CN209311915U - 一种旋翼无人机定点降落基站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种旋翼无人机定点降落基站，包括降落平台、用于驱动降落平台在水平面内移动的移动驱动机构以及平台控制系统；所述降落平台上设有用于无人机识别的参考标识；所述平台控制系统与无人机的无人机控制系统进行通信连接。本实用新型的移动驱动机构带动降落平台移动，以配合无人机的降落，能够让无人机始终与降落平台上的参考标识对准，确保无人机能够根据参考标识的位置准确下降，提高降落时的位置精度。

Description

一种旋翼无人机定点降落基站

技术领域

本实用新型涉及一种无人机基站，具体涉及一种旋翼无人机定点降落基站。

背景技术

随着技术的进步，无人机技术已经越来越成熟，并且已经广泛应用到军事、农业、航拍等领域中。基于电池驱动的无人机存在的一个最重要的问题是电能不足以让无人机长时间飞行，如旋翼机目前续航或滞空时间约20分钟左右，这个时间长度对旋翼机在较多行业领域的应用存在严重不足。尽管电池技术的发展，电能容量有所提高，但并没有取得实质性突破，在各种无人机载荷不断增加服务于行业领域的过程中，电池容量仍不够支撑无人机的长续航或滞空，这严重制约了无人机的发展，是无人机应用推广的一个公认的问题。另一方面，无人机通常是依靠GPS或其他导航系统进行飞行，因为受到气候环境、地理环境等影响，民用GPS等导航系统存在误差约3-5米，旋翼无人机降落到小型平台上时，就无法利用GPS实现，不能确保旋翼无人机能够准确降落到小型平台上。

为解决上述问题，现有技术中出现了一种通过识别图形的方法实现无人机的准确降落；例如，申请公布号为CN105652887A的实用新型专利申请文件公开了一种“采用二级图形识别的无人机降落方法”，具体公开了无人机首先通过识别基站上的第一级图形进行下降，当下降到一定高度时无人机切换为对第二级图形的识别，从而提高了无人机降落的精度，确保无人机能够定点降落到基站中；但是，仍存在以下问题：

无人机在识别第一级图形前需要通过GPS导航飞行至待降区，由于GPS导航的定位误差较大，无人机只能飞行至基站的附近，再通过图形识别的方式寻找基站的准确位置，从而才能飞行到基站的垂直上空，才可以进一步进行定点降落；在这过程中，无人机通过识别图形进行下降飞行，但在无人机下降到一定高度且与图形具有横向偏差时，无人机需要进行横向的飞行，此时，为了得到横向移动的动力，旋翼无人机需要倾斜一定的角度来获得动力，这个过程中无人机上的摄像头的位置会随无人机一起改变，导致基站上的图形不在无人机的识别范围内，此时无人机需要重新对图形进行识别才能进行进一步的横移，如此不断地反复多次调整，无人机才能飞行至基站图形的正上方进行降落，这样的降落方式不仅效率低，且降落精度差，难以实现无人机的定点降落；在实际操作中为了加快无人机的降落速度，当无人机下降到一定高度时，工作人员通过控制系统关闭无人机的动力，使得无人机直接垂直掉落，这样虽然能够加快无人机的降落速度，但对无人机的损坏大，且降落精度低。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术的不足，提供一种旋翼无人机定点降落基站，该基站能够让无人机始终对参考标识进行识别，从而确保无人机能够准确降落。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，包括降落平台、用于驱动降落平台在水平面内移动的移动驱动机构以及平台控制系统；所述降落平台上设有用于无人机识别的参考标识；所述平台控制系统与无人机的无人机控制系统进行通信连接。

本实用新型的一个优选方案，所述降落平台上设有多个导流孔。所述导流孔能够将无人机旋翼带来的气流往下疏通，降低了气流通过降落平台时的阻挡，从而减弱反向往上气流对无人机的影响，确保无人机能够平稳地降落在降落平台上。

优选地，所述降落平台包括固定台以及运动台，所述运动台的面积比固定台小，且所述固定台上设有用于容纳运动台的避让槽，所述移动驱动机构与运动台连接。

优选地，所述运动台的底部设有缓冲弹簧，无人机的降落架上设有缓冲元件。在无人机需要断电降落在运动台上时，通过缓冲弹簧和缓冲元件的作用能够提高无人机降落在运动台上时的稳定性，避免无人机与运动台直接发生硬性碰撞，发生较大的震动，减小冲击，对无人机起保护作用。

优选地，所述降落平台上的参考标识由多个相同形状的图案构成，这些图案由外到内设置且逐渐缩小。设置这样的参考标识有利于无人机在垂直下降过程中对参考标识的识别，当无人机下降到一定高度时，定位摄像系统无法识别位于最外侧的图案，但能够通过识别位于内侧的相同形状的图案作为参考标识，从而提高了无人机的降落精度。

优选地，所述降落平台上的参考标识由多个相同形状的图案构成，这些图案从大到小依次等距排列在降落平台上。由于某些无人机可能还有工作用摄像机(例如航拍无人机)，其一般挂在云台上，而云台一般是安装在无人机中间下部靠下的位置，此时，无人机的定位摄像系统中的定位摄像机一般放在无人机机体靠边的位置上(如机臂上)，这样就能够避免工作用摄像机和定位摄像机的安装冲突。而将参考标识从大到小依次等距排列设置，能够与设置在无人机靠边位置上的摄像头对应，便于无人机能够在上空较高定位时识别较大的参考标识，而接近降落平台时则可以识别较小的参考标识，在降落的最后阶段，要求最小的参考标识在摄像头的正下方，这样让摄像头更容易捕捉到最小的参考标识，提高降落的速度和精度。

本实用新型的一个优选方案，所述降落平台上以及无人机上均设有照明灯。降落平台上的照明灯能够让无人机在黑夜或光度较差的环境中快速寻找到降落平台，从而确定参考标识的位置，进而实现定点降落。无人机上的照明灯以便无人机在黑夜环境中飞行时将周围环境照亮，以便无人机的定位摄像系统对环境进行识别，确保正常飞行。

本实用新型的一个优选方案，所述移动驱动机构包括X驱动机构以及Y驱动机构；其中，所述X驱动机构驱动降落平台在水平方向沿X轴移动，所述Y驱动机构驱动降落平台在水平方向沿Y轴移动。

优选地，所述降落平台的下方设有中间连接台，所述X驱动机构以及Y驱动机构均由电机和丝杠传动机构构成，所述X驱动机构设置中间连接台上，所述Y驱动机构设置在X驱动机构的X丝杆螺母上，所述运动台与Y驱动机构的Y丝杠螺母连接。

优选地，还包括竖向驱动机构，该竖向驱动机构用于驱动降落平台在竖直方向沿Z轴移动；所述竖向驱动机构的动力输出轴与中间连接台连接。通过竖向驱动机构驱动降落平台主动上升的方式，同时配合无人机的平移调整，能够减轻地面效应和其他外界因数对无人机稳定性的影响，从而能够保证无人机准确降落在降落平台的指定位置上，并且通过降落平台向上移动，能够快速使得无人机降落在降落平台上，提高降落速度。

上述旋翼无人机定点降落基站的工作原理是：

首先，无人机的无人机控制系统启动返航指令流程，向无人机发出返航降落信号，无人机根据导航系统的指引飞行至降落平台的待降落区域的上空附近；无人机中的定位摄像系统开始寻找降落平台上的参考标识并进行识别；当在定位摄像系统的可视范围内识别到降落平台上的完整参考标识后，无人机控制系统根据参考标识的所在位置进行航线规划，并控制无人机向参考标识的正上空处飞行；无人机到达参考标识的正上空后，开始进行第一个下降阶段的降落，无人机控制系统控制无人机在下降过程中自行作平移调整，以确保在下降过程中无人机与参考标识对准；当无人机下降到与降落平台相距设定的高度时，进入第二个下降阶段的降落，无人机不再作主动平移调整，无人机控制系统持续地将无人机与降落平台的位置偏差信息传输到平台控制系统中，平台控制系统根据位置偏差信息向移动驱动机构发送执行信号，移动驱动机构根据执行信号对降落平台进行平移调整，使无人机与降落平台的参考标识始终对准，同时无人机与降落平台逐渐靠近，并最终降落在降落平台上，完成定点降落。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、由于降落平台设置于地面上，其水平调整的速度以及精度均远大于无人机在空中自行水平调整的速度和精度，因此本实用新型的移动驱动机构带动降落平台移动，以配合无人机的降落，能够让无人机始终与降落平台上的参考标识对准，确保无人机能够根据参考标识的位置准确下降，提高降落时的位置精度。

2、在最后的下降过程中，由于无人机无需主动做水平方向位置调整，从而不会出现因为无人机主动调整水平位置而出现的参考标识脱离视场、机体摇晃不定的情况，使得无人机能够快速降落到降落平台上，无人机降落的时间大大减小，无人机作业效率得以大大提升。

附图说明

图1-图2为本实用新型的旋翼无人机定点降落基站的第一个实施方式的结构示意简图，其中，图2为主视图，图3俯视图。

图3-图4为本实用新型的旋翼无人机定点降落基站的第二个实施方式的结构示意简图，其中，图3为主视图，图4为左视图。

图5为本实用新型的旋翼无人机定点降落基站的第三个实施方式的结构示意简图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

实施例1

参见图1-图2，本实施例的旋翼无人机定点降落基站，包括平台控制系统、降落平台以及用于驱动降落平台在水平面移动的移动驱动机构；所述降落平台上设有参考标识1；所述平台控制系统与无人机控制系统进行通信连接。平台控制系统可以由本地计算机构成，通过无线网络通讯模块与无人机控制系统进行无线通讯；平台控制系统包括处理器、存储器、电源等模块，处理器根据无人机控制系统发送过来的位置偏差信息生产移动驱动机构的控制系统，并控制移动驱动机构运动以进行水平方向的位置调整。

参见图1-图2，所述降落平台上设有多个导流孔5。所述导流孔5能够进一步将旋翼带来的气流往下疏通，降低了气流通过降落平台时的阻挡，从而减弱反向往上气流对无人机的影响，确保无人机能够平稳地降落在降落平台上。在此过程中，运用PID等先进的算法，优化无人机的降落过程，提高抗干扰的能力。

参见图1-图2，所述降落平台包括固定台3以及运动台4，所述运动台4的面积比固定台3小并设置于固定台3内部的中心，且所述固定台3上设有用于容纳运动台4的避让槽2，所述移动驱动机构与运动台4连接。本实施例中，只有固定台3设有导流孔5，当然所述固定台3和运动台4上均可设有所述导流孔5，以便提高导流的效果。为了便于无人机能够寻找到参考标识1，一般都会将参考标识1的图案设置得较大，同时基站的部分零件也会设置在降落平台上，因此需要很大的降落平台(一般长2m，宽2m)；若移动驱动机构直接驱动整个降落平台进行水平和升降移动去迎合无人机，体积较大的降落平台则无法实现快速与无人机对准，同时无人机控制系统的位置偏差信息发送到平台控制系统的过程中会存在一定的延迟(0.5秒左右)，因此，体积较大的降落平台在配合无人机的定位时会存在产生较大的滞后，而对于在空中保持高度飞行的无人机来说，若无法快速降落，在自然风力或其他外界因数下很容易出现较大的位置偏差，从而导致无人机无法准确降落到降落平台的指定位置上。而通过面积比固定台3小的运动台4作为与无人机对位且降落的平台，在移动驱动机构的驱动下，运动台4能够快速且准确地移动到位，并且能够减轻移动驱动机构的负载，提高移动精度的同时降低了成本；另外，在实际设置过程中，只需要运动台4的面积足够无人机降落即可，因此运动台4在上升过程中，相比于整个降落平台上升来说，能够有效地减轻气流的反向对无人机的稳定性影响，更加有利于无人机能够准确地降落到运动台4上；当无人机降落到运动台4上后，在移动驱动机构的驱动下，运动台4可以返回到与固定台3同一高度上，也可以下降到固定台3以下的位置处，缩进固定台3的下方，再进行后续的充电或其他处理。

所述运动台4的底部设有缓冲弹簧，无人机的降落架上设有缓冲元件。在无人机需要断电降落在运动台4上时，通过缓冲弹簧和缓冲元件的作用能够提高无人机降落在运动台4上时的稳定性，避免无人机与运动台4直接发生硬性碰撞，发生较大的震动，减小冲击，对无人机起保护作用。

参见图2，所述降落平台上的参考标识1由多个形状相同但大小不同的图案构成，这些图案由外到内设置且逐渐缩小。设置这样的参考标识1有利于无人机在垂直下降过程中对参考标识1的识别，当无人机下降到一定高度时，定位摄像系统无法识别位于最外侧的图案，但能够通过识别位于内侧的相同形状的图案作为参考标识1，从而提高了无人机的降落精度。

所述降落平台上设有照明灯，这样能够让无人机在黑夜或光度较差的环境中快速寻找到降落平台，从而确定参考标识1的位置，进而实现定点降落。另外，无人机上也可设置照明灯，以便无人机在黑夜环境中飞行时将周围环境照亮，以便无人机的定位摄像系统对环境进行识别，确保正常飞行。

参见图1，所述移动驱动机构包括X驱动机构8、Y驱动机构6；其中，本实施例的X驱动机构8以及Y驱动机构6均由电机和丝杠传动机构构成；所述运动台4的下方设有中间连接台9，所述X驱动机构8设置在中间连接台9上，所述Y驱动机构6设置在X驱动机构8的X丝杆螺母8-2上，由X电机8-1驱动X丝杆螺母8-2移动；所述运动台4与Y驱动机构6的Y丝杠螺母6-2连接，由Y电机6-1驱动Y丝杠螺母6-2移动。

另外，在中间连接台与Y驱动机构之间设有导向机构10，该导向机构10的导轨固定设置在中间连接台9上，导向机构10的滑块与Y驱动机构6的底部连接。通过导向机构10的设置，提高Y驱动机构6的移动精度，从而提高运动台4的移动精度。

参见图1-图2，本实施例的旋翼无人机定点降落基站的工作原理：

当无人机下降到一定高度时，无人机不再作平移调整，在降落平台作平移调整的同时，无人机继续下降，逐渐靠近降落平台，最终降落在降落平台的指定位置上。在无人机下降过程中，不再作平移调整，通过降落平台的移动确保无人机能够与降落平台上的参考标识对准，通过无人机主动降落的方式靠近降落平台，从而能够让无人机精确地降落到降落平台的指定位置上。此时，由于运动台4需要作平移移动，因此固定台3上的避让槽2需要设置更大，让运动台4有足够的空间移动；并且，所述运动台4不需要进行Z轴方向的移动，因此可不设置竖向驱动机构。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：

还包括竖向驱动机构7，该竖向驱动机构7用于驱动降落平台在竖直方向沿Z轴移动；所述竖向驱动机构7的动力输出轴与中间连接台9连接。所述竖向驱动机构7可以由气缸构成，或由电机和丝杠传动机构构成，或者由其他线性动力机构构成。

参见图2-图4，本实施例的旋翼无人机定点降落基站的工作原理：

当无人机下降到距离降落平台20-30cm时，无人机不再作平移调整，且不继续下降，稳定保持在距离降落平台20-30cm的高度位置上；无人机控制系统将位置偏差信息发送至平台控制系统，平台控制系统根据位置偏差信息的相关数据向移动驱动机构发送对应的X方向移动信号以及Y方向移动信号，移动驱动机构驱动降落平台进行X方向以及Y方向的水平移动，促使降落平台随无人机的移动而移动，确保降落平台上的参考标识1保持与无人机对准；与此同时，平台控制系统向竖向驱动机构发送Z方向移动信号，竖向驱动机构驱动降落平台沿Z方向竖直向上移动，不断向上靠近无人机。

在无人机保持在某一高度时，在地面效应和自然风力等干扰因数下，无人机仍然会进行一定幅度的水平移动调整(无人机的水平移动精度大约为5cm)，以确保基体的稳定性，因此为了让无人机能够准确地降落在降落平台的指定位置上，降落平台需要根据无人机的偏移而进行平移调整，才能确保无人机与降落平台上的参考标识1对准，从而保证无人机能够降落在降落平台的指定位置上。

当降落平台上升到距离无人机大约10cm时，降落平台不再作X方向和Y方向的水平移动，保持Z方向的竖直向上移，快速靠近无人机，同时无人机也作断电处理，最终无人机稳定且准确地降落在降落平台上，实现精准降落。

在无人机降落过程中，根据实际降落情况，无人机可在非常接近降落平台时选择直接断电处理，直接掉落在降落平台的指定位置上。此时由于无人机非常靠近降落平台，因此选择断电处理也能够保证无人机的降落精度。当然，也可以选用降落平台一直上升，直至与无人机接触为止，无人机再做断电处理。

无人机在下降过程中，一般会出现空气动力学的地面效应，气候环境导致的随机风力和固定风力的干扰产生，无人机很难稳定地一直保持竖直向下降落，因此在下降过程中无人机需要进行平移调整，需要倾斜才能分配水平动力，由于无人机的飞行特性，调整完成后制动也需要反向倾斜，并有突然性(平移调整的驱动过程难以平缓过渡)，此时，定位摄像系统中的摄像机随无人机的机体倾斜而造成视场晃动(摆动)，参考标识可能脱离视场。另一方面，无人机平移调整的动力学特点，使其角度倾斜进行平移调整的误差，将远大于视觉定位的精度，这都会导致无人机无法准确降落到指定位置上；另外，随机风速的干扰会使无人机处于反复调整状态，致使下降过程耗时很长甚至无法完成。而通过降落平台主动上升的方式，同时配合无人机的平移调整，能够减轻地面效应和其他外界因数对无人机稳定性的影响，从而能够保证无人机准确降落在降落平台的指定位置上，并且通过降落平台向上移动，能够快速使得无人机降落在降落平台上，提高降落速度。

另外：

当无人机下降到一定高度时，无人机不再作平移调整，移动驱动机构驱动降落平台作平移调整的同时，竖向驱动机构7驱动降落平台向上移动；与此同时，无人机下降，无人机与降落平台逐渐相互靠近，最终无人机降落在降落平台的指定位置上。在无人机的第二下降阶段过程中，降落平台与无人机同时移动靠近，从而有效缩短无人机到达降落平台的时间，使得无人机能够更加快速降落到降落平台的指定位置上。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：

参见图5，所述降落平台上的参考标识1由多个相同形状的图案构成，这些图案从大到小依次等距排列在降落平台上。由于某些无人机可能还有工作用摄像机(例如航拍无人机)，其一般挂在云台上，而云台一般是安装在无人机中间下部靠下的位置，此时，定位摄像机一般放在无人机机体靠边的位置上(如机臂上)，这样就能够避免工作用摄像机和定位摄像机的安装冲突。而将参考标识1从打到校依次等距排列设置，能够与设置在无人机靠边位置上的摄像头对应，便于无人机能够在上空较高定位时识别较大的参考标识1，而接近降落平台时则可以识别较小的参考标识1。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，包括降落平台、用于驱动降落平台在水平面内移动的移动驱动机构以及平台控制系统；所述降落平台上设有用于无人机识别的参考标识；所述平台控制系统与无人机的无人机控制系统进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述降落平台上设有多个导流孔。

3.根据权利要求2所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述降落平台包括固定台以及运动台，所述运动台的面积比固定台小，且所述固定台上设有用于容纳运动台的避让槽，所述移动驱动机构与运动台连接。

4.根据权利要求3所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述运动台的底部设有缓冲弹簧，无人机的降落架上设有缓冲元件。

5.根据权利要求1所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述降落平台上的参考标识由多个相同形状的图案构成，这些图案由外到内设置且逐渐缩小。

6.根据权利要求1所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述降落平台上的参考标识由多个相同形状的图案构成，这些图案从大到小依次等距排列在降落平台上。

7.根据权利要求1所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述降落平台以及无人机上均设有照明灯。

8.根据权利要求3或4所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述移动驱动机构包括X驱动机构以及Y驱动机构；其中，所述X驱动机构驱动降落平台在水平方向沿X轴移动，所述Y驱动机构驱动降落平台在水平方向沿Y轴移动。

9.根据权利要求8所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，所述降落平台的下方设有中间连接台，所述X驱动机构以及Y驱动机构均由电机和丝杠传动机构构成，所述X驱动机构设置中间连接台上，所述Y驱动机构设置在X驱动机构的X丝杆螺母上，所述运动台与Y驱动机构的Y丝杠螺母连接。

10.根据权利要求9所述的旋翼无人机定点降落基站，其特征在于，还包括竖向驱动机构，该竖向驱动机构用于驱动降落平台在竖直方向沿Z轴移动；所述竖向驱动机构的动力输出轴与中间连接台连接。