CN206954520U - 小型无人机空投落点指示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种小型无人机空投落点指示系统，属于无人机应用技术领域。该系统包括摄像头、气压计、空速计、陀螺仪、云台、主控制器、图像叠加芯片、图像发射端、图像接收端和显示器，摄像头安装在无人机的云台上，气压计、空速计和陀螺仪分别与主控制器相连，安装在云台上的摄像头向图像叠加芯片单向传输数据，主控制器与图像叠加芯片进行数据交互，图像叠加芯片与图像发射端相连，图像接收端将图像发射端发射的信号显示在显示器上。该系统结构简单，操作便捷、显示直观，能够实现无人机物品的准确投放。

Description

小型无人机空投落点指示系统

技术领域

本实用新型涉及无人机应用技术领域，特别是指一种小型无人机空投落点指示系统。

背景技术

近年来无人机市场较为火爆，无人机也开始大规模应用在日常生活中的各个领域。最具代表性的便是应急救援领域与无人机物流领域。

一.航空救援是中国近年来刚刚开始的行业和领域。事实上，最早用于军事的无人机就在应用慢慢凸显其救援的作用，可是建造专门用于救灾救人的各种直升机需要特殊的场地和经费，还得培训专业操控手，费时费力。

固定翼无人机具有震颤小、噪声小、可靠性比较高的飞行品质，遥控或自控方式多样化，利于完成各种任务，同时相较于小型多旋翼无人机，救援无人机航时更长，能够满足长时间工作的要求；载重更强，能够背负较重的物资，不会造成救援物资杯水车薪的情况。

因为无人机本身具备一定的载重量，人们可以利用无人机集成或者携带关键器材装备，为多种情况下的救援提供帮助。

而我们的空投指示系统正是应用于这种情况，救援无人机在紧急救援为处于危难的人们提供准确而迅捷的帮助，而我们的空投指示系统保证了紧急物资能够准确的送达到受灾群众的手中

二.自2011年起，亚马逊便涉足到无人机快递业务，亚马逊作为最早一批测试无人机派送快件的商业企业，在此方面投入了极大的精力和热情。目前，亚马逊不仅成为技术最成熟的企业之一，也在实际应用中积累了大量数据和经验。金融研究公司ARKInvest日前在一项研究中表示，亚马逊无人机送快递每件成本能降低到仅约1美元(约6元人民币)，配送时效也提升至最快30分钟送达。

而中国的顺丰也在进行自己的无人机快递项目。2013年9月，顺丰测试无人机快递项目首次在东莞曝出，直到2015年3月，顺丰才正式公开了自己的无人机送货计划。顺丰通过与极飞科技合作研发的全天候无人机，在珠三角地区以每天500架次的飞行密度执行快递配送，力推在山区、偏远乡村等农村市场的无人机快递业务。可见无人机快递领域正在飞速发展，一旦政府放开了城市的几百米以下的空域，无人机快递业务会如火如荼的展开。

上述无人机快递均采用定点降落的方式。如果以空投的方式来实现投放物品的任务，具有速度快，轻便，无需平坦场地等特点。但如何解决在空中准确地投放到指定地点仍是摆在探索无人机空投领域的科技人员面前的重要难题。通过本专利可以实现空投落点的准确预测，极大地提高空投准确性。

为了更好的解决这一难题，我们做了一套小型无人机空投落点指示系统，该系统属于航空空投领域的实用创新，通过国家知识产权局综合服务平台查新检索并未检索到关于“空投落点指示器”的已有专利，只有关于落点监控的系统：

一种精确空投系统地面监控软件(申请号CN201610748413.7)

从国家专利网站的介绍中：该软件运行于监控设备，用于完成精确空投系统在地面检测及准备、地面性能检测、空投试验等过程中，存储空投系统的信息参数，显示空投系统的位置、高度、运动姿态、速度、卫星锁定等状态参数，通过图形化的界面显示翼伞在空中的二维及三维运动轨迹。

从以上截取于公开介绍的文字中可以看出，该系统仅限于使用降落伞的空投系统，并不适用于小型航拍无人机，与无人机小型化的特点并不相符，且仅仅用于监控，并无落点指示导向的功能，而且系统复杂、建设成本高。需要专业的人员操作与维护。而本空投指示系统正是基于小型无人机设计的，结构简单，轻便，并且其落点指示功能正是该监控系统并不具备的。

在专利网上另检索到关于无人机投送装置及方法的一些专利：

一种无人机投送装置及方法(申请号CN201510475535.9)；

一种无人机空投装置(申请号CN201420013232.6)；

无人机载运空投装置(申请号CN201520403735.9)。

这些无人机投送装置以机械装置为主，主要解决的是现有无人机将空投物品挂在电子设备上导致电子设备容易损坏等问题。这些空投装置与方法，都是从机械层面来为无人机提供一种新颖的投放机械装置，从而解决传统机械投放机械装置带来的机械问题。

目前，无人机在物流运输，应急抢险等领域应用越来越广泛。无人机在其中的一大用途便是高速的货物运输。当前的解决方法通常是使用多旋翼无人机垂直起降或悬停的方式实现准确的货物投放。这种解决方法不可避免的带有多旋翼无人机的诸多缺点，比如有效载荷低、使用消费比低、速度慢、恶劣天气下难以悬停等。固定翼无人机可以有效克服以上缺点，实现高效、高速的运输功能。但是使用固定翼准确投放物品缺乏简单易行的准确空投解决方法。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种小型无人机空投落点指示系统。

该系统包括摄像头、气压计、空速计、陀螺仪、云台、主控制器、图像叠加芯片、图像发射端、图像接收端和显示器，摄像头安装在无人机的云台上，气压计、空速计和陀螺仪分别与主控制器相连，安装在云台上的摄像头向图像叠加芯片单向传输数据，主控制器与图像叠加芯片进行数据交互，图像叠加芯片与图像发射端相连，图像接收端将图像发射端发射的信号显示在显示器上。

其中，摄像头为ccd面阵摄像头，用于采集实时的载机下方画面。气压计、空速计与陀螺仪则负责采集载机的高度、相对空气的速度、横滚角、俯仰角作为落点计算的依据。由于载机和空投物品均在空气介质中运动因此可将载机相对于空气的速度看做物品的初速度。通过横滚角和俯仰角则可以推算出载机前进方向的分速度以及与前进方向垂直的方向的分速度。落地时间可通过高度计算后加上投放装置延迟时间得到。通过以上方法可以计算出物体落点与当前载机正下方的关系。因为摄像头的视角是一定的，通过几何关系可以算得每个像素大小对应的实际距离然后将代表落点的准星叠加到相应的图像位置。

主控制器为mega2560-16au，图像叠加芯片为max7456eui。

本系统的具体工作过程如下：

首先，初始化设置了与飞控连接的串口波特率和端口号；发送数据请求是向飞控发送；初始化7456芯片，设置了7456通信的SPI端口，同时激活7458；读取eeprom设置，不同的设置信息存在eeprom中的不同位置；获取空气流速是通过空速计得到相关参数，然后通过主控制器数据处理得到的；获取海波高度，是通过气压计得到相关参数，然后通过主控制器的数据处理得到的；如果相对高度不大于零，即飞行器未起飞，则不进入落点指示的程序；如果相对高度大于零，则获取飞行器的姿态角，即俯仰角、翻滚角、偏航角，姿态角的获取是通过陀螺仪传感器得到相应参数，然后通过主控数据处理得到；因为陀螺仪存在零飘的误差，所以姿态角需要进行滤波处理，滤波方法采用一阶惯性滤波处理和Kalman滤波处理，这个滤波方法可以得到0.1度的角度误差；融合算法，是通过得到相对高度、空气流速和飞行器的飞行姿态的数据相关性的处理，最后得到落点的实际预测点；对显示屏的显示规格的处理，结合实际落点的数据，最后判断预测点是否在显示屏显示的范围内，如果超出显示范围，则回到数据采集部分进行下一次的预测，反之，将预测结果显示在显示屏幕上。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

第一，操作便捷、显示直观。直接在实际景物的显示图像上叠加空投物体落点位置和必要的姿态、速度、时间等信息。使得物资投放操作人员无需复杂的培训即可掌握使用方法，辅助操作人员大大的提高了高速移动的固定翼无人机的空投准确性。在计算落点时充分的考虑到空气流速、操作系统延迟、飞行姿态、摄像头视角改变等因素的影响，计算准确。

第二，通用性强。采集既可以使用自身的传感器也可以通过串口使用mavlink协议获取飞行控制器采集的必要数据进行空投落点的解算。Mavlink协议以一种广泛应用在小型无人机上的通信协议，所以可以支持绝大部分的无人机扩展空投落点预测功能。系统的机载部分全重仅几十克重，对于载重的影响可以忽略不计。可单独使用或者与飞控的串口相连接没有对原有机载设备改动。

第三，成本低廉、便于推广使用。本系统主控部分采用PMU6050、ATMEGA328、Max7456芯片，成本低。如果大规模生产的话控制部分的成本不会超过一百元，具有推广性和普适性。

附图说明

图1为本实用新型的小型无人机空投落点指示系统结构示意图；

图2为本实用新型的小型无人机空投落点指示系统程序流程图。

其中：1-摄像头；2-云台；3-气压计；4-空速计；5-陀螺仪；6-主控制器；7-图像叠加芯片；8-图像发射端；9-图像接收端；10-显示器。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种小型无人机空投落点指示系统。

如图1所示，该系统中，摄像头1安装在无人机的云台2上，气压计3、空速计4和陀螺仪5分别与主控制器6相连，安装在云台2上的摄像头1向图像叠加芯片7单向传输数据，主控制器6与图像叠加芯片7进行数据交互，图像叠加芯片7与图像发射端8相连，图像接收端9将图像发射端8发射的信号显示在显示器10上。

该系统安装图2所示程序进行工作。首先进行初始化、发送数据请求、初始化7456芯片、读取eeprom设置，通过空速计获取空气流速得到相关参数，然后通过主控制器进行数据处理；通过气压计获取海波高度得到相关参数，然后通过主控制器进行数据处理；如果海拔高度不大于零，即飞行器未起飞，则不进入落点指示的程序；如果海拔高度大于零，则获取飞行器的姿态角，即俯仰角、翻滚角、偏航角，姿态角的获取是通过陀螺仪传感器得到相应参数，然后通过主控数据处理得到；因为陀螺仪存在零飘的误差，所以姿态角需要进行滤波处理，滤波方法采用一阶惯性滤波处理和Kalman滤波处理，这个滤波方法可以得到0.1度的角度误差；融合算法，是通过得到海拔高度、空气流速和飞行器的飞行姿态的数据相关性的处理，最后得到落点的实际预测点；对显示屏的显示规格的处理，结合实际落点的数据，最后判断预测点是否在显示屏显示的范围内，如果超出显示范围，则回到数据采集部分进行下一次的预测，反之，将预测结果显示在显示屏幕上。

在实际使用中，通过实物测试证明了系统能够有效的提高小型无人机空投落的准确性。测试时使用无人机挂载重量200g的水瓶模拟空投的物资，分别在30m的高度上以10m/s、15m/s的速度分别使用本落点预测系统和目视估计的方法进行对比空投实验。实验发现对于没有经验的操作者，采用目视估计的方法十次实验中九次落点误差在10m以上，而使用本系统，在无人机以15m/s的速度运行时，十次实验落点误差均可以达到5m以下。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种小型无人机空投落点指示系统，其特征在于：包括摄像头(1)、气压计(3)、空速计(4)、陀螺仪(5)、云台(2)、主控制器(6)、图像叠加芯片(7)、图像发射端(8)、图像接收端(9)和显示器(10)，摄像头(1)安装在无人机的云台(2)上，气压计(3)、空速计(4)和陀螺仪(5)分别与主控制器(6)相连，安装在云台(2)上的摄像头(1)向图像叠加芯片(7)单向传输数据，主控制器(6)与图像叠加芯片(7)进行数据交互，图像叠加芯片(7)与图像发射端(8)相连，图像接收端(9)将图像发射端(8)发射的信号显示在显示器(10)上。

2.根据权利要求1所述的小型无人机空投落点指示系统，其特征在于：所述摄像头(1)为ccd面阵摄像头，主控制器(6)为mega2560-16au，图像叠加芯片(7)为max7456eui。