JP6405048B2 - 回転翼機及びその自動着陸システム及び方法 - Google Patents

回転翼機及びその自動着陸システム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、航空機技術分野に関し、特に回転翼機の自動着陸システムと、当該自動着陸システムを有する回転翼機及び回転翼機の自動着陸方法とに関する。
四回転翼航空機は変数が多く、カップリングが強く、複雑な非線形システムであり、三次元の空間で運動するため、その飛行姿勢及び運動軌跡を制御することは地上ロボットを制御することよりさらに困難である。限られた負荷能力及び電源の制限を受けて、小型回転翼機は機載の手軽なセンサシステム（例えば、視覚センサ、小型レーザー距離計）により外部環境を感知する。また、機載の制御パネルの演算能力が限られているので、機載の制御パネルにおいて複雑な視覚及び制御アルゴリズムの演算をすることは困難である。従って、いかにして機載の小型センサシステムにより外部環境を感知するか、いかにしてその運動軌跡をリアルタイムに計画し制御して小型回転翼機の自律飛行を実現するかは、非常に挑戦的な課題である。
本発明の目的は、従来技術における少なくとも一つの技術的課題をある程度解決することである。このため、本発明の一つ目の目的は、回転翼機の自動着陸システムを提供し、回転翼機が所定位置に自動的に正確に着陸するのを実現する。
本発明の二つ目の目的は、回転翼機の自動着陸方法を提供することである。本発明の三つ目の目的は、回転翼機を提供することである。
上記目的の一つを達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
回転翼機の自動着陸システムは、制御器と、レーザー発射器と、カメラと、電子ガバナーと、回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーターと、を含み、レーザー発射器及びカメラがいずれも前記回転翼機の機体の底部に位置し、レーザー発射器が二つの発射ヘッドを有し、二つの発射ヘッドがそれぞれ出射する一つのレーザービームが前記機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなすように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、レーザービームと中心軸線との間に形成した夾角が鋭角であり、
前記カメラは、着陸目標画像及び二つのレーザービームの地面における投影により形成された距離画像を取得し、
前記制御器は、取得された距離画像及び着陸目標画像のリアルタイムなデータを分析し、レーザービームと中心軸線との夾角と、距離画像及び着陸目標画像のリアルタイムなデータと、飛行時間とに基づいて、回転翼機の現在の飛行速度と、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離とを計算し、計算結果に基づいて対応する制御信号を前記電子ガバナーに出力し、電子ガバナーにモーターの回転速度を制御させ、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるように制御する。
上記二つ目の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
回転翼機の自動着陸方法は、本発明に記載の回転翼機の自動着陸システムに適用され、当該方法は、
カメラが、二つのレーザービームの地面における投影により形成された距離画像をリアルタイムで取得するステップと、
制御器が、レーザービームと中心軸線との夾角と、リアルタイムな距離画像と、飛行時間とに基づいて、回転翼機の現在の飛行速度を計算し、カメラが着陸目標画像を取得した後、制御器が、レーザービームと中心軸線との夾角と、リアルタイムな距離画像及び着陸目標画像のリアルタイムなデータと、飛行時間とに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を計算し、計算結果に基づいて対応する制御信号を前記電子ガバナーに出力するステップと、
電子ガバナーが、前記制御信号に基づいて、モーターの回転速度を制御して、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるように制御するステップと、を含む。
本発明は、レーザー発射器と、カメラと、制御器との協力により、回転翼機の飛行速度及び変位を制御し、自動着陸の効果を実現することができるので、ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを取り付ける必要がない、という有益な効果がある。
上記目的を実現するために、本発明の第一側面の実施例で提出された回転翼機の自動着陸システムは、回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーターと、前記モーターに接続され、前記モーターの回転速度を調節する電子ガバナーと、第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドを有し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなすように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、前記レーザービームと前記中心軸線との間が所定角度を呈し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に投影を形成するレーザ発射器と、前記回転翼機の機体の底部に設けられ、着陸目標画像と前記投影が形成した距離画像とを撮影する撮影装置と、前記着陸目標画像及び前記距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、前記所定角度と、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の現在位置と前記着陸目標画像との空間距離を取得し、前記空間距離に基づいて前記電子ガバナーを制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする制御器と、を含む。
本発明の実施例による回転翼機の自動着陸システムは、撮影装置により着陸目標画像と、第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に形成した投影の距離画像とを撮影し、その後制御器が着陸目標画像及び距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、所定角度と、着陸目標画像と距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を取得し、空間距離に基づいて電子ガバナーを制御し、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるようにして、回転翼機が所定位置に自動着陸することを実現し、ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを採用する必要がない。
本発明の一つの実施例によると、前記空間距離は、前記回転翼機の高さと、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標とを含み、前記制御器は前記所定角度と、前記距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の高さを計算し、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標を計算する。
そのうち、前記制御器が前記着陸目標画像に対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記着陸目標画像が識別できた時に、前記電子ガバナーを制御することにより、前記回転翼機が現在の高さを保持したままにし、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標に基づいて、前記電子ガバナーを制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像の真上に移動させる。
また、前記回転翼機が前記着陸目標画像の真上に移動した時に、前記制御器は前記回転翼機の現在の高さに基づいて前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする。
本発明の一部の実施例において、前記所定角度が鋭角である。
本発明の一つの実施例によると、前記レーザ発射器が赤外線レーザ発射器である。
本発明の一つの実施例によると、前記モーターが直流ブラシレスモーターである。
本発明の一つの実施例によると、前記撮影装置が前記機体の底部の中心位置に設けられている。
本発明の一つの実施例によると、前記レーザ発射器が前記機体の底部に設けられてもいい。
本発明のもう一つの実施例によると、前記レーザー発射器の第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドが前記回転翼機の対称する二つのアームの端末にそれぞれ対応して設けられている。
なお、本発明の実施例は、上記回転翼機の自動着陸システムを含む回転翼機をさらに提供する。
本発明の実施例における回転翼機は、ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを採用せず、自動着陸の効果を実現することができる。
上記目的を実現するために、本発明の第二側面の実施例は回転翼機の自動着陸方法を提供し、そのうち、前記回転翼機の自動着陸システムは、回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーターと、前記モーターに接続される電子ガバナーと、レーザー発射器と、撮影装置とを含み、前記撮影装置が前記回転翼機の機体の底部に設けられ、レーザー発射器が第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドを有し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなすように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、前記レーザービームと前記中心軸線との間が所定角度を呈し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に投影を形成し、前記方法は、前記撮影装置により着陸目標画像と前記投影が形成した距離画像とを撮影するステップと、前記着陸目標画像及び前記距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、前記所定角度と、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の現在位置と前記着陸目標画像との空間距離を取得するステップと、前記空間距離に基づいて前記電子ガバナーを制御することにより、前記モーターの回転速度を制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにするステップと、を含む。
本発明の実施例における回転翼機の自動着陸方法によると、撮影装置により着陸目標画像と、第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に形成した投影の距離画像とを撮影し、その後着陸目標画像及び距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、所定角度と、着陸目標画像と距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を取得し、空間距離に基づいて電子ガバナーを制御することにより、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるようにし、回転翼機が所定位置に自動着陸することを実現し、ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを採用する必要がない。なお、当該自動着陸方法には複雑な制御アルゴリズムを必要としなく、簡単で、信頼性があり、実現しやすい。
本発明の一つの実施例によると、前記空間距離は、前記回転翼機の高さと、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標とを含み、前記回転翼機の高さは前記所定角度と、前記距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて計算して取得され、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標は前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データに基づいて計算して取得される。
本発明の一つの実施例によると、前記着陸目標画像に対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記着陸目標画像が識別できた時に、前記電子ガバナーを制御することにより、前記回転翼機が現在の高さを保持したままにし、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標に基づいて、前記電子ガバナーを制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像の真上に移動させ、前記回転翼機が前記着陸目標画像の真上に移動した時に、前記回転翼機の現在の高さに基づいて前記電子ガバナーを制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする。
本発明の一部の実施例において、前記所定角度が鋭角である。
本発明の好ましい実施例における回転翼機の自動着陸システムの原理を示す概略図である。 本発明の一つの実施例における着陸目標画像の概略図である。 本発明の一つの実施例における回転翼機の自動着陸方法のフローチャートである。 本発明の好ましい実施例における回転翼機の自動着陸システムの回転翼機の高さの変化を示す概略図である。 本発明の好ましい実施例における回転翼機の自動着陸システムの回転翼機の水平変位の変化を示す概略図である。
１００ 回転翼機
１０ 制御器
２０ レーザー発射器、
３０ カメラ
４０ 電子ガバナー
５０ モーター
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。前記実施例における例が図面に示されるが、そのうち、同一または類似する符号は、常に、同一又は類似する部品、或いは、同一又は類似する機能を有する部品を表す。以下に、図面を参照しながら説明される実施例は例示的なものであり、本発明を解釈するためだけに用いられ、本発明を限定するものと理解してはいけない。
以下に、図面を参照して本発明の実施例により提供された回転翼機の自動着陸システムと、当該自動着陸システムを有する回転翼機と、回転翼機の自動着陸方法とを説明する。
図１に示すように、本発明の一つの実施例で提供された回転翼機の自動着陸システムは、制御器１０と、レーザー発射器２０と、撮影装置例えばカメラ３０と、電子ガバナー４０と、回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーター５０と、を含む。
電子ガバナー４０がモーター５０に接続され、モーター５０の回転速度を調節する。レーザー発射器２０及び撮影装置、例えばカメラ３０は、いずれも前記回転翼機の機体の底部に設けられてもいい。レーザー発射器２０は、二つの発射ヘッドである第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドを有し、二つの発射ヘッドである第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ射出したレーザービームは前記機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなすように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、前記レーザービームと前記中心軸線との間は所定角度を呈し、且つ当該所定角度は鋭角であってもよく、即ち、レーザービームと中心軸線とが形成した夾角αは鋭角である。第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームは前記地面に投影を形成する。
本発明のその他の実施例において、レーザー発射器２０はほかの設置方式を採用してもいい。例えば、前記レーザー発射器における第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドは、前記回転翼機の対称する二つのアームの端末にそれぞれ対応して設けられている。
撮影装置、例えばカメラ３０は、着陸目標画像と前記投影が形成した距離画像とを撮影するものである。制御器１０は、前記着陸目標画像及び前記距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、前記所定角度と、前記着陸目標画像及び前記距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の現在位置と前記着陸目標画像との空間距離を取得し、前記空間距離に基づいて、前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする。
具体的に、カメラ３０は、着陸目標画像と、二つのレーザービームの地面における投影により形成された距離画像とを撮影し、即ち、二つのレーザービームが地面に照射して二つのスポットを形成し、カメラ３０がこの二つのスポットを撮影すると、距離画像を得ることができる。その後、制御器はこの二つのスポットの間の距離を計算することにより取得する。そのうち、着陸目標画像は水平面のｘ及びｙの相対座標値を判断することに用いられ、レーザービームが地面に形成した距離画像は回転翼機の高さＨの値を判断することに用いられる。制御器１０は、取得された距離画像と着陸目標画像とのリアルタイムな画像データを読み出し分析し、レーザービームと中心軸線との夾角αと、リアルタイムな距離画像と着陸目標画像とに対応するリアルタイムな画像データと、飛行時間とに基づいて、回転翼機の現在の飛行速度、及び回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を計算し、計算結果に基づいて対応する制御信号を前記電子ガバナーに出力することにより、電子ガバナーがモーターの回転速度を制御し、回転翼機の飛行速度及び変位を制御し、回転翼機が着陸目標画像に着陸されるように制御する。前記夾角αはあらかじめ制御器に保存されており、制御器の計算及び判断に使用される。
本発明の一つの実施例において、レーザー発射器は赤外線レーザー発射器であってもいい。モーターは直流ブラシレスモーターであってもいい。また、回転翼機は四回転翼航空機であってもいいので、プロペラの数が四つであり、モーターの数も四つであり、且つ一つのモーターが一つのプロペラを対応的に駆動する。
具体的に、空間距離は、回転翼機の高さと、回転翼機の着陸目標画像に対する平面座標とを含む。そのうち、制御器１０は所定角度と、距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、回転翼機の高さＨを計算し、着陸目標画像と距離画像とに対応するリアルタイムな画像データに基づいて、回転翼機の着陸目標画像に対する平面座標（ｘ，ｙ）を計算する。また、制御器１０は着陸目標画像に対応するリアルタイムな画像データに基づいて、着陸目標画像が識別できた時に、電子ガバナーを制御することにより、回転翼機が現在の高さを保持したままにし、回転翼機の着陸目標画像に対する平面座標に基づいて電子ガバナーを制御し、回転翼機を着陸目標画像の真上に移動させる。回転翼機が着陸目標画像の真上に移動した時に、制御器１０は回転翼機の現在の高さに基づいて電子ガバナーを制御し、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるようにする。
即ち、地面のマークである着陸目標画像が識別できた時に、回転翼機が現在の高さを保持したまま、着陸目標画像の真上に移動するように制御する。回転翼機が着陸目標画像中心の真上に到着した時に、回転翼機が所定速度で下落するように制御する。下落するとともに、回転翼機が水平のばらつきによって自体の位置をリアルタイムで調整するように制御することにより、回転翼機が着陸目標画像の位置に着陸するまでずっと着陸目標、即ち着陸目標画像の真上に保持される。
本発明の実施例における回転翼機の自動着陸システムで使用される制御アルゴリズムは、通常のＰＩＤ（比例積分微分）制御アルゴリズムであってもいい。そのうち、回転翼機に対する自動着陸制御は、水平位置制御と、垂直高さ制御とに分けられる。水平位置制御により回転翼機がずっと着陸目標、即ち着陸目標画像の真上に保持される。垂直高さ制御は、回転翼機の地面着陸目標からの高さ及び垂直下落速度を制御することであり、回転翼機を着陸目標画像の位置に正確に安定的に着陸させる。
具体的に、撮影装置、例えばカメラは機体の底部の中心位置に設けられてもいい。即ち、回転翼機はずっと着陸目標画像の中心（ｘ０，ｙ０）に位置することができる。仮に着陸目標画像の位置（ｘ１，ｙ１）を識別できた場合、着陸目標画像の中心位置が識別された目標の位置と一致していなければ、回転翼機が地面の着陸目標画像の真上に位置していないことを示し、回転翼機の位置を調整する必要がある。そのうち、（ｅｒｒ−ｘ，ｅｒｒ−ｙ）は回転翼機の中心と地面着陸目標との画像における誤差である。この誤差に基づいて、ＰＩＤアルゴリズムでモーターを制御するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，パルス幅変調）信号を算出する。制御器１０はこのＰＷＭ信号を電子ガバナーに送信することにより、モーターの回転速度が変化されるように駆動し、回転翼機をある方向に向かって移動させる。垂直高さ制御は、高さ制御と、速度制御とに分けられ、高さ制御は主に回転翼機の現在の飛行速度を判断し、回転翼機が地面目標に着陸した後に、回転翼機のモーターをオフさせる。速度制御は回転翼機が所定速度で下落するように制御し、同じくＰＩＤ制御アルゴリズムを用いる。
着陸目標画像は、あらかじめ設けられた特定パターン、例えば一つの外側が円形で内側が角形の画像であってもよい。前記内側が角形の画像内に、より小さい外側が円形で内側が角形の画像が存在し、近距離で着陸する場合に、小さい方の外側が円形で内側が角形の画像が識別用として依然にカメラの撮影範囲内にある。
即ち、本発明の一つの実施例によると、着陸目標画像は同一中心を有する、少なくとも一つの外側が円形で内側が角形のパターンの組み合せである。具体的に、図２に示すように、着陸目標画像は同一中心を有する、二つの外側が円形で内側が角形のパターンの組み合せであり、即ち、大きい外側が円形で内側が角形の画像ｍ及び小さい外側が円形で内側が角形の画像ｎである。この画像は、一つの円の内部に一つの矩形がはめ込まれる、即ち、大きい外側が円形で内側が角形の画像ｍであり、同時に矩形の内部にもう一つの小さい方の同様な画像ｎが存在する。このように設計する目的は、遠距離でも、近距離でもパターンが見えるようにするためである。カメラは、遠距離の場合に、外部の大きい方の円及び矩形を識別し、近距離の場合に、小さい方の円及び矩形を識別する。
まず、カメラがリアルタイムな画像を撮影し、その後、ハフ変換アルゴリズムで画像における円を識別する。識別された円の内部で矩形を検出する。矩形が検出され、円の面積と矩形の面積との割合が所定パターンの割合に合致し、且つ円心の位置が矩形の中心の位置と一致すると、この円及び矩形が確かに着陸すべき目標点であると認識する。
本発明の実施例における回転翼機の自動着陸システムによると、撮影装置、例えばカメラにより着陸目標画像と、第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが地面に投影を形成した距離画像とを撮影し、その後制御器が着陸目標画像及び距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、所定角度と、着陸目標画像と距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を取得し、空間距離に基づいて電子ガバナーを制御し、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるようにして、回転翼機が所定位置に自動着陸することを実現する。ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを採用する必要がなく、また、自動着陸の制御アルゴリズムが簡単で、信頼性があり、実現しやすい。
なお、本発明の実施例は上記回転翼機の自動着陸システムを含む回転翼機をさらに提供する。
本発明の実施例における回転翼機は、ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを採用せず、自動着陸の効果を実現することができ、また、用いる自動着陸の制御アルゴリズムが簡単で、信頼性ががり、実現しやすい。
最後に、本発明の実施例は回転翼機の自動着陸方法をさらに提供する。回転翼機の自動着陸方法は回転翼機の自動着陸システムに適用され、そのうち、前記回転翼機の自動着陸システムは、回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーターと、前記モーターに接続される電子ガバナーと、レーザー発射器と、撮影装置とを含み、前記撮影装置が前記回転翼機の機体の底部に設けられ、前記レーザー発射器が第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドを有し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームは前記機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなすように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、前記レーザービームと前記中心軸線との間が所定角度を呈し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームは前記地面に投影を形成する。図３に示すように、当該回転翼機の自動着陸方法は、以下のステップＳ１０〜Ｓ３０を含む。
Ｓ１０において、撮影装置、例えばカメラにより着陸目標画像と、第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームの地面における投影が形成した距離画像とを撮影する。
そのうち、着陸目標画像は同一中心を有する、少なくとも一つの外側が円形で内側が角形のパターンの組み合せである。具体的に、図２に示すように、着陸目標画像は同一中心を有する、二つの外側が円形で内側が角形のパターンの組み合せであり、即ち、大きい外側が円形で内側が角形の画像ｍ及び小さい外側が円形で内側が角形の画像ｎである。この画像は、一つの円の内部に一つの矩形がはめ込まれる、即ち、大きい外側が円形で内側が角形の画像ｍであり、同時に矩形の内部にもう一つの小さい方の同様な画像ｎが存在するパターンである。
Ｓ２０において、着陸目標画像及び距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、所定角度と、着陸目標画像と距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を取得する。
図４に示すように、そのうち、所定角度が鋭角αであってもいい。
Ｓ３０において、空間距離に基づいて、電子ガバナーを制御することにより、モーターの回転速度を制御して、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるようにする。
本発明の一つの実施例によると、空間距離は、前記回転翼機の高さと、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標とを含み、そのうち、前記回転翼機の高さが前記所定角度と、前記距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて計算して取得され、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標が前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データに基づいて計算して取得される。
また、前記着陸目標画像に対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記着陸目標画像が識別できた時に、前記電子ガバナーを制御することにより、前記回転翼機が現在の高さを保持したままにし、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標に基づいて、前記電子ガバナーを制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像の真上に移動させる。前記回転翼機が前記着陸目標画像の真上方に移動した時に、前記回転翼機の現在の高さに基づいて前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする。
本発明の実施例における回転翼機の自動着陸方法によると、撮影装置により着陸目標画像と、第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に投影を形成した距離画像とを撮影し、その後着陸目標画像及び距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、所定角度と、着陸目標画像と距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離を取得し、空間距離に基づいて、電子ガバナーを制御して、回転翼機を着陸目標画像に着陸させるようにし、回転翼機が所定位置に自動着陸することを実現する。また、ＧＰＳモジュールやレーザ距離計などのデバイスを採用する必要がない。なお、当該自動着陸方法は複雑な制御アルゴリズムを必要としなく、簡単で、信頼性があり、実現しやすい。

本発明の実施例における回転翼機の自動着陸方法は、本実施例に記載の回転翼機の自動着陸システムに適用される。当該方法は、
カメラが二つのレーザービームの地面における投影が形成した距離画像をリアルタイムで取得するステップ１と、
制御器がレーザービームと中心軸線との夾角αと、リアルタイムな距離画像と、飛行時間とに基づいて、回転翼機の現在の飛行速度と（昇降速度及び水平変位速度を含む）を計算し、カメラが地面にあらかじめ設けられた着陸目標画像を得た後、制御器がレーザービームと中心軸線との夾角αと、リアルタイムな距離画像及び着陸目標画像のリアルタイムな画像データと、飛行時間とに基づいて、回転翼機の現在位置と着陸目標画像との空間距離と、現在の飛行速度とを計算し、計算結果に基づいて対応する制御信号を前記電子ガバナーに出力するステップ２と、
電子ガバナーが前記制御信号に基づいてモーターの回転速度を制御して、回転翼機が着陸目標画像に着陸するように制御するステップ３と、を含む。
図4及び図5に示すように、本実施例における飛行速度及び空間距離の計算原理が以下のとおりである。
回転翼機１００が異なる高さにある場合、レーザービームと中心軸線との夾角αは変化しないが、二つのレーザービームの地面における投影による距離は高さの変化に伴って変化する。この変化された距離がカメラによってリアルタイムで取得されることができる。例えば、回転翼機１００の水平方向における位置がＡ（ｘ１，ｙ１）である場合、対応する飛行高さがＨ１＝Ｌ１/２ｔａｎαであり、飛行時間がＴ１である。回転翼機１００が位置Ｂ（ｘ２，ｙ２）に飛行した場合、飛行時間がＴ２であり、飛行高さがＨ２＝Ｌ２/２ｔａｎαである。位置Ａと位置Ｂとの時間差がΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１であり、高さの差がΔＨ＝Ｈ２−Ｈ１である。カメラにより前後の二つの飛行時間の水平変位差（Δｘ，ΔＹ）を取得する。カメラの水平位置のデータを取得することは先行技術であるため、ここでは説明を省略する。そして、Ｖ＝｛ΔＨ/ΔＴ，Δｘ/ΔＴ，Δｙ/ΔＴ｝により現在の飛行速度Ｖを取得する。
位置Ｃが着陸目標画像の位置である場合、カメラによりレーザー発射器が地面に照射した二つのスポットの距離画像及び着陸目標画像を取得すると、回転翼機の現在の位置と位置Ｃとの空間距離が、高さＨｎ及び水平位置距離（ｘｎ，ｙｎ）を含み、そのうち、ＨｎがＨ１、Ｈ２、Ｈ３などであり、（ｘｎ，ｙｎ）が（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）など異なる時点の位置データであることがわかり、且つ現在の速度Ｖ＝｛ΔＨ/ΔＴ，Δｘ/ΔＴ，Δｙ/ΔＴ｝であることがわかる。回転翼機の現在の飛行位置情報及び飛行速度情報を取得した後、目標着陸位置に到着するには、制御器が計算により誤差値を取得し、ＰＩＤアルゴリズムを用いて電子ガバナーに異なるＰＷＭ値を付与し、モーターの回転速度を制御することにより、所定変位及び所定速度を実現し、目標位置に到着する。そのうち、ＰＩＤアルゴリズムは熟成した既存のアルゴリズムであり、ここでは説明を省略する。
本実施例は、複雑なアルゴリズム及び高価なデバイスを必要としないので、回転翼機の製造コストが低減される。
本発明の説明において、「中心」、「縦方向」、「横方向」、「長さ」、「幅」、「厚み」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「鉛直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」、「時計回り」、「逆時計回り」、「軸方向」、「径方向」、「周方向」などの用語が示す方位又は位置関係は、図面に示す方位又は位置関係に基づき、本発明を便利且つ簡単に説明するためだけに使用されるものであり、指定された装置又は部品が特定の方位にあり、特定の方位において構造・操作されると指示又は示唆するものではないので、本発明に対する限定と理解してはいけない。
なお、「第一」、「第二」の用語は目的を説明するためだけに用いられるものであり、比較的な重要性を指示又は示唆するか、又は示された技術的特徴の数を黙示的に指示すると理解してはいけない。そこで、「第一」、「第二」が限定されている特徴は少なくとも一つの前記特徴を含むことを明示又は示唆するものである。本発明の説明において、明確且つ具体的な限定がない限り、「複数」は少なくとも二つを意味する。例えば、二つ、三つなどである。
本発明において、明確な規定と限定がない限り、「取り付ける」、「互いに接続する」、「接続する」、「固定する」などの用語の意味は広く理解されるべきである。例えば、固定接続であってもいいし、着脱可能な接続であってもいいし、又は一体的な接続であってもいい。机械的な接続であってもいいし、電気的な接続であってもいい。直接な接続であってもいいし、中間媒体を介した間接な接続であってもいい。二つの部品の内部連通、又は二つの部品の相互作用関係であってもいい。当業者にとって、具体的な場合に応じて上記用語の本発明においての具体的な意味を理解することができる。
本発明において、明確な規定と限定がない限り、第一特徴が第二特徴の「上」又は「下」にあることは、第一特徴と第二特徴とが直接的に接触することを含んでも良いし、第一特徴と第二特徴とが中間媒介を介して間接に接触することを含んでもよい。また、第一特徴が第二特徴の「上」、「上方」又は「上面」にあることは、第一特徴が第二特徴の真上及び斜め上にあることを含むか、又は単に第一特徴の水平高さが第二特徴より高いことだけを表す。第一特徴が第二特徴の「下」、「下方」又は「下面」にあることは、第一特徴が第二特徴の真下及び斜め下にあることを含むか、又は単に第一特徴の水平高さが第二特徴より低いことだけを表す。
本明細書の説明において、「一つの実施例」、「一部の実施例」、「例」、「具体的な例」、又は「一部の例」などの用語を参考した説明とは、該実施例或いは例に合わせて説明された具体的な特徴、構成、材料、又は特徴が、本発明の少なくとも一つの実施例或いは例に含まれることである。本明細書において、上記用語に対する例示的な描写は、必ずしも同じ実施例或い例を示すことではない。また、説明された具体的な特徴、構成、材料、又は特徴は、いずれか一つ或いは複数の実施例又は例において適切に結合することができる。なお、お互いに矛盾しない場合、当業者は本明細書において説明された異なる実施例又は例及び異なる実施例又は例の特徴を結合及び組み合わせすることができる。
以上、本発明の実施形態を示し、また説明したが、上記実施例が例示的なものであると理解すべきであり、本発明への限定であると理解してはいけない。普通の当業者が本発明の範囲内で上記実施例に対して変化、修正、切り替え及び変形を行うことができる。

Claims (15)

  1. 回転翼機の自動着陸システムであって、
    回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーターと、
    前記モーターに接続され、前記モーターの回転速度を調節する電子ガバナーと、
    第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドを有し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなすように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、前記レーザービームと前記中心軸線との間が所定角度を呈し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に投影を形成するレーザ発射器と、
    前記回転翼機の機体の底部に設けられ、着陸目標画像と前記投影が形成した距離画像とを撮影する撮影装置と、
    前記着陸目標画像及び前記距離画像を読み出し分析して、リアルタイムな画像データを取得し、前記所定角度と、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の現在位置と前記着陸目標画像との空間距離を取得し、前記空間距離に基づいて前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする制御器と、
    を含み、
    前記空間距離は、前記回転翼機の高さと、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標とを含み、前記制御器は、前記所定角度と、前記距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の高さを計算し、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標を計算することを特徴とする回転翼機の自動着陸システム。
  2. 前記制御器は、前記着陸目標画像に対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記着陸目標画像が識別できた時に、前記電子ガバナーを制御することにより、前記回転翼機が現在の高さを保持したままにし、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標に基づいて、前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像の真上に移動させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  3. 前記回転翼機が前記着陸目標画像の真上に移動した時に、前記制御器は前記回転翼機の現在の高さに基づいて前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする、
    ことを特徴とする請求項２に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  4. 前記所定角度が鋭角である、
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転翼機の自動着陸システム。
  5. 前記レーザ発射器が赤外線レーザ発射器である、
    ことを特徴とする請求項４に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  6. 前記モーターが直流ブラシレスモーターである、
    ことを特徴とする請求項４に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  7. 前記撮影装置が前記機体の底部の中心位置に設けられている、
    ことを特徴とする請求項４に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  8. 前記着陸目標画像が同一中心を有する、少なくとも一つの外側が円形で内側が角形のパターンの組み合せである、
    ことを特徴とする請求項４に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  9. 前記レーザ発射器が前記機体の底部に設けられている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  10. 前記レーザ発射器の第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドが前記回転翼機の対称する二つのアームの端末にそれぞれ対応して設けられている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の回転翼機の自動着陸システム。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の回転翼機の自動着陸システムを含む、
    ことを特徴とする回転翼機。
  12. 回転翼機の自動着陸方法であって、前記回転翼機の自動着陸システムは、回転翼機のプロペラの回転を駆動するモーターと、前記モーターに接続される電子ガバナーと、レーザ発射器と、撮影装置とを含み、前記撮影装置が前記回転翼機の機体の底部に設けられ、レーザ発射器が第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドを有し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記機体の中心軸線を対称軸にして軸対称をなうように分布され、前記中心軸線が地面の水平面に垂直し、前記レーザービームと前記中心軸線との間が所定角度を呈し、前記第一発射ヘッド及び第二発射ヘッドがそれぞれ出射したレーザービームが前記地面に投影を形成し、前記方法は、
    前記撮影装置により着陸目標画像と前記投影が形成した距離画像とを撮影するステップと、
    前記着陸目標画像及び前記距離画像を読みだし分析して、リアルタイムな画像データを取得し、前記所定角度と、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データとに基づいて、前記回転翼機の現在位置と前記着陸目標画像との空間距離を取得するステップと、
    前記空間距離に基づいて前記電子ガバナーを制御することにより、前記モーターの回転速度を制御し、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにするステップと、を含み、
    前記空間距離は、前記回転翼機の高さと、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標とを含み、
    前記回転翼機の高さは、前記所定角度と、前記距離画像に対応するリアルタイムな画像データとに基づいて計算して取得され、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標は、前記着陸目標画像と前記距離画像とに対応するリアルタイムな画像データに基づいて計算して取得される、
    ことを特徴とする回転翼機の自動着陸方法。
  13. 前記着陸目標画像に対応するリアルタイムな画像データに基づいて、前記着陸目標画像が識別できた時に、
    前記電子ガバナーを制御することにより、前記回転翼機が現在の高さを保持したままにし、前記回転翼機の前記着陸目標画像に対する平面座標に基づいて、前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像の真上に移動させ、
    前記回転翼機が前記着陸目標画像の真上に移動した時に、前記回転翼機の現在の高さに基づいて前記電子ガバナーを制御して、前記回転翼機を前記着陸目標画像に着陸させるようにする、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の回転翼機の自動着陸方法。
  14. 前記所定角度が鋭角である、
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の回転翼機の自動着陸方法。
  15. 前記着陸目標画像が同一中心を有する、少なくとも一つの外側が円形で内側が角形のパターンの組み合せである、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の回転翼機の自動着陸方法。
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