tn,n为1、2、3、4、5，依据声波传播速度，分别计算五个超声波接收器到超声波发射源(0421)的距离Dn,n为1、2、3、4、5；
以支撑平台(034)的中心为原点建立支撑平台坐标系，且各个坐标轴与上述摄像机坐标系的各轴平行；依据五个超声波接收器的位置坐标，解算超声波发射源(0421)的坐标(x声，y声，z声)，坐标(x声，y声，z声)作为超声波定位组件的输出数据，z声为旋翼平台(01)相对于支撑平台(034)的高度；
其中，所述系留式旋翼平台自动定点起降平台校准时，选取光电定位组件、超声波定位组件均能获取旋翼平台位置数据的高度z校，在超声波定位组件输出的超声波发射源(0421)的三维坐标为(0,0,z校)，记录光电定位组件输出的相隔近红外光源点阵的连线交点坐标(x校，y校，z校)，作为光电定位组件相对于超声波定位组件的定位零位误差，实现升降控制单元(0332)的定位数据源在光电定位组件、超声波定位组件之间的切换。
2.如权利要求1所述的无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台，其特征在于，所述升降定位装置实时测量旋翼平台(01)的位置、高度信息，反馈到升降控制单元(0332)，控制旋翼平台(01)在前后、左右、上下三个方向上移动，实现系留式旋翼平台的自动定点起降。
3.一种无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降控制方法，其特征在于，所述方法基于所述权利要求1所述的无GPS/北斗的系留式旋翼自动定点起降平台来实施，所述方法包括如下步骤：
步骤1：系留式旋翼自动定点起降平台开机、上电自检完成；
步骤2：升降控制单元(0332)接收到起飞指令后，旋翼平台(01)启动并且匀速上升；
步骤3：升降控制单元(0332)选用超声波定位组件的输出作为旋翼平台(01)的位置数据；
步骤4：待旋翼平台(01)高度上升到z校时，升降控制单元(0332)自动切换到光电定位组件的输出作为旋翼平台(01)的位置数据；
步骤5：上述旋翼平台(01)的位置数据经升降控制单元(0332)处理后，通过下部光端机(0331)、光纤(022)、上部光端机(016)送入旋翼平台飞行控制计算机，实现控制坐标值x声、y声为零，或者控制位置坐标x中-x校为零、y中-y校为零、夹角θ为零；
步骤6：待旋翼平台(01)高度上升到设定高度后，旋翼平台(01)悬停。
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