一种旋翼无人机起降用管理平台及方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种旋翼无人机起降用管理平台及方法。

背景技术：

现如今，无人机可以在高精度的条件下完成重复性的任务，他们可以载有超过人类感知的传感器部署在环境恶劣的工作场地，无人机同样也被应用在巡逻和搜救任务中。在现有技术中，我们可以找到无人驾驶汽车和无人驾驶飞机应用的例子，但是这两种机器人的应用场景都有一定局限性；其中无人机虽然有操作简单，飞行灵活的特点，但是时常受限于他们的飞行时间有限，同时载荷量比较低的缺点；而无人地面车辆可以长时间操作和携带大量载荷，但是却受限于有限的地形通过能力，因此若能够使二者协作使用，那么新的装置将可以同时具备无人机的灵活性以及无人车的大载荷量。

现有技术中，对于无人机和无人车的协作研究，大部分都是围绕多个机器人协作导航和多个机器人的动作规划，利用无人机在高空执行搜索和营救任务，利用无人车运载物资。但是目前国内外在无人机和无人车协作完成无人机动态降落到无人车上的整个系统的研究还是比较少，因此，无法高效的发挥无人车的高负载和无人机的灵活性特点，还是需要通过人为操作来完成起降过程，自动化程度不高。为此，我们提出了一种旋翼无人机起降用管理平台及方法以良好的解决上述弊端。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种旋翼无人机起降用管理平台及方法，用于实现无人机降落到动态的无人车上，并减少人为操作的过程，提高自动化程度。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种旋翼无人机起降用管理平台，包括无人机飞控装置以及运行于该装置的操控系统，所述无人机飞控装置是由飞行器和起降平台共同组成，其中飞行器包括中央机身、主力臂、纵向旋翼杆和起落架，所述主力臂的数量为两根，且两根主力臂分别固定在中央机身的两侧，并且倾斜向上设置；所述纵向旋翼杆的数量为两根，二者与主力臂一一对应，且两根纵向旋翼杆的中段分别转动连接在两根主力臂的顶端，所述起落架固定连接在中央机身的底端；所述起降平台包括机架、平台面板、电缸、惯性测量单元、增稳计算机舵控、步进电机、丝杆、行程开关和归中控制器；

所述操控系统包括飞行控制模块、视觉计算模块和图像采集与传输模块，所述飞行控制模块包括飞行控制处理器和测量系统，其中飞行控制处理器与视觉计算模块相连接，用于计算飞行器当前姿态及位置；所述视觉计算模块包括目标识别模块和相对位姿计算模块，其中目标识别模块和图像采集与传输模块相连接，用于读取图像采集与传输模块传输的图像；所述图像采集与传输模块包括用于拍摄图像的摄像头和用于稳定摄像头姿态的云台以及图像传输模块。

优选的，所述测量系统包括无线电高度表1、无线电高度表2、激光惯导/gps组合导航系统、主大气数据计算机、备大气数据计算机、光纤惯导/gps组合导航系统、mems惯导/gps组合导航系统、双天线差分gps、主/备无线电链路、视觉导航系统，且上述传感器结构均连接在飞行控制处理器上。

优选的，所述飞行控制处理器采用三余度设计，所述无线电高度表1、无线电高度表2、激光惯导/gps组合导航系统、主大气数据计算机、备大气数据计算机、光纤惯导/gps组合导航系统、mems惯导/gps组合导航系均采用余度设计，所述主/备无线电链路采用双余度设计。

优选的，所述视觉导航系统包括机载图像处理器，其与图像传输模块相连接，用于接收图像信息并进行数字化处理，完成对无人机的飞行控制。

优选的，所述图像传输模块包括视觉计算处理器，所述摄像头可以将高清视频以hdmi格式输出至视觉计算处理器进行分析。

优选的，所述纵向旋翼杆的两端均固定安装有电机，所述电机的输出轴均套设有桨叶，所述中央机身的内部设有飞控电池，且飞控电池与电机之间电性连接。

优选的，所述中央机身的内部设置有舵机、卫星天线，中央机身的底面前沿固定连接有云台，所述云台上安装设有摄像头。

优选的，所述机架位于平台面板的底面下方，且机架上铰接设置有数量为六根的电缸，所述电缸的活塞杆端部均铰接在平台面板的底面，所述平台面板为矩形板状结构，其顶面四角处均成型设有立柱，且相邻两根立柱之间均设有丝杆，立柱的外侧均固定连接步进电机，所述步进电机的输出轴端部均与丝杆的一端连接，用于带动丝杆转动。

优选的，所述平台面板的顶端沿四条侧边的长度方向均设有夹持条，所述夹持条的两端均被对立两侧的丝杆所贯穿，且二者之间螺纹连接；当飞行器落在平台面板上时，四根夹持条夹持住飞行器的起落架。

基于所述管理平台的一种旋翼无人机起降用管理方法包括以下步骤：

s1：摄像头用于拍摄图像画面，并将该图像通过图像传输模块传送给视

觉计算模块，视觉计算模块内的位姿计算模块根据图像特征计算出当前飞行器的姿态以及位置；

s2：飞行控制处理器通过对比当前位置的水平面坐标和起降平台的水平

面坐标之间的差距，控制飞行器的电机转速，从而控制飞行器的位置，使得飞行器的坐标和起降平台的坐标差距趋近于零，达到一个动态跟随的效果；

s3:飞行器逐渐下降并停靠在起降平台上，起降平台上的步进电机启动，

驱动丝杆旋转，从而控制四根夹持条相互靠近，并将飞行器的起落架夹紧，以此固定飞行器的位置；

s4：起降平台的底部设置有归中控制器和多根电缸，用于实时调整起降

平台的位置和倾斜度，确保无论无人车在任何颠簸的路面行驶时，起降平台均可以保持平稳，防止飞行器受损。

与现有技术相比，本发明提供了空-地动态跟随起降无人机系统，具备以下有益效果：

1.本发明通过飞行控制模块和视觉计算模块以及图像采集与传输模块共同协作完成无人的动态起降，大大提高了无人的灵活度，可以更高效的执行搜索以及营救任务；

2.本发明通过测量系统中的多组传感器和飞行控制处理器的协作，可以实时定位飞行器的位置并调整飞行姿态，实现无人机的动态跟随和自动化降落过程，减少人为操作的失误；

3.本发明在无人车上设置有专供无人机起降的平台，且平台上设置有夹持定位机构和归中控制器，确保平台始终处于水平状态，提供给无人机更好的安全保障。

附图说明

图1为本发明导航飞控系统示意图；

图2为本发明系统组成基本示意图；

图3为本发明系统执行方案基本示意图；

图4为本发明工作流程示意图；

图5为本发明无人机自动降落算法流程；

图6为本发明飞行器示意图；

图7为本发明起降平台示意图；

图8为本发明起降平台正视图。

图中：11、中央机身；12、主力臂；13、纵向旋翼杆；14、起落架；15、电机；16、桨叶；17、摄像头；21、机架；22、平台面板；23、电缸；24、立柱；25、丝杆；26、夹持条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：请参阅图1-5，本发明提供了一种旋翼无人机起降用管理平台，包括无人机飞控装置以及运行于该装置的操控系统。

操控系统包括飞行控制模块、视觉计算模块和图像采集与传输模块，飞行控制模块包括飞行控制处理器和测量系统，其中飞行控制处理器与视觉计算模块相连接，用于计算飞行器当前姿态及位置；测量系统包括无线电高度表1、无线电高度表2、激光惯导/gps组合导航系统、主大气数据计算机、备大气数据计算机、光纤惯导/gps组合导航系统、mems惯导/gps组合导航系统、双天线差分gps、主/备无线电链路、视觉导航系统，且上述传感器结构均连接在飞行控制处理器上；主控计算机从飞行控制处理器内部读取到的飞机当前姿态以及当前飞行状态信息，结合由视觉计算模块计算得到的目标与飞机的相对位置和姿态，由主控计算机进行导航信息的计算。然后由主控计算机将导航信息发送给飞行控制处理器，进而计算出飞机需要的飞行姿态以及飞行状态，最后由飞行控制处理器控制无人机伺服进行飞行。

视觉计算模块包括目标识别模块和相对位姿计算模块，其中目标识别模块和图像采集与传输模块相连接，用于读取图像采集与传输模块传输的图像；图像采集与传输模块包括用于拍摄图像的摄像头17和用于稳定摄像头17姿态的云台以及图像传输模块；首先读取图像采集与传输模块传输的图像，进行图像处理，进行目标识别过程。成功识别出目标之后，从主控计算机中读取飞机当前姿态以及通过相机标定得到的相机内部参数，构造关于飞机与目标的相对位置和姿态的pnp方程，然后求解方程，得到飞机与目标的相对位置和姿态并传递给主控计算机；当摄像头17采集到图像时，视觉计算模块融合飞机当前姿态以及相机内部参数等数据进行图像处理以及相对位姿计算。

飞行控制处理器采用三余度设计，无线电高度表1、无线电高度表2、激光惯导/gps组合导航系统、主大气数据计算机、备大气数据计算机、光纤惯导/gps组合导航系统、mems惯导/gps组合导航系均采用余度设计，主/备无线电链路采用双余度设计；飞行控制模块选用航大汉来工业级飞行控制模块，飞行控制处理器选用运算能力高达1020dmips的工业级处理器，保障系统高效运转。

视觉导航系统包括机载图像处理器，其与图像传输模块相连接，用于接收图像信息并进行数字化处理，完成对无人机的飞行控制；机载图像处理器选用高性能低功耗的嵌入式处理器，保障图像数据处理的实时性，可满足大量图像处理所需要的运输能力。

图像传输模块包括视觉计算处理器，摄像头17可以将高清视频以hdmi格式输出至视觉计算处理器进行分析。图像采集系统选用了工业级摄像模块及高精度伺服控制系统，满足对目标锁定的精度要求。

请参阅图6-7，无人机飞控装置是由飞行器和起降平台共同组成，其中飞行器包括中央机身11、主力臂12、纵向旋翼杆13和起落架14，主力臂12的数量为两根，且两根主力臂12分别固定在中央机身11的两侧，并且倾斜向上设置；纵向旋翼杆13的数量为两根，二者与主力臂12一一对应，且两根纵向旋翼杆13的中段分别转动连接在两根主力臂12的顶端上，起落架14固定连接在中央机身11的底端；当飞行器降落在起降平台上后，其两侧的纵向旋翼杆13将向下折叠90°，以减小飞行器顶部的占用空间，避免其碰撞受损。

起降平台包括机架21、平台面板22、电缸23、惯性测量单元、增稳计算机舵控、步进电机、丝杆25、行程开关和归中控制器；机架21位于平台面板22的底端下方，且机架21上铰接设置有数量为六根的电缸23，电缸23的活塞杆端部均铰接在平台面板22的底侧；起降平台安装于车辆之上，首先，车辆在行驶中存在朝各个方向的运动及转动，为保证无人机起降的平稳，起降平台要具备六自由度的增稳能力，即用六根电缸23控制。

平台面板22为矩形板状结构，其顶端四角处均成型设有立柱24，且相邻两根立柱24之间均设有丝杆25，立柱24的外侧均固定连接步进电机，步进电机的输出轴端部均与丝杆25的一端连接，用于带动丝杆25转动；平台面板22的顶端沿四条侧边的长度方向均设有夹持条26，夹持条26的两端均被对立两侧的丝杆25所贯穿，且二者之间螺纹连接；当飞行器落在平台面板22上时，步进电机带动丝杆25旋转，从而控制四根夹持条26移动，四根夹持条26夹持住飞行器的起落架14，以此来飞行器的位置，放置其被车辆甩出。

纵向旋翼杆13的两端均固定安装电机15，电机15的输出轴端部均连接设有桨叶16，中央机身11的内部设有飞控电池，且飞控电池与电机15之间电性连，而电机15的转速由飞行控制模块自动调节，以此来控制飞行器的高度、速度、水平位置以及倾斜姿态，更好的完成搜索和救援任务。

中央机身11的内部设置有舵机、卫星天线，中央机身11的底端前沿固定连接云台，云台上连接设有摄像头17；摄像头17选用高清晰度低功耗延时的云台摄像机系统，其俯仰轴机械运动角度为+45°至-90°，偏航轴机械运动角度为+180°至-180°以满足在较大范围内寻找目标。

本发明还提供了一种基于上述管理平台的一种旋翼无人机起降用管理方法包括以下步骤：

s1：摄像头17用于拍摄图像画面，并将该图像通过图像传输模块传送给视

觉计算模块，视觉计算模块内的位姿计算模块根据图像特征计算出当前飞行器的姿态以及位置；

s2：飞行控制处理器通过对比当前位置的水平面坐标和起降平台的水平面坐标之间的差距，控制飞行器的电机15转速，从而控制飞行器的位置，使得飞行器的坐标和起降平台的坐标差距趋近于零，达到一个动态跟随的效果；

s3:飞行器逐渐下降并停靠在起降平台上，起降平台上的步进电机启动，驱动丝杆25旋转，从而控制四根夹持条26相互靠近，并将飞行器的起落架14夹紧，以此固定飞行器的位置；

s4：起降平台的底部设置有归中控制器和多根电缸23，用于实时调整起降平台的位置和倾斜度，确保无论无人车在任何颠簸的路面行驶时，起降平台均可以保持平稳，防止飞行器受损。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。