CN114489119B - 一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，包括：S1、将结构光发射器安装在预期降落地点的中心位置，结构光接收器安装在多旋翼无人机上，结构光发射器发射的结构光是圆锥体状的光柱；S2、当无人机与预期降落地点的距离是预设高度时，结构光发射器发射结构光，根据预设高度和无人机基于GPS降落的最大定位误差确定结构光的发射角度；S3、无人机自预设高度下降一指定高度，若检测到结构光信号，继续下降一指定高度，否则，搜索结构光信号直至检测到结构光信号，再继续下降一指定高度，重复本步骤，直至无人机与预期降落地点的距离是停桨高度，关闭无人机旋翼，降落在预期降落地点。本发明提高了多旋翼无人机的降落精度。

Description

一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法

技术领域

本发明属于多旋翼无人机降落技术，特别涉及一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，可用于控制多旋翼无人机在GPS定位精度不准、GPS信号弱乃至GPS信号缺失情况下的精准降落。

背景技术

多旋翼无人机的精准降落技术，是为了解决多旋翼无人机自身的基于GPS定位点降落时误差偏大的问题。一般情况下，由于GPS定位的误差问题，多旋翼无人机自身的基于GPS定位的降落技术，落地误差可能达到半径3米甚至更大。而在一些应用中，需要多旋翼无人机的降落点距离实际降落点的误差必须控制在指定的范围内，例如误差半径为0.2米。下文中，所提及的精准降落就是指降落点误差半径必须控制在指定范围内的降落技术。

需要多旋翼无人机精准降落的应用场景很多，一个典型的应用就是多旋翼无人机全自动化飞行任务的管理。在这种飞行任务全自动管理应用中，无人机用户可以先使用软件，例如在无人机的遥控器上设置飞行航点、航线，以及在每个航点所需进行任务，然后设定无人机的降落地点的GPS坐标。之后，无人机按照设定的航点、航线执行任务，一旦执行任务完毕，无人机自动返航到设定的GPS坐标位置。为了配合地面无人机自动管理系统的工作，需要无人机精准降落在预设的位置，且误差必须满足指定的需求。为此，需要多旋翼无人机精准降落技术控制无人机的降落位置满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高多旋翼无人机降落精度的由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将结构光发射器安装在预期降落地点的中心位置，将结构光接收器安装在多旋翼无人机上，结构光发射器发射的结构光是圆锥体状的光柱；

S2、当无人机与预期降落地点的距离是预设高度时，结构光发射器发射结构光，根据预设高度和无人机基于GPS降落的最大定位误差确定结构光的发射角度；

S3、无人机自预设高度下降一指定高度，若检测到结构光信号，继续下降一指定高度，否则，搜索结构光信号直至检测到结构光信号，再继续下降一指定高度，重复本步骤，直至无人机与预期降落地点的距离是停桨高度，关闭无人机旋翼，降落在预期降落地点。

本发明是对现有多旋翼无人机降落技术进行改进，可以提高多旋翼无人机的降落精度，从而使得降落点误差半径控制在指定范围内，能够适用于多旋翼无人机精准降落的应用场景；本发明使用结构光引导无人机着陆，具有较好的抗干扰能力，而且本发明实现容易，可以应用于多种多旋翼无人机。

本发明所述结构光的发射角度β的计算公式：

式中，H是预设高度，R是无人机基于GPS降落的最大定位误差半径。

为了保证在GPS定位精度下无人机能够在预设高度检测到由预期降落地点发射的结构光信号，可以适当增大结构光的发射角度，即对按照公式⑴计算出的结构光的发射角度β进行修正，得到结构光的修正发射角度β’＝1.05β～1.12β。

本发明无人机搜索结构光信号的方法是：

㈠计算无人机下降的指定高度d：

d＝a·h 公式⑵

其中，h为无人机下降实时位置距离预期降落地点的高度；a为常量，且a<1；

㈡计算无人机与结构光信号可覆盖范围的最短距离e：

㈢计算结构光可覆盖范围的半径r：

㈣以无人机当前所在点为圆心，以Rs为搜索半径，并以等分角度Ds在圆上的等分点位置为搜索点进行遍历：

Rs＝r+e 公式⑸

如果无人机在此搜索过程中的任一位置能够检测到结构光信号，则终止搜索过程并继续下降一指定高度。

本发明所述停桨高度是0.1米。

考虑到光的传输距离与光的波长的关系，本发明所述结构光采用近红外光，同时，为了提高抗干扰能力，所述结构光发射器发射的结构光的间隙频率大于或等于100Hz，且所述结构光接收器检测有效光信号的时长大于或等于0.5秒。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明是对现有多旋翼无人机降落技术进行改进，可以提高多旋翼无人机的降落精度，从而使得降落点误差半径控制在指定范围内，能够适用于多旋翼无人机精准降落的应用场景。

⑵本发明使用结构光引导无人机着陆，具有较好的抗干扰能力。

⑶本发明有可靠的数学模型支撑，稳定可靠性强。

⑷本发明实现容易，可以应用于多种多旋翼无人机。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的结构光接收器接收来自结构光发射器发射的结构光的示意图；

图2是GPS定位误差而导致的降落误差的示意图；

图3是无人机在预设高度与从预期降落地点发射的结构光的位置关系示意图；

图4是无人机自预设高度下降一指定高度后可检测到结构光信号的示意图；

图5是无人机自预设高度下降一指定高度后不能检测到结构光信号的示意图；

图6是在极端情况下无人机下降后的位置的示意图；

图7是表示无人机与结构光有效覆盖范围的位置关系的示意图；

图8是无人机通过盲搜索方式搜索结构光信号的示意图；

图9是无人机在盲搜索过程中搜索半径、等分角度和搜索位置的示意图。

具体实施方式

本发明一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，包括以下步骤：

S1、将结构光发射器1安装在预期降落地点的中心位置，将结构光接收器2安装在多旋翼无人机底面的中心位置，结构光发射器1发射的结构光是圆锥体状的光柱。

本文的结构光是指可以按照特定的波长和发射间隙频率发射的定向光束。为了通过光束实现制导(引导)功能，需要一个结构光发射器和一个结构光接收器，同时，需要控制结构光的波长、发射间隙频率和发射角度。结构光的发射角度是一个圆锥体状的光束，只有处于结构光角度范围内的结构光接收器才能接收到特定波长和特定间隙频率的信号。

如图1所示，结构光发射器发射圆锥体状的光柱，结构光的发射角度是β，在结构光信号有效覆盖范围内，结构光接收器2接收到结构光光信号，通过电路信号通知接收处理部件。考虑到光的传输距离与光的波长的关系，采用近红外光作为光源3，同时，为了提高抗干扰能力，结构光发射器1发射光的间隙频率不低于100Hz，并且结构光接收器2检测有效光信号的时长不低于0.5秒。

S2、当无人机与预期降落地点的距离是预设高度时，结构光发射器发射结构光，根据预设高度和无人机基于GPS降落的最大定位误差确定结构光的发射角度。

在GPS定位准确的前提下，无人机应该从降落地点的正上方下降并最终落入预定位置，但是，如图2所示，由于GPS定位偏差，导致无人机4下降位置点5存在偏差而不能准确落入预期降落地点6，不同类型的无人机的偏差距离存在一定的差异。因此，为了能够检测到结构光，需要确定结构光发射的最大角度，即确定结构光的发射角度β。

如图3所示，假设无人机4从离地高度(预设高度H)30米处开始启动精准降落，因而需要在30米高度时无人机4能够检测到结构光信号；假设无人机4自身的基于GPS定位的方式可能出现的最大偏差为5米，即最大定位误差半径R＝5米。则结构光的发射角度β由下式决定：

通过计算可得到：

一般的，设无人机启动精准降落程序的离地高度为H(预设高度)，无人机基于GPS降落的最大定位误差半径为R，则结构光发射角度β的关系由下式决定：

因此：

其中，H是预设高度，R是无人机基于GPS降落的最大定位误差半径。

为了保证在GPS定位精度下无人机能够在指定高度检测到由预期降落地点发射的结构光信号，可以适当增大结构光的发射角度，可增大5％～12％，即对结构光的发射角度β进行修正，得到结构光的修正发射角度β’＝1.05β～1.12β。

假设无人机基于GPS定位而执行的降落过程最终的降落位置与期望降落位置的误差为3米。假设需要从30米处启动对无人机进行精准降落控制。

由于该无人机基于GPS的降落误差为3米，同时，本实施例在30米高度时接管无人机的降落控制，进而实施精准降落，因此，启动精准降落程序的预设高度H是30米，无人机基于GPS降落的最大定位误差半径R是3米。根据公式⑴，计算结构光的发射角度β：

适当增加结构光的发射角度，将结构光的发射角度修正为β’＝12°。

无人机返航后，到达预期降落地点位置上空会执行基于GPS的自动降落过程。当无人机自动降落到离地面30米高度时，接管无人机的控制权，并启动精准降落过程。

S3、无人机自预设高度下降一指定高度，若检测到结构光信号，继续下降一指定高度，否则，搜索结构光信号直至检测到结构光信号，再继续下降一指定高度，重复本步骤，直至无人机与预期降落地点的距离是停桨高度，关闭无人机旋翼，降落在预期降落地点。

如上所述，在无人机降落过程中，实时检测无人机对地高度。当无人机离地高度达到预设高度时，启动无人机精准降落程序。基于GPS的最大定位误差半径和需要到检测结构光信号的离地高度而计算得到的结构光的发射角度，无人机在预设高度H时是可以检测到结构光信号的。

在启动无人机精准降落程序后，在无人机垂直下降一定距离之前，是可以检测到结构光信号的(从初始离地高度H开始)。但是，无人机垂直下降一定距离后，会存在两种情况：情况一，无人机4仍然可以检测到结构光信号，如图4所示；情况二，无人机4不能检测到结构光信号，如图5所示。

设无人机的实时离地高度为h，每次垂直下降的距离取一个与实时高度h相关的量，设下降指定高度为d，d由下式计算得到：

d＝a·h 公式⑵

其中，h为无人机下降实时位置距离预期降落地点的高度；a为常量，且a<1，a等于0.2是比较理想的值。

在本实施例中，基于无人机GPS定位误差和本实施例所选定的结构光发射器的发射角度，在30米高度位置，无人机上的结构光接收器能够检测到结构光信号。本实施例取每次垂直下降距离参数a为0.2。因此，在30米高度，根据公式⑴，无人机下降指定高度d为：

d＝0.2·30＝6

如果无人机下降指定高度d后仍能检测到结构光信号，则继续下降指定高度；如果无人机下降指定高度d后不能检测到结构光信号，则需要搜索结构光信号。考虑最极端的情况，即在实时高度h时，无人机4处于能够检测到结构光的边缘位置，如图6所示。在这种极端情况下，无人机4从实时高度h垂直下降指定高度d后，设无人机与结构光信号可以覆盖的范围的最短距离为e，e由下式计算：

此时，结构光可覆盖范围的半径r由下式计算：

在本实施例中，若无人机在下降指定高度后，能够检测到结构光信号，则根据当前实时高度h和下降参数a计算下降指定高度d并执行垂直下降动作。

若下降指定高度后，不能检测到结构光信号，考虑最为极端的情况。此时，根据公式⑶，无人机与结构光信号可以覆盖的范围的最短距离e为：

根据公式⑷，结构光信号可覆盖范围的半径r为：

为了更清晰地描述无人机位置与结构光有效覆盖范围的关系，采用俯瞰图的方式表示无人机与结构光有效覆盖范围的位置关系，如图7所示。

由于无人机对结构光所在的位置是不知道的，因此，无人机只能通过“盲搜索”方式(Blind Searching)搜索结构光信号。

这里所说的“盲搜索”是指：对以无人机当前所在点为圆心、以特定长度为半径的圆的等分点位置进行遍历的过程。如图8所示，在该图中是对圆的8等分点进行遍历的过程。称这个圆为搜索圆，称这个圆的半径为搜索半径；称圆上的等分点A、B，……，G，H为搜索点，称两个相邻等分点与圆心的连线构成的夹角的角度为圆的等分度，图中，由于∠AOB为45°，所以，搜索圆的等分角度为45°。

图8中的盲搜索过程是：O→A→O→B→O→C→O→D→O→E→……→H→O。如果在此搜索过程中的任一位置能够检测到结构光信号，则终止盲搜索过程并控制无人机继续执行垂直下降指定的距离。

在盲搜索中，为了使无人机能够搜索到有效的结构光信号，需要确定盲搜索中搜索圆的半径和等分角度。设搜索半径为Rs，等分角度为Ds，按如下公式设定搜索圆的半径和等分角度：

Rs＝r+e 公式⑸

简单地说，搜索半径就是结构光的有效覆盖范围的半径加上无人机距离结构光覆盖范围的最短距离；等分角度就是无人机所在位置点到结构光有效覆盖范围圆的切线与无人机与该圆的圆心连线的夹角。如果从正北方向为第一个搜索点7，按逆时针方向选择搜索点，则搜索半径、等分角度和搜索位置如图9所示。如果等分角度Ds不能够整除360度，最后一个搜索点与第一个搜索点的角度可能会小于等分角度。

在本实施例中，根据公式⑸，可计算得到搜索半径和等分角度。搜索半径Rs为：

Rs＝r+e

＝2.52+0.63

＝3.15(米)

等分角度Ds为：

则以53°为等分角度进行盲搜索，也就是，最多进行360/53约等于7次搜索可以搜索到从降落位置发射的结构光信号。

一旦搜索到结构光信号，则再次垂直下降指定的高度，如此循环，直到离地高度小于停桨高度。当无人机下降到离地面预先设定的停浆高度后，关闭无人机旋翼并停浆，精准降落过程结束。无人机的停浆高度为0.1米，这是一个比较理想的值。

Claims (6)

1.一种由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将结构光发射器安装在预期降落地点的中心位置，将结构光接收器安装在多旋翼无人机上，结构光发射器发射的结构光是圆锥体状的光柱；

S2、当无人机与预期降落地点的距离是预设高度时，结构光发射器发射结构光，根据预设高度和无人机基于GPS降落的最大定位误差确定结构光的发射角度；

S3、无人机自预设高度下降一指定高度，若检测到结构光信号，继续下降一指定高度，否则，搜索结构光信号直至检测到结构光信号，再继续下降一指定高度，重复本步骤，直至无人机与预期降落地点的距离是停桨高度，关闭无人机旋翼，降落在预期降落地点；

无人机搜索结构光信号的方法是：

㈠计算无人机下降的指定高度d：

d＝a·h 公式⑵

其中，h为无人机下降实时位置距离预期降落地点的高度；a为常量，且a<1；

㈡计算无人机与结构光信号可覆盖范围的最短距离e：

㈢计算结构光可覆盖范围的半径r：

㈣以无人机当前所在点为圆心，以Rs为搜索半径，并以等分角度Ds在圆上的等分点位置为搜索点进行遍历：

Rs＝r+e 公式⑸

如果无人机在此搜索过程中的任一位置能够检测到结构光信号，则终止搜索过程并继续下降一指定高度。

2.根据权利要求1所述的由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于：所述结构光的发射角度β的计算公式：

式中，H是预设高度，R是无人机基于GPS降落的最大定位误差半径。

3.根据权利要求2所述的由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于：对结构光的发射角度β进行修正，得到结构光的修正发射角度β’＝1.05β～1.12β。

4.根据权利要求3所述的由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于：所述停桨高度是0.1米。

5.根据权利要求4所述的由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于：所述结构光采用近红外光。

6.根据权利要求5所述的由结构光引导的多旋翼无人机精准降落方法，其特征在于：所述结构光发射器发射的结构光的间隙频率大于或等于100Hz，且所述结构光接收器检测有效光信号的时长大于或等于0.5秒。