CN207408598U - 基于多模导航的无人机着陆引导系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，属于无人机飞行导航技术领域，适用于垂直起降型无人机。系统包括停机位和停机位基准点，设置在停机位附近的合作灯阵、供电单元、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I；以及设置于无人机上的着陆引导模块和卫星定位模块II。本方法利用无线电测向、视觉引导、卫星定位及数据融合，引导无人机自动着陆于指定停机位。提高无人机自主着陆的精度和可靠性，减少了盲降的风险，具有良好的抗干扰性。可用于在固定平台和移动平台上的无人机着陆引导。

Description

基于多模导航的无人机着陆引导系统

技术领域

本实用新型涉及一种无人机着陆引导系统，具体地涉及一种应用多模导航的无人机着陆引导系统。属于无人机飞行导航技术领域。

背景技术

无人机(Unmanned aerial vehicle)与载人飞机相比，具有重量轻、人员伤亡风险小、机动性好、机舱设计简单等特点，除了在军事上的应用前景，其在民用领域也逐渐显露头角。无人机导航技术主要包括惯性导航、雷达导航、GPS导航、微波导航和视觉导航等。其中，随着计算机视觉和图像采集技术、光学测量技术、高速实时处理及存储技术的发展，基于视觉信息的导航技术近年成为研究热点，并具有设备简单、功耗低、体积小、自主无源等优点，并且不依赖地面和空中的导航设备，尤其是不受制于GPS限制(GPS导航系统利用导航卫星进行导航定位，存在信号易受干扰、分辨精度和技术垄断等问题)。在电子对抗方面具有较大优势。

为了保证无人机顺利完成任务，实现无人机的稳定导航是关键。导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行。未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能。传统的导航系统中一般使用惯导系统、GPS系统以及复合其他系统完成导航。而惯导系统中惯性器件具有累积误差，且对初始值过于敏感；GPS系统中GPS信号并不是总是可获取的(如指定着陆地点位于狭窄的楼宇之间、丛林、狭小空间或其他容易造成GPS遮挡的位置)，并且即使GPS信号是可以获取，其精度往往不能总是满足无人机导航的需要，尤其是着陆的需要。因此多种导航技术结合的模式将是未来发展的方向。着陆导航是无人机飞行中的重要阶段，因进场着陆受飞行高度、气象和地理环境等诸多因素的影响，精确可靠自动化的助降方法成为无人机技术中的关键研究内容之一。在无人机导航中着陆导航尤为重要，对无人机回收以及与地面作业衔接都具有重大的意义。无人机着陆是一个需要精准精确控制的过程，而自主着陆技术可以使这一过程自动完成。无人机自主着陆是指无人机依赖机载的导航设备和飞行控制系统来进行定位导航并最终控制无人机降落至指定地点的过程。

随着各类应用场合对运动载体导航定位精度要求的提高，单一的导航系统己经难以满足需求。所以需要一种可靠的方法将多种导航系统组合在一起，实现多种信息源的融合互补，以提高导航系统的整体精度和可靠性。

融合了视觉导航技术的复合导航系统，不仅能够弥补惯性导航、GPS导航的缺陷，提高导航精度，减少了盲降的风险，而且视觉导航抗干扰性更好且属于被动传感器。

多模复合信息融合定位与导航技术实质上是一种多传感器组合导航系统。多种传感器可以获得多种信息源，信息融合技术将这些冗余测量信息进行有机地信息融合，在一定准则下进行自动检测、相关、分析、组合和估计，以获得单个传感器无法获得的有价值的精准定位信息，从而获得高精度、高可靠性的定位与导航信息。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型构建一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，利用无线电测向、视觉引导、卫星定位及数据融合，引导无人机自动着陆于指定停机位。

一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，包括停机位和停机位基准点，以及设置在停机位附近的合作灯阵、供电单元、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I；以及设置于无人机上的着陆引导模块和卫星定位模块II，所述无人机是垂直起降型无人机，其中，

停机位，是无人机降落的指定位置；停机位基准点是停机位范围内的指定点，用于着陆引导计算，停机位基准点的位置应保证当无人机降落后无人机位于停机位范围内；

合作灯阵，是固定于停机位附近的具有特定排列组合方式的灯阵，用于配合无人机着陆引导模块引导无人机降落于指定停机位上；合作灯阵由多个圆形发光体组成；所述排列组合方式指处于点亮状态的各圆形发光体的排列方式，圆形发光体的数量大于4；合作灯阵的排列组合方式具有方向性；

无线电信标发射器，设置在停机位附近，用于发射特定规律的无线电信号供无人机的无线电测向模块接收和检测；

卫星定位模块I，用于测量停机位基准点的卫星定位数据；

合作灯阵、无线电信标、卫星定位模块II与停机位基准点的相对位置保持不变；

通信模块I用于将卫星定位模块I的数据发送给无人机的着陆引导模块或无人机地面遥控系统；

供电单元，用于为合作灯阵、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I提供电源。

着陆引导模块固定在无人机上，包括机载摄像头、无线电测向模块、机载解算模块、通信模块II；机载摄像头、无线电测向模块、卫星定位模块II分别与机载解算模块相连，机载解算模块与通信模块II相连，其中，

机载摄像头固定在无人机上，且其光轴保持下视，用于拍摄停机位及其附近图像；

无线电测向模块，用于接收和检测无线电信标信号及其强度，并发送给机载解算模块；

卫星定位模块II用于获得无人机当前的位置信息；

机载解算模块，用于根据无线电测向模块检测到的无线电信标信号及其强度、机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据进行数据融合计算，生成朝向目标停机位的着陆引导飞行路线；并将该路线经通信模块II发送给无人机飞行控制系统；

通信模块II用于与无人机飞行控制系统、无人机地面遥控系统及通信模块I进行数据交换。

本系统的工作过程，包括如下步骤：

Step1.设置目标停机位的停机位基准点；

Step2.设置目标停机位的无线电信标格式；

Step3.设置合作灯阵的一种排列组合方式，并指定该排列组合方式为目标停机位的着陆引导标志；指定该合作灯阵与停机位基准点之间的位置关系；

Step4.卫星定位模块I获取目标停机位基准点的实时卫星定位信息；

Step5.将目标停机位基准点的卫星定位信息、着陆引导标志信息、停机位基准点与该合作灯阵的位置关系通过通信模块I发送给无人机或无人机地面遥控系统；

Step6.无人机的通信模块II或者无人机地面遥控系统接收到上述信息；

Step7.无人机飞行控制系统或者无人机地面遥控系统根据目标停机位的卫星定位信息进行航线规划，获得航线I；

Step8.无人机沿着航线I朝向目标停机位飞行；在飞行过程中无人机飞行控制系统或者无人机地面遥控系统根据目标停机位的实时卫星定位信息进行航线规划更新，获得更新的航线；

Step9.开启目标停机位的无线电信标发射器和合作灯阵；

Step10.无线电测向模块实时检测无线电信标信号及其强度；

Step11.当检测到无线电信标信号后，开启机载摄像头，实时拍摄无人机下方地面图像；

Step12.机载解算模块根据无线电测向模块检测到的无线电信标信号及其强度、机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的实时卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据、航线I信息，进行数据融合计算I，生成朝向目标停机位的着陆引导飞行路线；并将该路线经通信模块II发送给无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统根据该路线调整无人机飞行姿态和方向，朝着目标停机位上空飞行；

Step13.机载解算模块根据机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的实时卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据、航线I信息，进行数据融合计算II，判断无人机是否位于目标停机位上空，若是则生成下降指令通过通信模块II发送给无人机飞行控制模块，启动无人机下降；

机载解算模块通过通信模块II读取无人机当前高度和姿态信息，并在无人机下降过程中根据机载摄像头拍摄的图像、无人机当前高度、无人机当前姿态、停机位基准点与合作灯阵的位置关系持续进行迭代计算，通过通信模块II实时发送给无人机飞行控制系统，使其调整无人机的高度和姿态，直至无人机着陆。

对比现有技术，本实用新型的有益效果在于：采用模块化设计，在具有特定的独立功能和结构的同时，具有一定的通用性，实现多种信息源的融合互补，不仅能够弥补惯性导航、GPS导航的缺陷，提高无人机自主着陆的精度和可靠性，减少了盲降的风险，具有良好的抗干扰性。可用于在固定平台和移动平台上的无人机着陆引导。

附图说明

图1是本实用新型实施例工作过程的示意图；

图2是本系统实施例的组成示意图；

图3是着陆引导模块组成框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型加以详细说明，同时也叙述了本实用新型技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

下面结合实施例对本实用新型所述一种基于多模导航的无人机着陆引导系统的具体实施方式进行描述解释。

一种基于多模导航的无人机着陆引导系统(见图2)，包括停机位和停机位基准点，以及设置在停机位附近的合作灯阵、供电单元、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I；以及设置于无人机上的着陆引导模块和卫星定位模块II(见图3)，所述无人机是垂直起降型无人机，其中，

停机位，是无人机降落的指定位置；停机位基准点是停机位范围内的指定点，用于着陆引导计算，停机位基准点的位置应保证当无人机降落后无人机位于停机位范围内；停机位设置在合作灯阵之外，且停机位与最近的一个圆形发光体的边缘之间的距离大于备降无人机机身最大长度。当停机位设置于移动平台时，所述停机位还包括固定装置，用于将无人机降落后将其固定在停机位上。

合作灯阵，是固定于停机位附近的具有特定排列组合方式的灯阵，用于配合无人机着陆引导模块引导无人机降落于指定停机位上；合作灯阵由多个圆形发光体组成；所述排列组合方式指处于点亮状态的各圆形发光体的排列方式，圆形发光体的数量大于4；合作灯阵的排列组合方式具有方向性；作为优选，合作灯阵还包括灯阵控制器；各圆形发光体分别通过灯阵控制器与供电单元连接；灯阵控制器用于控制各圆形发光体的亮灭。进一步地，合作灯阵的每个圆形发光体的直径至少为300mm。所述圆形发光体是由条状LED灯带盘绕而成的实心圆形发光体，其排列时圆心之间的间距大于等于半径的3倍。作为优选，每个LED灯盘的光度大于等于113000lm。

无线电信标发射器，设置在停机位附近，用于发射特定规律的无线电信号供无人机的无线电测向模块接收和检测；

卫星定位模块I，用于测量停机位基准点的卫星定位数据；

合作灯阵、无线电信标、卫星定位模块II与停机位基准点的相对位置保持不变；

通信模块I用于将卫星定位模块I的数据发送给无人机的着陆引导模块或无人机地面遥控系统；

供电单元，用于为合作灯阵、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I提供电源。

着陆引导模块，固定在无人机上，用于搜索合作灯阵并引导无人机降落于指定停机位上；着陆引导模块与无人机飞行控制系统相连；

着陆引导模块固定在无人机上，包括机载摄像头、无线电测向模块、机载解算模块、通信模块II；机载摄像头、无线电测向模块、卫星定位模块II分别与机载解算模块相连，机载解算模块与通信模块II相连，其中，

机载摄像头固定在无人机上，且其光轴保持下视，用于拍摄停机位及其附近图像；停机位基准点与合作灯阵的距离由机载摄像头光轴与垂直方向的夹角确定。

无线电测向模块，用于接收和检测无线电信标信号及其强度，并发送给机载解算模块，记无线电测向模块能够检测无线电信标的最远距离为N米；实施例中无线电测向模块采用无线电测向干涉仪；

卫星定位模块II用于获得无人机当前的位置信息；

机载解算模块，用于根据无线电测向模块检测到的无线电信标信号及其强度、机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据进行数据融合计算，生成朝向目标停机位的着陆引导飞行路线；并将该路线经通信模块II发送给无人机飞行控制系统；

图3所示实施例中，机载解算模块包括依次连接的差分缓冲放大器、ADC、光电隔离器，还包括恒流源和比较器；比较器启动恒流源给机载摄像头、无线电测向模块供电；

机载解算模块还包括信号处理单元、FPGA、FLASH、PROM、数据压缩和存储模块，所述信号处理单元与FPGA、FLASH分别相连，FPGA还与数据压缩和存储模块、光电隔离器、卫星定位模块II、无线电测向模块相连；其中FPGA用于完成数据的AD采集和数据缓存，并为机载摄像头、卫星定位模块II、无线电测向模块、通信模块II、ADC和信号处理单元读写提供时序和逻辑控制；信号处理单元用于完成数据融合计算；PROM是FPGA程序存储器；数据压缩和存储模块用于对FPGA采集的数据进行压缩和存储。

通信模块II用于与无人机飞行控制系统、无人机地面遥控系统及通信模块I进行数据交换。通信模块II与无人机飞行控制系统之间采用全双工RS422协议并经光电隔离进行连接。

适用于上述系统的一种工作流程，见图1，包括如下步骤：

Step1.设置目标停机位的停机位基准点；

Step2.设置目标停机位的无线电信标格式；

Step3.设置合作灯阵的一种排列组合方式，并指定该排列组合方式为目标停机位的着陆引导标志；指定该合作灯阵与停机位基准点之间的位置关系；

Step4.卫星定位模块I获取目标停机位基准点的实时卫星定位信息；

Step5.将目标停机位基准点的卫星定位信息、着陆引导标志信息、停机位基准点与该合作灯阵的位置关系通过通信模块I发送给无人机或无人机地面遥控系统；

Step6.无人机的通信模块II或者无人机地面遥控系统接收到上述信息；

Step7.无人机飞行控制系统或者无人机地面遥控系统根据目标停机位的卫星定位信息进行航线规划，获得航线I；

Step8.无人机沿着航线I朝向目标停机位飞行；在飞行过程中无人机飞行控制系统或者无人机地面遥控系统根据目标停机位的实时卫星定位信息进行航线规划更新，获得更新的航线；

Step9.开启目标停机位的无线电信标发射器和合作灯阵；

Step10.当无人机位于目标停机位半径N米范围内时，无线电测向模块实时检测无线电信标信号及其强度；

Step11.当检测到无线电信标信号后，开启机载摄像头，实时拍摄无人机下方地面图像；

Step12.机载解算模块根据无线电测向模块检测到的无线电信标信号及其强度、机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的实时卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据、航线I信息，进行数据融合计算I，生成朝向目标停机位的着陆引导飞行路线；并将该路线经通信模块II发送给无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统根据该路线调整无人机飞行姿态和方向，朝着目标停机位上空飞行；

Step13.机载解算模块根据机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的实时卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据、航线I信息，进行数据融合计算II，判断无人机是否位于目标停机位上空，若是则生成下降指令通过通信模块II发送给无人机飞行控制模块，启动无人机下降；

Step14.机载解算模块通过通信模块II读取无人机当前高度和姿态信息，并在无人机下降过程中根据机载摄像头拍摄的图像、无人机当前高度、无人机当前姿态、停机位基准点与合作灯阵的位置关系持续进行迭代计算，通过通信模块II实时发送给无人机飞行控制系统，使其调整无人机的高度和姿态，直至无人机着陆。

具体地，上述机载解算模块的数据融合计算I包括：

①检测无人机当前位置的实时卫星定位信息并与目标停机位基准点的卫星定位信息进行对比；

②根据无人机飞行中的实时卫星定位数据，从无线电测向模块检测到的无线电信标信号及其强度中计算无人机与该无线电信标发射器之间的相对位置关系；

③从机载摄像头拍摄的图像中搜索是否有合作灯阵图像以及从该图像中提取合作灯阵的排列关系并与预先存储的着陆引导标志信息进行对比和判断；

④然后根据这些信息进行综合计算，获得朝向目标停机位的着陆引导飞行路线。

进一步地，多个停机位与多个不同合作灯阵一一对应，所述不同的合作灯阵在本实施例中指多个点亮的圆形发光体排列成不同的组合；这些组合可对应不同功能的停机位，例如充电停机位、输油停机位、卸货停机位等，也可以对应不同机型的停机位，如大型机停机位，小型机停机位、植保机停机位等，也可以对应不同地址的停机位，例如应急避难所停机位、指挥所停机位等、维修站停机位等。

当停机位处于占用状态时，其对应的合作灯阵熄灭或者点亮特定组合的合作灯阵表示等待状态，供其他待着陆的无人机的着陆引导模块进行识别，以保证多个无人机有序降落，或采用其他冲突解决机制(如无线电应答或地基辅助引导)，避免多个无人机同时备降同一个停机位时造成事故。

在本实用新型实施例中，合作灯阵主要是用于飞行器视觉引导，供机载解算模块检测、识别、跟踪和引导降落。由于技术要求为全天候工作，因此合作灯阵工作时与地面反差愈大愈好，因而本实用新型中合作灯阵均布设在深色背景上如地面铺设的深色尼龙布上并进行固定。附图2实施例中地面合作标志由5个圆形发光体即5个LED灯盘组成，LED灯盘排布并固定在深色背景布(也可以是其他深色背景区域)上，并且其中4个LED灯盘排列成方形，1个LED灯盘位于该方形之外，并令这个LED灯盘作为顶点灯，停机位基准点与顶点灯形心之间的距离设定为ΔL。所述LED灯盘是由条状LED灯带盘绕而成的实心圆形发光体，每个LED灯盘的直径至少为300mm；每个LED灯盘的光度大于等于113000lm。所述深色背景布采用地钉固定在地面上，本实施例中深色背景布为方形深色尼龙布，其四角至少应用地钉固定于地面。所述深色背景布还设有配重单元，用于防风固定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，包括停机位和停机位基准点，以及设置在停机位附近的合作灯阵、供电单元、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I；以及设置于无人机上的着陆引导模块和卫星定位模块II，所述无人机是垂直起降型无人机，其中，

停机位，是无人机降落的指定位置；停机位基准点是停机位范围内的指定点，用于着陆引导计算，停机位基准点的位置应保证当无人机降落后无人机位于停机位范围内；

合作灯阵，是固定于停机位附近的具有特定排列组合方式的灯阵，用于配合无人机着陆引导模块引导无人机降落于指定停机位上；合作灯阵由多个圆形发光体组成；所述排列组合方式指处于点亮状态的各圆形发光体的排列方式，圆形发光体的数量大于4；合作灯阵的排列组合方式具有方向性；

无线电信标发射器，设置在停机位附近，用于发射特定规律的无线电信号供无人机的无线电测向模块接收和检测；

卫星定位模块I，用于测量停机位基准点的卫星定位数据；

合作灯阵、无线电信标、卫星定位模块II与停机位基准点的相对位置保持不变；

通信模块I用于将卫星定位模块I的数据发送给无人机的着陆引导模块或无人机地面遥控系统；

供电单元，用于为合作灯阵、无线电信标发射器、卫星定位模块I和通信模块I提供电源；

着陆引导模块固定在无人机上，包括机载摄像头、无线电测向模块、机载解算模块、通信模块II；机载摄像头、无线电测向模块、卫星定位模块II分别与机载解算模块相连，机载解算模块与通信模块II相连，其中，

机载摄像头固定在无人机上，且其光轴保持下视，用于拍摄停机位及其附近图像；

无线电测向模块，用于接收和检测无线电信标信号及其强度，并发送给机载解算模块；

卫星定位模块II用于获得无人机当前的位置信息；

机载解算模块，用于根据无线电测向模块检测到的无线电信标信号及其强度、机载摄像头拍摄的图像、目标地面停机位基准点的卫星定位数据、无人机当前位置的卫星定位数据进行数据融合计算，生成朝向目标停机位的着陆引导飞行路线；并将该路线经通信模块II发送给无人机飞行控制系统；

通信模块II用于与无人机飞行控制系统、无人机地面遥控系统及通信模块I进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，停机位设置在合作灯阵之外，且停机位与最近的一个圆形发光体的边缘之间的距离大于备降无人机机身最大长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，合作灯阵还包括灯阵控制器；各圆形发光体分别通过灯阵控制器与供电单元连接；灯阵控制器用于控制各圆形发光体的亮灭。

4.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，合作灯阵的每个圆形发光体的直径至少为300mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，所述圆形发光体是由条状LED灯带盘绕而成的实心圆形发光体，其排列时圆心之间的间距大于等于半径的3倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，每个LED灯盘的光度大于等于113000lm。

7.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，当停机位设置于移动平台时，所述停机位还包括固定装置，用于将无人机降落后将其固定在停机位上。

8.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，停机位基准点与合作灯阵的距离由机载摄像头光轴与垂直方向的夹角确定。

9.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，通信模块II与无人机飞行控制系统之间采用全双工RS422协议并经光电隔离进行连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于多模导航的无人机着陆引导系统，其特征在于，机载解算模块包括依次连接的差分缓冲放大器、ADC、光电隔离器，还包括恒流源和比较器；比较器启动恒流源给机载摄像头、无线电测向模块供电；

机载解算模块还包括信号处理单元、FPGA、FLASH、PROM、数据压缩和存储模块，所述信号处理单元与FPGA、FLASH分别相连，FPGA还与数据压缩和存储模块、光电隔离器、卫星定位模块II、无线电测向模块相连；其中FPGA用于完成数据的AD采集和数据缓存，并为机载摄像头、卫星定位模块II、无线电测向模块、通信模块II、ADC和信号处理单元读写提供时序和逻辑控制；信号处理单元用于完成数据融合计算；PROM是FPGA程序存储器；数据压缩和存储模块用于对FPGA采集的数据进行压缩和存储。