WO2017160192A1 - Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата - Google Patents

Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата Download PDF

Info

Publication number
WO2017160192A1
WO2017160192A1 PCT/RU2017/050015 RU2017050015W WO2017160192A1 WO 2017160192 A1 WO2017160192 A1 WO 2017160192A1 RU 2017050015 W RU2017050015 W RU 2017050015W WO 2017160192 A1 WO2017160192 A1 WO 2017160192A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
uav
landing
displacement
axis
precision
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/050015
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Павел Константинович ГЕРАСИМОВ
Александр Русланович ГАМАЮНОВ
Дмитрий Александрович ЕГОРОВ
Егор Михайлович ПРИТОЦКИЙ
Мария Сергеевна ХОДАК
Original Assignee
Павел Константинович ГЕРАСИМОВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Павел Константинович ГЕРАСИМОВ filed Critical Павел Константинович ГЕРАСИМОВ
Publication of WO2017160192A1 publication Critical patent/WO2017160192A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0231—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means
    • G05D1/0246—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using a video camera in combination with image processing means

Definitions

  • the technical solution relates to methods of landing aircraft, applicable, in particular, in the systems for the exact landing of unmanned aerial vehicles (UAVs) of a mini-class helicopter type, equipped with on-board electronic devices for monitoring, navigation and automatic flight control.
  • UAVs unmanned aerial vehicles
  • the flight of any UAV is divided into stages:
  • UAV flight control during any of these stages is a process that solves a wide range of tasks related to determining the navigation parameters of a flight, as well as maintaining the required spatial position.
  • the effectiveness of actions in solving the above problems is determined by a large number of conditions, the main of which is the timeliness, accuracy and related issues of constructing motion paths that provide the most effective and safe achievement of the goal of the current phase of the flight.
  • the landing phase is the most critical and stressful part of the flight.
  • Known control systems that implement UAV flight along a given landing path. So, in the known method of landing UAVs by capturing it in a vertical network, described in the review "Remote-controlled aircraft of the capitalist countries” / Edited by Fedosov EA, Moscow, Scientific Information Center, 1989, p.51-61, UAV nose set a pulsed radiation source operating in the near infrared region of the spectrum.
  • a platform with guides is installed on the landing site, which remains stationary during the landing of the UAV.
  • a vertical frame is mounted on the platform, made to rotate around a vertical axis, and a drive for this rotation.
  • Two IR receivers are installed on the frame, a vertical landing network, made with the possibility of its horizontal movement along the rails mounted on the platform, a calculator and a brake device, which are connected to the network by cables.
  • a calculator and a brake device which are connected to the network by cables.
  • the values of the UAV deviations from the programmed approach path are calculated and these data are transferred to the UAV to ensure it enters the network.
  • the UAV enters the network the latter is moved along the guide rails, the kinetic energy of the UAV movement is extinguished by pulling the braking device cables, and the UAV that has got into it is released from the network.
  • a known landing method is Tethered aerial system for data gathering [US20130233964 Al, Woodworth, Peverill, September 12, 2013, IPC B64D17 / 80, H02G11 / 00, B64D25 / 00, G05D1 / 00, B64C37 / 02]. [1] This method was implemented by the Israeli company Sky Sapience in the HoverMast project. A multi-rotor UAV that fits compactly inside a special box that can be placed on the roof of a building, a car (including an unmanned one), and a ship. To complete the task, the box automatically opens, the device unfolds the side propellers and rises to a certain height, a copper cable is used for power.
  • the lifting height is limited by the cable length - 50 m.
  • the control of the device is reduced to maintaining the vertical position of the cable, while it is possible to follow a moving base mobile device.
  • Gyrostabilized cameras and various sensors are located on the device.
  • the cable transfers power voltage and control commands, as well as information from sensors and cameras. Accurate landing is ensured by the fact that the UAV is pulled into the box with a power cable.
  • flight controllers the main control board that ensures the operation of the multicopter.
  • a microcontroller is used as the “brain” of the control board, often these are either low-power Atmega328 or more modern Atmega2560 or STM processors.
  • the number of functions depends on the availability of relevant peripherals and additional devices on board the UAV.
  • the functions of the flight controller include:
  • SKYCATCH Positioning mechanism and UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • positioning mechanism [CN 204250382 U, April 8, 2015, IPC B64F1 / 02] [5], which use the global positioning system to ensure automatic UAV landing in a given area.
  • the problem to which the claimed technical solution is directed is to create a method for landing a UAV of a helicopter type, capable of providing a sufficient level of accuracy in moving the UAV to the landing point.
  • the claimed technical solution provides a technical result, which consists in increasing the accuracy of the automatic landing of UAVs by using a flight controller, satellite navigation system, gyroscope, accelerometer, magnetometer, barometer, sonar, on-board computer, optical camera and at least one optical mark, as well as to increase the autonomy, reliability and safety of UAV operation.
  • the subject of the claimed technical solution is a method of accurately landing UAVs, in which an on-board UAV computer using computer vision algorithms processes a temporal sequence of frames encoded in a bit stream received from an optical camera mounted on an UAV and containing data about at least one optical a mark located at the UAV landing point for determining at least two displacement angles.
  • the UAV's on-board computer receives data from at least two tilt angles (roll and pitch) and UAV altitude, processed using recursive filters, from the flight controller.
  • the UAV on-board computer processes the obtained data on the UAV altitude, displacement and tilt angles, and sends control signals using the proportional-integral-differentiating (PID) controller to the UAV flight controller in automatic mode with a frequency not less than the threshold to correct the trajectory and ensure the given landing accuracy UAV.
  • PID proportional-integral-differentiating
  • FIG. Figure 1 shows a particular case in which the UAV tilt angles are zero, and the UAV does not move and hovering above the optical mark at a height h.
  • FIG. Figure 2 shows the general case in which the UAV tilt angles ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ are not equal to zero, and the UAV moves by changing the tilt angles above the optical mark at a height h.
  • FIG. Figure 3 shows the general structural diagram of the interaction of individual elements. DETAILED DESCRIPTION OF THE TECHNICAL SOLUTION
  • BILA unmanned aerial vehicle
  • GPS Global Positioning System - a global positioning system, read by G.P. Es
  • G.P. Es Global Positioning System - a global positioning system, read by G.P. Es
  • GLONASS Global Navigation Satellite System
  • USB (UBS, abbr. From the English.
  • Universal Serial Bus "universal serial bus") - a serial data transfer interface for medium-speed and low-speed peripheral devices in computer technology.
  • the Kalman filter is an effective recursive filter that evaluates the state vector of a dynamic system using a series of incomplete and noisy measurements.
  • OpenCV Open Source Computer Vision Library, open source computer vision library
  • OpenCV Open Source Computer Vision Library, open source computer vision library
  • Mathematical morphology is the theory and technique of analysis and processing of geometric structures, based on set theory, topology and random functions, which is used in digital image processing.
  • Photogrammetry is a scientific and technical discipline involved in determining the shape, size, position and other characteristics of objects from photo images.
  • the proportional-integral-differentiating (PID) controller is a device in the control loop with feedback.
  • the Ziegler-Nichols method is a heuristic method for selecting the coefficients of a PID controller.
  • the CHR method (Chien-Hrones-Reswick) is a method for selecting the PID controller coefficients, which uses the criterion of maximum slew rate in the absence of overshoot or in the presence of no more than 20% overshoot.
  • the subject of the claimed technical solution is a method of accurate landing of a UAV, in which an on-board UAV computer using computer vision algorithms processes a temporal sequence of frames encoded in bit the stream received from the optical camera mounted on the UAV, and containing data about at least one optical mark located at the landing point of the UAV, to determine at least two offset angles.
  • the UAV's on-board computer receives data from at least two tilt angles (roll and pitch) and UAV altitude, processed using recursive filters, from the flight controller.
  • the UAV on-board computer processes the obtained data on the UAV altitude, displacement and tilt angles, and sends control signals using the proportional-integral-differentiating (PID) controller to the UAV flight controller in automatic mode with a frequency not less than the threshold to correct the trajectory and ensure the given landing accuracy UAV.
  • PID proportional-integral-differentiating
  • FIG. 1 presents a special case in which the tilt angles of the UAV are equal to zero.
  • the UAV (x u , y u , z u ) does not move and hovering above the optical mark at a height h.
  • An optical camera registers an image with a resolution of at least 640x480 pixels along the x and y axes, respectively.
  • the control signals L x and L y sent from the on-board UAV computer to the UAV flight controller depend only on the displacement angles a x and a y and the height h.
  • the displacement vector L sets the direction of motion in the x'O'y 'plane.
  • FIG. Figure 2 presents the general case in which the tilt angles of the UAV ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ are not equal to zero.
  • the UAV (x u , y u , z u ) moves by changing the tilt angles above the optical mark at a height h.
  • An optical camera registers an image with a resolution of at least 640x480 pixels along the x and y axes, respectively.
  • Control signals sent from the UAV's on-board computer to the UAV flight controller depend not only on the displacement angles a x and a y and the height h, but also on the tilt angles of the UAV ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ .
  • the displacement vector L defines the direction of motion in the ⁇ '2'y 'plane.
  • FIG. 3 schematically shows a diagram of the interaction of individual elements.
  • the UAV tilt angle data ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ receives the UAV flight controller from a gyroscope, accelerometer or magnetometer.
  • UAV altitude data h obtained from a satellite navigation system, barometer, or sonar, and UAV ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ angle data to increase the reliability of the UAV is processed by the UAV flight controller using at least one recursive filter built into it, for example, using one of the varieties of the Kalman filter.
  • the data on the displacement angles a x and a y are obtained as a result of processing OpenCV computer vision library filters, mathematical morphology operations, or photogrammetry algorithms of a time sequence of frames encoded in a bit stream and received from the optical camera mounted on the UAV and containing data on the optical mark located at the landing point of the UAV.
  • the UAV on-board computer processes the received data on the UAV altitude, displacement and tilt angles, and sends control signals using the proportional-integral-differentiating (PID) controller to the UAV flight controller in automatic mode with a frequency of at least threshold, in particular, at least 10 Hz.
  • PID proportional-integral-differentiating
  • the UAV on-board computer generates control signals based on the data on the UAV displacement vector determined by the UAV on-board computer in accordance with the following formulas:
  • L is the displacement vector of the UAV
  • L x is the displacement of the UAV along the x axis
  • L y is the displacement of the UAV along the y axis
  • h is the height
  • x is the angle of displacement along the x axis
  • y is the angle of displacement along the y axis
  • ⁇ ⁇ - the angle of inclination along the x axis (roll)
  • ⁇ ⁇ is the angle of inclination along the y axis (pitch).
  • PID coefficients of the controller are selected by manual tuning, the Ziegler-Nichols method or the CHR method, and the height decreases linearly.
  • the on-board UAV computer uses the PID controller to transmit the generated control signals to the UAV flight controller, which adjusts the UAV course for landing in an area no more than 15 cm from the center of the optical mark.
  • the claimed technical solution provides landing accuracy with an error of not more than 15 cm.
  • UAV autonomy increases due to the implementation of accurate landing without human intervention. Also, with an exact landing, the possibility of UAV landing on unprepared surfaces and other obstacles in the landing area is excluded, which increases the level of reliability and safety during the operation of an UAV by an operator or an automatic flight system.
  • a UAV flight controller with a signal receiver of radio navigation systems can be a controller with a global positioning system based on GPS, GLONASS and other satellite or ground-based navigation systems.
  • the UAV on-board computer can be a single-board computer with a microprocessor, RAM, input-output systems and parallel or USB ports for connecting peripherals.
  • the optical camera can be equipped with infrared filters and connected to the on-board UAV computer directly using a USB cable or through a buffer for storing data.
  • At least one active identification mark for example, a radiation source of a given wavelength, in particular infrared LEDs, can be used as an optical mark.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата (БПЛА) относится к способам посадки летательных аппаратов, применимых, в частности, в системах точной посадки БПЛА мини класса вертолетного типа, оснащенных бортовыми электронными устройствами наблюдения, навигации и автоматического управления полетом. Технический результат заключается в увеличении точности автоматической посадки БПЛА, а также в повышении автономности, надежности и безопасности эксплуатации БПЛА. Способ точной посадки БПЛА, в котором бортовой компьютер БПЛА, при помощи алгоритмов компьютерного зрения, обрабатывает временную последовательность кадров, закодированную в битовый поток, получаемую с оптической камеры, расположенной на БПЛА, содержащую данные об оптической метке, расположенной в точке посадки БПЛА, для определения, по меньшей мере, двух углов смещения. Бортовой компьютер БПЛА, получает данные от полетного контроллера, обработанные при помощи фильтров, по меньшей мере, о двух углах наклона (крен и тангаж) и высоте БПЛА. Бортовой компьютер БПЛА обрабатывает полученные данные о высоте БПЛА, углах смещения и наклона, и направляет сигналы управления при помощи пропорционально-интегрально- дифференцирующего (ПИД) регулятора на полетный контроллер БПЛА в автоматическом режиме с частотой не менее 10 Гц для корректировки траектории с целью увеличения точности посадки БПЛА.

Description

СПОСОБ ТОЧНОЙ ПОСАДКИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к способам посадки летательных аппаратов, применимых, в частности, в системах точной посадки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) мини класса вертолетного типа, оснащенных бортовыми электронными устройствами наблюдения, навигации и автоматического управления полетом.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Полет любого БПЛА разделяется на этапы:
- взлет;
- полет по маршруту;
- посадка.
Управление полетом БПЛА при выполнении любого из этих этапов - это процесс, в ходе которого решается широкий круг задач, связанных с определением навигационных параметров полета, а также выдерживания необходимого пространственного положения. Эффективность действий при решении перечисленных задач определяется большим количеством условий, основными из которых есть своевременность, точность и связанные с ними вопросы построения траекторий движения, которые обеспечивают наиболее эффективное и безопасное достижение цели текущего этапа полета.
Этап посадки является наиболее ответственным и напряженным участком полета. Известны системы управления, реализующие полет БПЛА по заданной траектории посадки. Так, в известном способе посадки БПЛА путем улавливания его в вертикальную сеть, описанном в обзоре "Дистанционно пилотируемые летательные аппараты капиталистических стран"/Под редакцией Федосова Е.А., Москва, Научно- информационный центр, 1989, с.51-61, в носовой части БПЛА устанавливают импульсный источник излучения, работающий в ближней инфракрасной области спектра. На посадочной площадке устанавливают платформу с направляющими, которая в процессе посадки БПЛА остается неподвижной. На платформу устанавливают вертикальную раму, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, и привод для этого вращения. На раму устанавливают два ИК-приемника, вертикальную посадочную сеть, выполненную с возможностью ее горизонтального перемещения по направляющим, закрепленным на платформе, вычислитель и тормозное устройство, которое тросами соединяют с сетью. На конечном участке захода БПЛА на посадку путем дистанционного управления с земли выводят его в зону действия ИК-приемников, измеряют с их помощью угол возвышения и боковое смещение БПЛА относительно центра сети, вычисляют значения отклонений БПЛА от запрограммированной траектории захода на посадку и передают эти данные на борт БПЛА для обеспечения его попадания в сеть. При входе БПЛА в сеть перемещают последнюю вдоль направляющих рамы, гасят кинетическую энергию движения БПЛА за счет вытягивания тросов тормозного устройства и высвобождают из сети попавшийся в нее БПЛА.
Как видно из вышеприведенного описания требуется довольно сложное и громоздкое наземное оборудование для реализации способа посадки БПЛА в сеть. Это ограничивает сферу возможного применения указанных способов, особенно в тех случаях, когда БПЛА должен иметь небольшую стоимость, малые массу и габариты. Для таких БПЛА ни по тактическим, ни по экономическим соображениям не оправдано применение сложных посадочных устройств. Что касается обычного самолетного способа горизонтальной посадки, то для сверхлегких БПЛА он неприемлем, поскольку требует наличия взлетно-посадочной полосы. Более интересен для БПЛА способ вертикальной посадки, используемый вертолетами и специальными самолетами с вертикальным взлетом и посадкой. Однако, эти летательные аппараты сложны в эксплуатации и управлении, дороги и обычно используются лишь в пилотируемой авиации.
Известен способ посадки Tethered aerial system for data gathering [US20130233964 Al, Woodworth, Peverill, September 12, 2013, МПК B64D17/80, H02G11/00, B64D25/00, G05D1/00, В64С37/02]. [1] Данный способ был реализован израильской фирмой Sky Sapience в проекте HoverMast. БПЛА мультироторного типа, компактно укладывающийся внутри специального бокса, который может размещаться на крыше здания, автомобиле (в том числе беспилотном), корабле. Для выполнения задания бокс автоматически раскрывается, аппарат разворачивает боковые пропеллеры и поднимается на определенную высоту, для питания используется медный кабель. Высота подъема ограничивается длиной кабеля - 50 м. Управление аппаратом сводится к поддержанию вертикального положения кабеля, при этом возможно следование за передвигающимся базовым мобильным средством. На аппарате располагаются гиростабилизированные камеры и различные датчики. По кабелю передаются питающее напряжение и команды управления, а также информация с датчиков и камер. Точная посадка обеспечивается тем, что БПЛА затягивается в бокс кабелем питания. [2]
Ограничения в высоте подъема в заявленном способе определяются массой кабеля - медный кабель не может быть слишком тонким в расчете на довольно большие потребляемые токи. К тому же двигатели БПЛА с кабелем должны обеспечивать большую подъемную силу по сравнению с БПЛА с аналогичной полезной нагрузкой без кабеля, что увеличивает стоимость и габариты всей системы в целом.
Наиболее близким к заявленному техническому по своей сущности и достигаемому техническому результату являются полетные контроллеры - основная плата управления, обеспечивающая функционирование мультикоптера. В качестве «мозга» платы управления используется микроконтроллер, зачастую это либо маломощные Atmega328, либо более современные, Atmega2560 или STM-процессоры. [3]
Количество функций зависит от наличия на борту БПЛА соответствующей периферии и дополнительных устройств. К функциям полетного контроллера относятся:
- стабилизация БПЛА в воздухе;
- удержание высоты (при помощи барометра) и позиции (при помощи GPS);
- автоматический полет по заданным заранее точкам (опционально);
- передача на землю текущих параметров полета с помощью модема или Bluetooth (опционально);
- обеспечение безопасности полета (возврат в точку взлета при потере сигнала, автопосадка);
- подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и пр. Так, известны патенты компании DJI Vertical takeoff and landing (vtol) small unmanned aerial system for monitoring oil and gas pipelines [US 20140236390 Al, Mohamadi, August 21, 2014, МПК B64C29/00, B64D47/08, B64C19/00] [4] и
компании SKYCATCH Positioning mechanism and UAV (Unmanned Aerial Vehicle) base station using positioning mechanism [CN 204250382 U, April 8, 2015, МПК B64F1/02] [5], в которых используется система глобального позиционирования для обеспечения автоматической посадки БПЛА в заданную область.
Автопосадка позволяет приземлиться БПЛА в установленную точку, но точность обеспечивается системой навигации GPS и зависит от числа спутников, видимых над горизонтом в идеальных условиях (чистое поле). Типичная точность современных GPS- приёмников в горизонтальной плоскости при хорошей видимости спутников и использовании алгоритмов коррекции составляет примерно 6— 8 метров, чего недостаточно для обеспечения безопасности и надежности эксплуатации БПЛА при посадке в автоматическом режиме. СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании способа посадки БПЛА вертолетного типа, способного обеспечить достаточный уровень точности перемещения БПЛА в точку посадки.
Заявляемое техническое решение обеспечивает получение технического результата, заключающегося в увеличении точности автоматической посадки БПЛА за счет использования полетного контроллера, спутниковой системы навигации, гироскопа, акселерометра, магнитометра, барометра, сонара, бортового компьютера, оптической камеры и, по меньшей мере, одной оптической метки, а также в повышении автономности, надежности и безопасности эксплуатации БПЛА.
Предметом заявленного технического решения является способ точной посадки БПЛА, в котором бортовой компьютер БПЛА при помощи алгоритмов компьютерного зрения обрабатывает временную последовательность кадров, закодированную в битовый поток, получаемую с оптической камеры, установленной на БПЛА, и содержащую данные, по меньшей мере, об одной оптической метке, расположенной в точке посадки БПЛА, для определения, по меньшей мере, двух углов смещения. Бортовой компьютер БПЛА получает от полетного контроллера обработанные при помощи рекурсивных фильтров данные, по меньшей мере, о двух углах наклона (крен и тангаж) и высоте БПЛА. Бортовой компьютер БПЛА обрабатывает полученные данные о высоте БПЛА, углах смещения и наклона, и направляет сигналы управления при помощи пропорционально- интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора на полетный контроллер БПЛА в автоматическом режиме с частотой не менее пороговой для корректировки траектории и обеспечения заданной точности посадки БПЛА.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ На Фиг. 1 приведен частный случай, при котором углы наклона БПЛА равны нулю, а БПЛА не движется и завис над оптической меткой на высоте h.
На Фиг. 2 приведен общий случай, при котором углы наклона БПЛА βχ и βγ не равны нулю, а БПЛА движется путем изменения углов наклона над оптической меткой на высоте h.
На Фиг. 3 приведена общая структурная схема взаимодействия отдельных элементов. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Здесь и далее будут описаны термины, используемые в заявке.
БИЛА (беспилотный летательный аппарат) - летательный аппарат без экипажа на борту.
GPS (англ. Global Positioning System - система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84.
ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) - советская/российская спутниковая система навигации.
USB (ю-эс-би, сокр. от англ. Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина»)— последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике.
Фильтр Калмана - эффективный рекурсивный фильтр, оценивающий вектор состояния динамической системы, используя ряд неполных и зашумленных измерений.
OpenCV (англ. Open Source Computer Vision Library, библиотека компьютерного зрения с открытым исходным кодом) - библиотека алгоритмов компьютерного зрения, обработки изображений и численных алгоритмов общего назначения с открытым кодом.
Математическая морфология - теория и техника анализа и обработки геометрических структур, основанная на теории множеств, топологии и случайных функциях, которая применяется в обработке цифровых изображений.
Фотограмметрия - научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением формы, размеров, положения и иных характеристик объектов по фотоизображениям.
Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор - устройство в управляющем контуре с обратной связью.
Метод Зиглера-Никольса - эвристический метод подбора коэффициентов ПИД- регулятора.
Метод CHR (Chien-Hrones-Reswick) - метод подбора коэффициентов ПИД- регулятора, в котором используют критерий максимальной скорости нарастания при отсутствии перерегулирования или при наличии не более чем 20%-ного перерегулирования.
Предметом заявленного технического решения является способ точной посадки БПЛА, в котором бортовой компьютер БПЛА при помощи алгоритмов компьютерного зрения обрабатывает временную последовательность кадров, закодированную в битовый поток, получаемую с оптической камеры, установленной на БПЛА, и содержащую данные, по меньшей мере, об одной оптической метке, расположенной в точке посадки БПЛА, для определения, по меньшей мере, двух углов смещения. Бортовой компьютер БПЛА получает от полетного контроллера обработанные при помощи рекурсивных фильтров данные, по меньшей мере, о двух углах наклона (крен и тангаж) и высоте БПЛА. Бортовой компьютер БПЛА обрабатывает полученные данные о высоте БПЛА, углах смещения и наклона, и направляет сигналы управления при помощи пропорционально- интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора на полетный контроллер БПЛА в автоматическом режиме с частотой не менее пороговой для корректировки траектории и обеспечения заданной точности посадки БПЛА.
Основные признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания варианта исполнения, основанного на прилагаемых фигурах.
На фиг. 1 представлен частный случай, при котором углы наклона БПЛА равны нулю. БПЛА (xu, yu, zu) не движется и завис над оптической меткой на высоте h. Оптическая камера регистрирует изображение с разрешением не менее 640x480 пикселей по осям х и у соответственно. Сигналы управления Lx и Ly, направляемые от бортового компьютера БПЛА на полетный контроллер БПЛА, зависят только от углов смещения ах и ау и высоты h. Вектор смещения L задает направление движения в плоскости х'О'у'.
На фиг. 2 представлен общий случай, при котором углы наклона БПЛА βχ и βγ не равны нулю. БПЛА (xu, yu, zu) движется путем изменения углов наклона над оптической меткой на высоте h. Оптическая камера регистрирует изображение с разрешением не менее 640x480 пикселей по осям х и у соответственно. Сигналы управления, направляемые от бортового компьютера БПЛА на полетный контроллер БПЛА, зависят не только от углов смещения ах и ау и высоты h, но и от углов наклона БПЛА βχ и βγ. Вектор смещения L задает направление движения в плоскости χ'2'y'.
На фиг. 3 схематично изображена схема взаимодействия отдельных элементов. Данные углов наклона БПЛА βχ и βγ полетный контроллер БПЛА получает с гироскопа, акселерометра или магнитометра. Данные о высоте БПЛА h, полученные со спутниковой системы навигации, барометра или сонара, и данные об углах наклона БПЛА βχ и βγ с целью увеличения достоверности последних обрабатывает полетный контроллер БПЛА при помощи встроенного в него, по меньшей мере, одного рекурсивного фильтра, например, при помощи одной из разновидностей фильтра Калмана. Данные об углах смещения ах и ау получают в результате обработки фильтрами библиотек компьютерного зрения OpenCV, операциями математической морфологии или алгоритмами фотограмметрии временной последовательности кадров, закодированной в битовый поток и получаемой с оптической камеры, установленной на БПЛА и содержащей данные об оптической метке, расположенной в точке посадки БПЛА. Бортовой компьютер БПЛА обрабатывает полученные данные о высоте БПЛА, углах смещения и наклона, и направляет сигналы управления при помощи пропорционально-интегрально- дифференцирующего (ПИД) регулятора на полетный контроллер БПЛА в автоматическом режиме с частотой не менее пороговой в частности, не менее 10 Гц. Бортовой компьютер БПЛА формирует сигналы управления, на основании данных о векторе смещения БПЛА, определенного бортовым компьютером БПЛА в соответствии со следующими формулами:
Figure imgf000009_0001
где L - вектор смещения БПЛА, Lx - смещение БПЛА по оси х, Ly - смещение БПЛА по оси у, h - высота, ах - угол смещения по оси х, ау - угол смещения по оси у, βχ - угол наклона по оси х (крен), βγ - угол наклона по оси у (тангаж).
Для быстродействия корректировки и достаточной точности посадки подбираются коэффициенты ПИД регулятора ручной настройкой, методом Зиглера-Никольса или методом CHR, а высота линейно убывает.
Бортовой компьютер БПЛА при помощи ПИД регулятора передает сформированные сигналы управления на полетный контроллер БПЛА, который осуществляет корректировку курса БПЛА для его посадки в области не более 15 см от центра оптической метки.
Заявленное техническое решение обеспечивает точность посадки с погрешностью не более 15 см. Автономность БПЛА повышается за счет реализации точной посадки без участия человека. Также при точной посадке исключается возможность приземления БПЛА на неподготовленные поверхности и другие препятствия в районе посадки, что повышает уровень надежности и безопасности при эксплуатации БПЛА оператором или автоматической системой полета.
Заявляемый способ точной посадки БПЛА является промышленно применимым, так как при его реализации используют известные и апробированные компоненты. БПЛА вертолетного типа хорошо известны и в последние годы получают большое распространение. Полетный контроллер БПЛА с приемником сигналов радионавигационных систем может представлять собой контроллер с системой глобального позиционирования на базе GPS, ГЛОНАСС и других спутниковых или наземных навигационных систем. Бортовой компьютер БПЛА может быть одноплатным компьютером с микропроцессором, оперативной памятью, системами ввода-вывода и параллельными или USB-портами для подключения периферийных устройств.
Оптическая камера может быть оснащена инфракрасными фильтрами и подключена к бортовому компьютеру БПЛА напрямую USB -кабелем или через буфер для хранения данных. В качестве оптической метки может использоваться, по меньшей мере, один активный опознавательный знак, например, источник излучения заданной длинны волны, в частности инфракрасные светодиоды.
Хотя данное техническое решение описано конкретным примером его реализации, это описание не является ограничивающим, но приведено лишь для иллюстрации и лучшего понимания существа технического решения, объем которого определяется прилагаемой формулой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Tethered aerial system for data gathering
[https://www.google.ru/patents/US20130233964]
2. Проект HoverMast
[http://www.skysapience.com]
3. Полетные контроллеры
Ardupilot [http://ardupilot-mega. ru ]
Naza [http://www. dji. com/product/naza-m-lite ]
Pixhawk [https://store.3drobotics.com/products/3dr-pixhawk]
4. Vertical takeoff and landing (vtol) small unmanned aerial system for monitoring oil and gas pipelines
[http://www.google.com/patents/US20140236390]
5. Positioning mechanism and UAV (Unmanned Aerial Vehicle) base station using positioning mechanism
[https://www.google.ru/patents/CN204250382U?cl=en&hl=ru&dq=SKYCATCH]

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата (БПЛА), включающий в себя этапы, на которых:
-получают временную последовательность кадров, закодированную в битовый поток, получаемую с оптической камеры, установленной на БПЛА, и содержащую данные, по меньшей мере, об одной оптической метке, расположенной в точке посадки БПЛА;
-определяют, по меньшей мере, два угла смещения при помощи алгоритмов компьютерного зрения;
-получают данные, по меньшей мере, о двух углах наклона БПЛА и высоте БПЛА;
-обрабатывают полученные данные, по меньшей мере, о двух углах наклона БПЛА и высоте БПЛА при помощи, по меньшей мере, одного рекурсивного фильтра;
-определяют вектор смещения БПЛА;
-формируют и направляют сигналы управления при помощи пропорционально- интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора на полетный контроллер БПЛА;
-корректируют траекторию посадки БПЛА.
2. Способ точной посадки БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что в качестве алгоритмов компьютерного зрения используют фильтры библиотек компьютерного зрения OpenCV и/или операции математической морфологии и/или алгоритмы фотограмметрии.
3. Способ точной посадки БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что данные о высоте БПЛА получают с использованием спутниковой системы навигации и/или барометра и/или сонара.
4. Способ точной посадки БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что данные об углах наклона БПЛА получают с использованием гироскопа и/или акселерометра и/или магнитометра.
5. Способ точной посадки БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рекурсивного фильтра используют, по меньшей мере, одну разновидность фильтра Калмана.
6. Способ точной посадки БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что определяют вектор смещения БПЛА следующим образом:
Figure imgf000011_0001
где L - вектор смещения БПЛА, Lx - смещение БПЛА по оси х, Ly - смещение БПЛА по оси у, h - высота БПЛА, ах - угол смещения БПЛА по оси х, ау - угол смещения БПЛА по оси у, βχ - угол наклона БПЛА по оси х (крен), βγ - угол наклона БПЛА по оси у (тангаж).
7. Способ точной посадки БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что при формировании сигналов управления для настройки коэффициентов ПИД-регулятора используют ручную настройку и/или метод Зиглера-Никольса и/или метод CHR.
PCT/RU2017/050015 2016-03-18 2017-03-17 Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата WO2017160192A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109946 2016-03-18
RU2016109946A RU2615587C9 (ru) 2016-03-18 2016-03-18 Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017160192A1 true WO2017160192A1 (ru) 2017-09-21

Family

ID=58505926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/050015 WO2017160192A1 (ru) 2016-03-18 2017-03-17 Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2615587C9 (ru)
WO (1) WO2017160192A1 (ru)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101860448B1 (ko) * 2017-03-03 2018-05-23 주식회사 맵인어스 무인비행체를 이용한 사용자 지향적 경관 시뮬레이션 영상제공시스템
CN108279562A (zh) * 2018-01-08 2018-07-13 南京信息工程大学 一种基于滑模pid控制的飞行机械臂
US10046856B2 (en) * 2015-07-01 2018-08-14 Namsung Co., Ltd. System and method for controlling takeoff and landing of drone
CN110989674A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 西安因诺航空科技有限公司 一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法
CN111142560A (zh) * 2019-12-25 2020-05-12 浙江海洋大学 基于无人艇的无人机回收系统及方法
CN113167896A (zh) * 2018-12-11 2021-07-23 3M创新有限公司 位置检测系统、位置检测方法、角度检测方法和标记物
CN113759941A (zh) * 2021-08-13 2021-12-07 航天时代飞鹏有限公司 一种大型货运无人机着陆轨迹控制方法
CN113946157A (zh) * 2021-11-29 2022-01-18 无锡科若斯科技有限公司 一种基于多功能识别定位的定点降落无人机方法及系统

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107728470B (zh) * 2017-08-31 2020-07-21 电子科技大学 一种无速率测量的机械臂姿态控制方法
CN111580542A (zh) * 2019-02-15 2020-08-25 北京京东尚科信息技术有限公司 动态无人机编队控制方法、装置及存储介质
RU2727044C1 (ru) * 2019-11-15 2020-07-17 Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Центра" Способ безаварийной посадки беспилотного летательного аппарата
RU198460U1 (ru) * 2019-12-24 2020-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина", (ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, ТГУ им. Г.Р. Державина") Устройство технического зрения малого беспилотного летательного аппарата
RU2750007C1 (ru) * 2020-10-14 2021-06-21 Задорожный Артем Анатольевич Способ сопровождения беспилотным летательным аппаратом наземного объекта

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018785C1 (ru) * 1990-02-12 1994-08-30 Зиновьев Аркадий Васильевич Система автоматической посадки летательных аппаратов
EP1901153A1 (en) * 2006-09-12 2008-03-19 OFFIS e.V. Control system for unmanned 4-rotor-helicopter
US20120200703A1 (en) * 2009-10-22 2012-08-09 Bluebird Aero Systems Ltd. Imaging system for uav
US20150339826A1 (en) * 2014-05-22 2015-11-26 Brain Corporation Apparatus and methods for robotic operation using video imagery

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2278060C1 (ru) * 2005-08-12 2006-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "АЛЬТОНИКА" (ООО "АЛЬТОНИКА") Способ посадки беспилотного летательного аппарата
RU2278801C1 (ru) * 2005-09-19 2006-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "АЛЬТОНИКА" (ООО "АЛЬТОНИКА") Способ посадки беспилотного летательного аппарата аэродинамического типа
DE102014003284A1 (de) * 2014-03-05 2015-09-10 Astrium Gmbh Verfahren zur Positions- und Lagebestimmung mittels virtueller Referenzbilder

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018785C1 (ru) * 1990-02-12 1994-08-30 Зиновьев Аркадий Васильевич Система автоматической посадки летательных аппаратов
EP1901153A1 (en) * 2006-09-12 2008-03-19 OFFIS e.V. Control system for unmanned 4-rotor-helicopter
US20120200703A1 (en) * 2009-10-22 2012-08-09 Bluebird Aero Systems Ltd. Imaging system for uav
US20150339826A1 (en) * 2014-05-22 2015-11-26 Brain Corporation Apparatus and methods for robotic operation using video imagery

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10046856B2 (en) * 2015-07-01 2018-08-14 Namsung Co., Ltd. System and method for controlling takeoff and landing of drone
KR101860448B1 (ko) * 2017-03-03 2018-05-23 주식회사 맵인어스 무인비행체를 이용한 사용자 지향적 경관 시뮬레이션 영상제공시스템
CN108279562A (zh) * 2018-01-08 2018-07-13 南京信息工程大学 一种基于滑模pid控制的飞行机械臂
CN113167896A (zh) * 2018-12-11 2021-07-23 3M创新有限公司 位置检测系统、位置检测方法、角度检测方法和标记物
CN110989674A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 西安因诺航空科技有限公司 一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法
CN110989674B (zh) * 2019-12-16 2023-03-31 西安因诺航空科技有限公司 一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法
CN111142560A (zh) * 2019-12-25 2020-05-12 浙江海洋大学 基于无人艇的无人机回收系统及方法
CN113759941A (zh) * 2021-08-13 2021-12-07 航天时代飞鹏有限公司 一种大型货运无人机着陆轨迹控制方法
CN113759941B (zh) * 2021-08-13 2024-05-14 航天时代飞鹏有限公司 一种大型货运无人机着陆轨迹控制方法
CN113946157A (zh) * 2021-11-29 2022-01-18 无锡科若斯科技有限公司 一种基于多功能识别定位的定点降落无人机方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
RU2615587C9 (ru) 2017-08-02
RU2615587C1 (ru) 2017-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2615587C9 (ru) Способ точной посадки беспилотного летательного аппарата
US11604479B2 (en) Methods and system for vision-based landing
US11204611B2 (en) Assisted takeoff
US11260973B2 (en) Aircraft control apparatus, control system and control method
US11015956B2 (en) System and method for automatic sensor calibration
US20200344464A1 (en) Systems and Methods for Improving Performance of a Robotic Vehicle by Managing On-board Camera Defects
US20230343087A1 (en) Automatic terrain evaluation of landing surfaces, and associated systems and methods
JP6555786B2 (ja) 無人航空機の飛行高度設定方法および無人航空機システム
US20190068829A1 (en) Systems and Methods for Improving Performance of a Robotic Vehicle by Managing On-board Camera Obstructions
WO2016138687A1 (zh) 多旋翼飞行器的控制系统、终端及机载飞控系统
JP6390013B2 (ja) 小型無人飛行機の制御方法
US20180267561A1 (en) Autonomous control of unmanned aircraft
US9650155B2 (en) Aircraft control apparatus, control system and control method
EP3428766A1 (en) Multi-sensor environmental mapping
EP2538298A1 (en) Method for acquiring images from arbitrary perspectives with UAVs equipped with fixed imagers
CN110525650B (zh) 无人机及其控制方法
KR101587479B1 (ko) 영상 정보를 이용한 무인비행체의 위치 유도 제어방법
CN110770123A (zh) 便携式一体化uav
WO2018122836A1 (en) Image sensor based autonomous landing
Lin et al. Development of an unmanned coaxial rotorcraft for the DARPA UAVForge challenge
Flores et al. Aerial photography for 3D reconstruction in the Peruvian Highlands through a fixed-wing UAV system
Sherman et al. Cooperative search and rescue using autonomous unmanned aerial vehicles
US11307583B2 (en) Drone with wide frontal field of view
Jantawong et al. Automatic landing control based on GPS for fixed-wing aircraft
US20230030222A1 (en) Operating modes and video processing for mobile platforms

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17767055

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 30/01/2019)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17767055

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1