旋翼无人机的自动辅助降落系统及其控制方法与流程

本发明涉及旋翼无人机技术领域，具体涉及一种旋翼无人机的自动辅助降落系统及其控制方法。

背景技术：

旋翼无人机以其高灵活性和较低的起降条件要求在民用和军事领域得到广泛的发展和应用。经典的旋翼机无人机，例如多旋翼无人机、单旋翼无人直升机和共轴对转无人直升机在解决环境监控、海上污染监视、地理信息收集等方面扮演着重要的作用。即便在自动飞行控制系统越来越成熟的今天，该类无人机在复杂条件下的起飞与降落依然制约着其在更广泛的领域运用。

在一些复杂条件下，例如海面移动平台、颠簸移动的地面平台上起飞降落，对该类无人机的飞行控制系统和控制人员仍然是严峻的挑战。传统上，该类无人机在自动或是人工操作降落的时候，主要基于人工的视觉或是无人机上简单的传感器来控制平衡，目前尚无一套完整而有效的解决方案。在非稳定的操作环境下，人的视线和单一的传感器很容易受到干扰，同时在降落的最后阶段，在地效和外部干扰的共同作用下，无人旋翼机很容易发生倾覆，轻则桨叶损毁，重则对电机和搭载的重要仪器设备造成损坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种旋翼无人机的自动辅助降落系统及其控制方法，其适用范围广，成本低，可辅助旋翼无人机在复杂条件下自动平稳降落和回收。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

旋翼无人机的自动辅助降落系统，由地面降落基站和降落辅助吊舱组成；

所述地面降落基站包括主体框架、直流电源模块、控制模块、工作平台、GPS/无线通信天线、高功率定位灯及金属着陆网；所述直流电源模块和控制模块均设置在主体框架内，所述工作平台安装在主体框架上，金属着陆网设置在工作平台中间，工作平台两侧分别侧向延伸出一悬臂，每个悬臂上均设有一高功率定位灯和一GPS/无线通信天线，所述控制模块、高功率定位灯及GPS/无线通信天线均与直流电源模块连接，控制模块还与高功率定位灯及GPS/无线通信天线连接；

所述降落辅助吊舱包括外壳、透明整流罩、前视摄像模块、超声波测距摄像集成模块、微处理模块、电源模块、锚点、固定单元及GPS/无线通信模块，所述微处理模块内置路径算法，该路径算法可根据两地的GPS位置信息或灯光信号生成飞行路径；所述透明整流罩对接在外壳的前端；所述前视摄像模块设置在透明整流罩内，所述超声波测距摄像集成模块、微处理模块、电源模块及固定单元均位于外壳内；外壳底部开设一测距窗口和固定窗口，所述超声波测距摄像集成模块由相互连接的超声波测距雷达和对地摄像头组成，该对地摄像头朝下设置在测距窗口处；所述固定单元包括若干个可从固定窗口伸出的固定伸缩抓；所述外壳顶部设有用于与无人机飞行控制芯片通信的通信接口，上述外壳顶部还设置若干个用于将降落辅助吊舱固定在无人机底部的锚点，所述GPS/无线通信模块固定于外壳后端；

所述前视摄像模块、微处理模块、固定单元及GPS/无线通信模块均与电源模块连接，所述微处理模块还与前视摄像模块、固定单元及GPS/无线通信模块分别连接；所述地面降落基站与降落辅助吊舱的GPS/无线通信模块均用于GPS信号接收及无线信号收发。

所述地面降落基站的主体框架呈圆形，工作平台则为圆环形，工作平台以主体框架的圆形边为轨道可旋转地设置在主体框架上，所述金属着陆网也可以随工作平台旋转。

所述地面降落基站还包括设置在主体框架内的直流电机和变速控制机构，该直流电机与变速控制机构均与直流电源模块连接，变速控制机构还与控制模块连接，所述直流电机的输出轴朝上设置，且该输出轴与工作平台连接以驱动工作平台旋转。

所述前视摄像模块由云台及安装在云台上的广角高清摄像头组成，该云台及广角高清摄像头均设置在透明整流罩内，且云台和广角高清摄像头分别与微处理模块连接。

所述固定单元内设有三个固定伸缩抓。

所述降落辅助吊舱的外壳为轻质外壳。

所述降落辅助吊舱的外壳顶部设置4个锚点。

上述旋翼无人机的自动辅助降落系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、旋翼无人机向降落辅助吊舱发送降落请求；

步骤二、降落辅助吊舱的微处理模块通过其通信接口接收降落请求，微处理模块控制其GPS/无线通信模块将待降落的旋翼无人机的信息和其所在的GPS位置信息以加密编码的方式发送出去；

步骤三、地面降落基站通过其GPS/无线通信模块接收到待降落的旋翼无人机的降落信息后，再通过GPS/无线通信模块以加密方式将确认信息和地面降落基站的GPS位置信息发送给旋翼无人机；

步骤四、降落辅助吊舱的微处理模块接收到降落的确认信息后和GPS位置信息后，执行内置路径算法，生成飞行路径，微处理模块不断与旋翼无人机的飞行控制芯片进行通信，将实时更新的飞行路径发送至飞行控制芯片，以引导旋翼无人机朝地面降落基站方向飞行；

步骤五、地面降落基站的控制模块控制工作平台上高功率定位灯的朝向，使其对准旋翼无人机到来的方向，同时控制模块控制GPS/无线通信模块不断和降落辅助吊舱的GPS/无线通信模块通讯，时刻更新双方的GPS位置信息；

步骤六、地面降落基站与旋翼无人机的距离接近到高功率定位灯的工作范围时，地面降落基站的控制模块控制开启高功率定位灯，并驱动其对准旋翼无人机，高功率定位灯发出灯光定位信号，同时降落辅助吊舱的前视摄像模块开始工作，搜索定位灯发出的灯光信号，前视摄像模块搜索到灯光信号后将该信号发送至降落辅助吊舱的微处理模块，微处理模块解算灯光信号，以修正飞行路径；

步骤七、旋翼无人机到达地面降落基站上方预定的位置后，降落辅助吊舱的超声波测距摄像集成模块开始工作，引导旋翼无人机锁定地面降落基站的位置并不断降低高度；

步骤八、当降落辅助吊舱和地面降落基站的相对高度达到预设值的时候，降落辅助吊舱微处理模块控制固定单元伸出固定伸缩爪，固定伸缩爪勾住工作平台的中间的金属着陆网进行着陆；

步骤九、旋翼无人机着陆完成后，微处理模块向固定单元发送回收指令，降落辅助吊舱的固定伸缩抓自动收起。

采用上述方案后，本发明有益效果为：实现了在复杂环境下旋翼无人机自动降落和回收，减少了旋翼无人机的应用难度，拓展了旋翼无人机的使用环境条件；本发明的地面降落基站与降落辅助吊舱皆可以灵活的布置在多种旋翼无人机应用场景，不仅应用范围广，而且不需要对原有设备做过多的改造，减少了使用成本。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明降落辅助吊舱位位于地面降落基站的示意图；

图2是本发明地面降落基站的立体结构分解图；

图3是本发明降落辅助吊舱的立体结构分解图；

图4是本发明地面降落基站的整体示意图；

图5是本发明降落辅助吊舱的整体示意图；

图6是携带降落辅助吊舱的旋翼无人机降落在地面降落基站的过程示意图。

标号说明

地面降落基站1，主体框架11，直流电源模块12，控制模块13，工作平台14，悬臂141，GPS/无线通信天线15，高功率定位灯16，金属着陆网17，直流电机18和变速控制机构19，降落辅助吊舱2，外壳，21测距窗口211，固定窗口212，通信接口213，透明整流罩22，前视摄像模块23，云台231，广角高清摄像头232，超声波测距摄像集成模块24，超声波测距雷达241，对地摄像头242，微处理模块25，电源模块26，锚点27，固定单元28，固定伸缩抓281，GPS/无线通信模块29，旋翼无人机3。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示的旋翼无人机的自动辅助降落系统，由地面降落基站1和降落辅助吊舱2组成；

如图2和4所示，地面降落基站1包括主体框架11、直流电源模块12、控制模块13、工作平台14、GPS/无线通信天线15、高功率定位灯16及金属着陆网17；主体框架11可采用半埋式的框架，直流电源模块12和控制模块13均设置在主体框架11内，工作平台14安装在主体框架11上，金属着陆网17设置在工作平台14中间，工作平台14两侧分别侧向延伸出一悬臂141，每个悬臂141上均设有一高功率定位灯16和一GPS/无线通信天线15，地面降落基站1的控制模块13、高功率定位灯16及GPS/无线通信天线15均与直流电源模块12连接，控制模块13还与高功率定位灯16及GPS/无线通信天线15连接；地面降落基站1还包括设置在主体框架11内的直流电机18和变速控制机构19，该直流电机18与变速控制机构19均与直流电源模块12连接，变速控制机构19还与控制模块13连接，直流电机的输出轴朝上设置，且该输出轴与工作平台14连接以驱动工作平台14旋转。

如图3和5所示，降落辅助吊舱2包括外壳21、透明整流罩22、前视摄像模块23、超声波测距摄像集成模块24、微处理模块25、电源模块26、锚点27、固定单元28及GPS/无线通信模块29，微处理模块25内置路径算法，该路径算法可根据两地的GPS位置信息或灯光信号生成飞行路径；透明整流罩22对接在外壳21的前端；前视摄像模块23设置在透明整流罩内，前视摄像模块23由云台231及安装在云台231上的广角高清摄像头232组成，该云台231及广角高清摄像头232均设置在透明整流罩22内，且云台231和广角高清摄像头232分别与微处理模块25连接；超声波测距摄像集成模块24、微处理模块25、电源模块26及固定单元28均位于外壳21内；外壳21底部开设一测距窗口211和固定窗口212，超声波测距摄像集成模块24由相互连接的超声波测距雷达241和对地摄像头242组成，该对地摄像头242朝下设置在测距窗口211处；固定单元28包括若干个可从固定窗口212伸出的固定伸缩抓281，本实施例的固定单元28内设有三个固定伸缩抓281，通过三角布设三个固定伸缩抓281是旋翼无人机更平稳地着陆；外壳21顶部设有用于与无人机飞行控制芯片通信的通信接口213，该通信接口213连接微处理模块25，上述外壳21顶部还设置若干个用于将降落辅助吊舱2固定在无人机底部的锚点27，GPS/无线通信模块29固定于外壳21后端；采用上述结构后，本发明的降落辅助吊舱2使用时，通过锚点27定位在无人机的底部实现与无人机同步飞行，通过信号线从降落辅助吊舱2的通信接口连接至无人机的飞行控制芯片，实现与旋翼无人机3的通信。

前视摄像模块23、微处理模块25、固定单元28及GPS/无线通信模块29均与电源模块26连接，微处理模块25还与前视摄像模块23、固定单元28及GPS/无线通信模块29分别连接，以通过微处理模块25控制其他模块的工作；地面降落基站1与降落辅助吊舱2的GPS/无线通信模块15、29均用于GPS信号接收及无线信号收发。

本实施例中，地面降落基站1的主体框架11呈圆形，工作平台14则为圆环形，工作平台14以主体框架11的圆形边为轨道可旋转地设置在主体框架11上，金属着陆网17也可以随工作平台14旋转，这样便可方便的调整工作平台14两侧的高功率定位灯16的朝向。

为了进一步减少旋翼无人机的载重，降落辅助吊舱2的外壳21为轻质外壳。

为了更好的爆炸旋翼无人机受力平衡，降落辅助吊舱2的外壳21顶部设置4个锚点27。

如图6所示，上述旋翼无人机的自动辅助降落系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、旋翼无人机3向降落辅助吊舱2发送降落请求；

步骤二、降落辅助吊舱2的微处理模块25通过其通信接口213接收降落请求，微处理模块25控制其GPS/无线通信模块29将待降落的旋翼无人机的信息和其所在的GPS位置信息以加密编码的方式发送出去；

步骤三、地面降落基站1通过其GPS/无线通信模块15接收到待降落的旋翼无人机的降落信息后，再通过GPS/无线通信模块15以加密方式将确认信息和地面降落基站1的GPS位置信息发送给旋翼无人机3；

步骤四、降落辅助吊舱2的微处理模块25接收到降落的确认信息后和GPS位置信息后，执行内置路径算法，生成飞行路径，微处理模块25不断与旋翼无人机3的飞行控制芯片进行通信，将实时更新的飞行路径发送至飞行控制芯片，以引导旋翼无人机3朝地面降落基站方向飞行；

步骤五、地面降落基站1的控制模块13控制工作平台14上高功率定位灯16的朝向，使其对准旋翼无人机3到来的方向，同时控制模块13控制GPS/无线通信模块15不断和降落辅助吊舱2的GPS/无线通信模块29通讯，时刻更新双方的GPS位置信息；

步骤六、地面降落基站1与旋翼无人机3的距离接近到高功率定位灯16的工作范围时，地面降落基站1的控制模块13控制开启高功率定位灯16，并驱动其对准旋翼无人机3，高功率定位灯16发出灯光定位信号，同时降落辅助吊舱的前视摄像模块23开始工作，搜索定位灯发出的灯光信号，前视摄像模块23搜索到灯光信号后将该信号发送至降落辅助吊舱的微处理模块25，微处理模块25解算灯光信号，以修正飞行路径；

步骤七、旋翼无人机3到达地面降落基站1上方预定的位置后，降落辅助吊舱2的超声波测距摄像集成模块24开始工作，引导旋翼无人机3锁定地面降落基站的位置并不断降低高度；

步骤八、当降落辅助吊舱2和地面降落基站1的相对高度达到预设值的时候，降落辅助吊舱2微处理模块25控制固定单元28伸出其固定伸缩爪28，固定伸缩爪28勾住工作平台14的中间的金属着陆网17进行着陆；

步骤九、旋翼无人机3着陆完成后，微处理模块13向固定单元28发送回收指令，降落辅助吊舱2的固定伸缩爪自动收起。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。