空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法

1.本发明属于无人机技术领域，特别是涉及空中无人机的自动化回收，具体是空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法，可用于降低无人机回收时收到的干扰和减轻无人机在空中回收时的损耗。


背景技术：

2.传统的卫星导航方式具有局部信号弱、容易受到干扰等局限，在无人机的战时回收中可靠性较弱。而无人机视觉导航利用计算机视觉的相关技术对相机获取的图像信息进行处理，结合无人机其他传感器获取的数据可以计算得到无人机当前位置等信息，在不依赖于gps的情况下即可完成无人机自主导航。
3.目前常见的无人机回收技术主要有常规跑道回收、伞降回收、撞网回收和天钩回收等。常规跑道回收是模仿有人舰载机回收过程，利用大型舰船或者航空母舰甲板上的跑道进行回收的。此种回收方式要求根据无人机的性能设计合理的着舰轨迹线,要求无人机具有良好的轨迹跟踪能力,要求无人机具有较强的抗干扰能力。目前来看，此项回收技术仅仅只有美国掌握，用于“x
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47b”无人机的回收。伞降回收是通过无人机带着降落伞在指定降落区域和合适的高度实行开伞来实现减速缓冲的回收方式，英国的“phocnix”无人机、美国的“hunter"无人机都采用此种方式回收。但是开伞之后，无人机完全处于无控状态，降落位置完全由降落伞系统控制，极易受到风的影响，由此也会带来不确定的回收误差。撞网回收是通过无人机引导系统，将无人机引导至拦阻网实现拦阻减速回收的回收方式，美国的“杀人蜂”、“银狐”“苍鹰”等无人机均已成功使用撞网回收技术进行过回收，但是撞网回收极易损坏无人机。天钩回收技术是在撞网回收技术的基础上发展起来的。天钩回收系统通常主要由捕获装置、吸能缓冲装置和导引装置组成。导引装置将无人机引导至捕获装置附近，当无人机机翼撞到回收绳后，回收绳沿着机翼滑行至翼尖，翼尖小钩勾住并锁定回收绳，此时发动机停车，之后无人机会绕回收绳做回旋减速运动，当摆动幅度降低到一定程度后人工取下完成回收。目前通过天钩回收技术实现无人机舰上回收的有美国的“扫描鹰”无人机、“整合者”(rq
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21)无人机等。天钩回收技术对于导航、控制系统和回收装置均有着很高的要求。
4.目前已有的无人机回收技术，往往依赖卫星导航技术或惯性导航系统或跑道或降落伞，均难以实现自主导航回收，并且对无人机或者回收装置有着很高的要求，否则会对无人机造成损耗。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种回收时对无人机损伤小，导航时不易受干扰的空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法，以快速高效地在空中回收无人机。
6.本发明是一种空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回
收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；其特征在于，无人机两侧机翼的对称中心处垂直向上安装有伸缩杆，伸缩杆顶端设有定位卡扣；所述回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收。
7.本发明还是一种空中飞行平台自动化无人机回收方法，在权利要求1
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4所述的空中飞行平台自动化无人机回收系统上实现，其特征在于，通过无人机自主导航和回收装置回收相结合的方式实现自动化无人机回收，包括有如下步骤：
8.(1)设计空中飞行平台自动化无人机回收系统：空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；自动化无人机回收系统中的无人机两侧机翼的对称中心处垂直向上安装有伸缩杆；回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，回收装置通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收；
9.(2)空中飞行平台自动化无人机回收系统初始化：在无人机起飞前设定无人机回收时自主导航的目标点；设定无人机导航模式从远端模式切换到近端模式所需的阈值1；设定无人机导航模式从近端模式切换到中距离导航所需的激光雷达检测范围；空中飞行平台建立无线通信网络；无人机在完成任务或任一不属于空中飞行平台自动化无人机回收系统的探测器出现故障后，进行无人机回收，进入回收过程中的无人机自主导航；
10.(3)回收过程中的无人机自主导航：无人机通过自主导航到达空中飞行平台下方预定位置，回收过程中自主导航根据无人机与空中飞行平台之间的距离分为远距离导航、中距离导航和平台下定位和校准；其中的远距离导航分为远端模式和近端模式，其中远端模式为单目估距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，近端模式为双目测距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，通过远距离导航到达激光雷达检测范围，进入中距离导航；中距离导航完成后，无人机到达空中飞行平台下方的导航目标点，进入平台下定位和校准；
11.(4)在空中飞行平台下进行定位和位置校准：无人机进入平台下方后，无人机通过伸缩杆顶端的相机获取靶标的图像信息，计算无人机相对靶标的位置信息，根据该定位信息进行无人机位置校准，在空中飞行平台下进行定位和位置校准，校准完成后发送校准完成指令编码给空中飞行平台；
12.(5)回收装置抓取无人机：回收装置收到校准完成指令编码后，通过控制液压缸，
使柱塞向内收缩，驱动两侧活动臂向中间靠拢夹住无人机顶部的伸缩杆；当两侧活动臂抓手结构内的压力传感器均响应时，停止控制液压缸，飞行平台向无人机发送停止飞行指令编码；无人机收到停止飞行指令编码后关闭旋翼，停止飞行；将无人机转送至空中飞行平台内部，完成无人机的回收。
13.本发明解决了无人机导航时易受干扰和空中回收时无人机损耗大的问题。
14.与现有技术对比，本发明的技术优势是：
15.导航抗干扰能力强：传统的无人机导航方式依赖卫星定位，容易受到电磁干扰和信号欺骗，本发明提出的空中飞行平台自动化无人机回收方法中的无人机自主导航在远距离导航阶段采用视觉定位，无需信号交互，在中距离导航阶段和平台下定位和校准阶段采用的无线通信拥有加密手段保证数据的安全性，使得无人机在导航过程中的抗干扰能力大大增强。
16.无人机回收时损耗小：传统的无人机回收方式，在回收过程中由于通过无人机撞网和无人机撞钩进行无人机制动，容易对无人机以及安装在无人机上的探测器造成损伤，本发明提出的空中飞行平台自动化无人机回收系统中的回收装置，其机械臂末端的扇形结构形成收口实现回收的方式，在回收过程中仅会对伸缩杆造成损伤，在扇形结构内侧安装压力传感器的设计可以进一步减轻无人机伸缩杆在回收时受到的损伤。
附图说明
17.图1为飞艇作为空中飞行平台的示意图；
18.图2为本发明空中飞行平台自动化无人机回收系统中无人机的示意图；
19.图3为回收装置的示意图；
20.图4为回收装置活动臂长臂末端扇形结构的示意图；
21.图5为本发明定位靶标图像示例；
22.图6为本发明无人机飞行控制子系统的结构框图；
23.图7为本发明远距离定位模块的结构框图；
24.图8为本发明空中飞行平台自动化无人机回收方法的流程框图；
25.图9为本发明在空中飞行平台下进行定位和位置校准的流程框图；
26.图10为本发明远距离导航中远端模式的流程框图；
27.图11为本发明远距离导航中近端模式的流程框图；
28.图12为本发明中距离导航的流程框图；
29.图13为本发明回收装置成功抓取无人机状态的示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做详细的描述。
31.实施例1
32.现有无人机空中回收过程中，无人机导航信号易受干扰，无人机回收时损耗大的问题，本发明提出了空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法的方案。
33.本发明首先是一种空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置和激光雷达，回收装置和激光雷达的
安装位置参见图1进行说明，图1为将飞艇作为空中飞行平台动力提供装置的示意图；图1中3为连接在飞艇底部的安装平台，回收装置1安装在安装平台下方中心处，激光雷达2安装在安装平台底部边缘处。本发明中，无人机上安装有飞行控制子系统和相机4；参见图2，图2为本发明空中飞行平台自动化无人机回收系统中无人机的示意图，本发明中无人机两侧机翼间的对称中心处即机背处垂直向上安装有伸缩杆6，在无人机起飞前为收缩状态，当无人机在空中飞行平台下进行定位和位置校准时转变为伸张状态，伸缩杆6顶端设有定位卡扣5，该定位卡扣用于在回收装置抓取无人机的过程中对抓取点进行限位。定位卡扣的安装顶端安装有相机4，该相机用于在伸缩杆6伸张状态时获取定位靶标的图像信息。
34.本发明中，回收装置1是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，
35.参见图3，图3为回收装置的示意图，回收装置通过液压缸外壳8上部与空中飞行平台连接，活动臂分为短臂10和长臂11，活动臂的短臂10和长臂11配合进行抓取，短臂10负责控制活动臂的收缩与扩张，长臂11负责抓取可抓取部件6。柱塞12受液压缸7控制向内收缩时驱动短臂10旋转，短臂带动长臂，进而控制长臂11抓取端向内形成收口。长臂11抓取端安装有抓手结构，为了保证无人机在水平状态时任意朝向下均能够实现对无人机的抓取，本发明设计了扇形结构的抓手结构，参见图4，图4为回收装置活动臂长臂末端扇形结构的示意图，本发明还在扇形结构内侧装有压力传感器13。回收装置在抓取过程中，抓手结构的抓取力度过大会导致伸缩杆的损伤，抓取力度过小则会导致抓取无人机不牢固，使无人机从收口处脱出，本发明通过安装压力传感器13可以控制在抓取过程中的抓取力度，在抓取过程中既能牢固地抓取无人机又能减轻在抓取过程中对伸缩杆的损耗，总体形成一个有收口的抓取装置。
36.柱塞9的下端端面部贴有定位靶标图像12，参见图5，图5为本发明定位靶标图像示例，该定位靶标图像用于帮助无人机在空中飞行平台下进行定位和位置校准。本发明的相机4分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆6顶端，安装在两侧机翼的相机获取的视觉信息用于远距离导航，安装在伸缩杆顶端的相机获取的视觉信息用于在空中飞行平台下进行定位和位置校准。
37.飞行控制子系统的远距离定位模块以安装在无人机左右两侧机翼上的相机4获取的视觉信息为输入，控制无人机到达激光雷达2的检测范围内，随后中距离定位模块工作,中距离定位模块以激光雷达2的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置1下方的预定位置，平台下定位与校准模块以安装在伸缩杆6顶端的相机为输入，完成无人机的定位和位置校准，在无人机校准完成后，回收装置通过液压缸7控制柱塞9驱动两个活动臂抓取无人机上方的伸缩杆6，实现无人机回收，参见图13。
38.现有技术存在无人机导航时易受干扰的问题，也就是说其容易被伪造的导航信号误导，导航信号会被电磁信号干扰器干扰。还存在无人机回收时损耗大的问题，在现有的无人机回收中，无人机及其上安装的探测器在回收过程中时容易被损坏。为了解决在现有无人机空中回收过程中，无人机导航信号易受干扰，无人机回收时损耗大的问题，本发明提出了空中飞行平台自动化无人机回收系统的方案。
39.本发明别开思路，利用机电、自动控制、视觉导航相结合，通过在无人机上架设多个视觉传感器获取无人机周围的视觉信息，使用激光雷达获取空中飞行平台周围的物体位
置信息，飞行控制子系统以上述两种信息为输入，分别执行远距离导航的远端模式，远距离导航的近端模式，中距离导航，平台下定位与校准，控制无人机接近空中飞行平台并最终到达飞行平台下方预定位置，回收装置使用机电的方式驱动，两机械臂末端合拢形成收口，夹住无人机顶端的伸缩杆，实现无人机的回收。
40.本发明在回收过程中的导航依托视觉信息和激光雷达数据，根据无人机距离回收平台的距离不同选择不同的导航模式，在保证导航精度的情况下增强了导航的抗干扰能力，本发明的回收装置设计实现了水平方向上任意朝向的无人机回收并大大减小了在回收过程中对无人机的损耗。提高了无人机在通过导航靠近回收平台过程中的抗干扰能力，实现高效、安全地回收无人机。
41.实施例2
42.空中飞行平台自动化无人机回收系统的总体构成如实施例1，本发明的无人机飞行控制子系统参见图6，图6为本发明无人机飞行控制子系统的结构框图，本发明无人机飞行控制子系统包括定位模块、飞行控制模块和无线通信模块，本发明的定位模块包括有根据无人机与空中飞行平台之间的距离远近划分的远距离定位模块、中距离定位模块和平台下定位与校准模块，根据无人机与空中飞行平台间的距离不同，选择使用不同的定位模块计算回收过程中无人机的实时位置信息。
43.本发明的远距离定位模块参见图7，图7为本发明远距离定位模块的结构框图，用于在无人机距离空中飞行平台远距离时即超出激光雷达的检测范围获取无人机的位置信息，以安装在无人机左右两侧机翼上的相机获取的视觉信息为输入；包括单目估距子模块、双目测距子模块、目标检测子模块；在无人机处于激光雷达的检测范围之外时，根据无人机与空中飞行平台间的距离不同，选择使用远端模式或近端模式，其中在无人机导航模式的远端模式时选择单目估距子模块和目标检测子模块的组合，单目估距子模块以安装在无人机左侧机翼上的相机获取的视觉信息为输入，计算深度信息，目标检测子模块随后根据该深度信息计算无人机相对空中飞行平台的位置信息。在无人机导航模式的近端模式时选择双目测距子模块和目标检测子模块的组合，双目测距子模块以安装在无人机左右两侧机翼上的相机获取的视觉信息为输入，计算深度信息，目标检测子模块随后根据深度信息计算无人机相对空中飞行平台的位置信息；在完成无人机相对空中飞行平台的位置信息的计算后，将其传输给飞行控制模块。
44.本发明的中距离定位模块，用于在无人机处于激光雷达的检测范围内时获取无人机的位置信息；在无人机导航模式的中距离模式时，以激光雷达实时获取的环境信息为输入，使用雷达目标检测算法计算无人机的中距离位置信息，并通过无线通信模块将该中距离位置信息传输给飞行控制模块。
45.本发明的平台下定位与校准模块，用于在无人机处于空中飞行平台下方时获取无人机的位置信息；在无人机进行平台下定位和校准时，以安装在伸缩杆顶端的相机获取的靶标图像信息为输入，使用靶标检测算法将其转化为无人机到靶标的实时位置信息并传输给飞行控制模块。
46.飞行控制模块，用于接收远距离定位模块、近距离定位模块和精准定位模块传输的无人机的实时位置信息，并通过该信息调整无人机的飞行姿态。该模块时刻监听视觉输出和imu串口是否有数据信息，一旦有数据输入便使用扩展卡尔曼滤波算法和pid控制器实
时调整无人机的飞行姿态，使无人机向目标点靠近。
47.无线通信模块，用于近距离的无人机和空中回收平台的通信。无线通信模块有主节点和子节点，空中飞行平台为该模块的主节点，能够建立无线通信网络，无人机为该模块的子节点，当无人机处于激光雷达的检测范围内时加入无线通信网络。
48.本例中选择fastdepth网络实现单目估距子模块，选择sgbm算法实现双目测距子模块，选择mobilenet
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ssd网络实现目标检测子模块，选择rs
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bpearl激光雷达作为中距离定位模块所需的激光雷达，选择霍夫圆检测和p3p位姿检测算法的组合作为靶标检测算法，选择f8913dzigbee工业芯片进行自组网通信实现无线通信模块。
49.传统的无人机飞行控制方式依赖卫星信号或惯性导航系统，卫星信号易受电磁干扰，惯性导航系统则容易随时间累积误差，本发明的飞行控制子系统中的远距离定位模块使用视觉信息作为导航信息输入，避免了电磁干扰，根据无人机与空中飞行平台间的距离不同，选择使用远端模式或近端模式的设计，保证了导航的准确，中距离定位模块使用激光雷达数据作为导航信息输入，减小了导航的误差，本发明使用无线通信保障了通信数据的安全性，增强了导航的抗干扰能力。
50.实施例3
51.空中飞行平台自动化无人机回收系统构成同实施例1
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2，本发明的定位靶标图像由三个半径不同的相离的圆环组成，参见图5，图5仅为本发明的定位靶标图像的一个示例，实际上三个圆环的位置和半径大小均可调整，只需满足半径不同且相离的条件即可。
52.传统的靶标图像设计存在靶标图像设计复杂、对光照依赖性强的缺点，这会导致靶标识别速度慢，近距离处靶标识别误差大的问题，本发明的定位靶标图像使用三个圆环的设计，使得靶标可以使用图像处理中的特征提取技术在保证识别准确率的前提下快速识别，三个圆环相离避免了圆环识别时的交叉，三个圆环半径不同的设计保证了识别结果的唯一性，确保位置校准后无人机处于预定位置。
53.实施例4
54.空中飞行平台自动化无人机回收系统构成同实施例1
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3，回收装置内部的各器件的连接方式参见图3，液压缸外壳8分为上下两部分，外壳上部分为方形，外壳上部与空中飞行平台连接，外壳下部分为倒u形；柱塞9处于液压缸7下方；短臂10一端与柱塞活动铆接，短臂10另一端与长臂11一端活动铆接，长臂11中部的连接点与液压缸外壳倒u形下端活动铆接，该连接点的具体连接位置应根据短臂10与长臂11的长度而定，使通过柱塞9的驱动能保证两个活动臂的抓手结构实现收口；两个活动臂相对于柱塞9的纵轴中心对称安装。
55.本发明的回收装置采用了机电设计，使用长短臂组合成活动臂，本发明中柱塞移动较小距离即可具有较大距离的活动臂活动范围。
56.实施例5
57.本发明还是一种空中飞行平台自动化无人机回收方法，在上述的空中飞行平台自动化无人机回收系统上实现，参见图8，图8为本发明空中飞行平台自动化无人机回收方法的流程框图。本发明通过无人机自主导航和回收装置回收相结合的方式实现自动化无人机回收，包括有如下步骤：
58.(1)设计空中飞行平台自动化无人机回收系统：空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷
达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；自动化无人机回收系统中的无人机两侧机翼的对称中心处垂直向上安装有伸缩杆；回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收。
59.(2)空中飞行平台自动化无人机回收系统初始化：在无人机起飞前设定无人机回收时自主导航的目标点；设定无人机导航模式从远端模式切换到近端模式所需的阈值1；设定无人机导航模式从近端模式切换到中距离导航所需的激光雷达检测范围；空中飞行平台建立无线通信网络；无人机在完成任务或任一不属于空中飞行平台自动化无人机回收系统的探测器出现故障后，进行无人机回收，进入回收过程中的无人机自主导航。
60.(3)回收过程中的无人机自主导航：无人机通过自主导航到达空中飞行平台下方预定位置，回收过程中自主导航根据无人机与空中飞行平台之间的距离分为远距离导航、中距离导航和平台下定位和校准；其中的远距离导航分为远端模式和近端模式，其中远端模式为单目估距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，近端模式为双目测距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，通过远距离导航到达激光雷达检测范围，进入中距离导航；中距离导航完成后，无人机到达空中飞行平台下方的导航目标点，进入平台下定位和校准。根据无人机与空中飞行平台之间的距离选择不同的导航模式，能够实现无人机在任意位置下的低误差导航。
61.(4)无人机在空中飞行平台下进行定位和位置校准：无人机进入平台下方后，无人机通过伸缩杆顶端的相机获取靶标的图像信息，计算无人机相对靶标的位置信息，根据该定位信息进行无人机位置校准，在空中飞行平台下进行定位和位置校准，校准完成后发送校准完成指令编码给空中飞行平台。
62.(5)回收装置抓取无人机：回收装置收到校准完成指令编码后，通过控制液压缸，使柱塞向内收缩，驱动两侧活动臂向中间靠拢夹住无人机顶部的伸缩杆；当两侧活动臂抓手结构内的压力传感器均响应时，表明此时抓手已牢固地抓住无人机上的伸缩杆，为了防止抓力过大对无人机造成损伤，此时停止控制液压缸，活动臂将保持当前抓取状态，飞行平台向无人机发送停止飞行指令编码；无人机收到停止飞行指令编码后关闭旋翼，停止飞行；将无人机转送至空中飞行平台内部，完成无人机的回收，参见图13，图13为本发明回收装置成功抓取无人机状态的示意图。
63.本发明在研究过程中发现用视觉导航取代gps，研究一种基于视觉的导航系统来获取位置信息，在战时无人机的作战回收应用中显得十分重要。本发明为了解决在现有无人机回收时，无人机导航信号容易受到电磁干扰和信号欺骗以及无人机回收过程中损耗大的问题，提出了一种空中飞行平台自动化无人机回收方法的整体技术方案，利用视觉信息和激光雷达作为导航时的信息输入而非采用卫星定位，在远距离导航中，无人机无需与外界进行信号交互即可完成导航，在中距离导航中，无人机与空中飞行平台之间的通信采用无线网络通信，使得本发明的通信方式能根据需求进行加密，保证导航信息可靠，使导航抗
干扰性强。本发明的机电式回收装置机械臂末端的扇形结构抓手设计使无人机无需调整朝向即可完成回收，扇形结构内侧安装的压力传感器既保证了回收装置牢固地抓取无人机，又能够防止在回收过程中因回收装置抓力过大对无人机造成损耗。
64.实施例6
65.空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法同实施例1
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5，本发明空中飞行平台自动化无人机回收方法步骤(3)所述的远距离导航中的远端模式是单目估距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，参见图10，图10为本发明远距离导航中远端模式的流程框图，包括有如下步骤：
66.(3.1.1)视觉信息获取：安装在无人机左侧机翼上的相机获取视觉图像。
67.(3.1.2)远端模式时无人机定位：单目估距子模块以视觉图像为输入计算深度图像，随后目标检测子模块以目标检测框的形式将空中飞行平台在深度图像中的位置框出，再将目标检测框内的平均深度作为空中飞行平台与无人机之间的距离，计算出空中飞行平台在该时刻左摄像机坐标系中的位置；根据左摄像机坐标系和机体坐标系的位置关系计算出空中飞行平台在导航坐标系下的位置。
68.(3.1.3)远端模式时无人机飞行控制：飞行控制模块通过扩展卡尔曼滤波算法对视觉定位数据和惯性导航系统的导航数据进行信息融合，根据优化后的导航信息使用pid控制器进行无人机导航控制运算。
69.(3.1.4)若空中飞行平台与无人机间距离大于阈值1，跳转至(3.1.1)，进而执行(3.1.2)、(3.1.3)和(3.1.4)，循环执行远端模式。若空中飞行平台与无人机间距离小于阈值1，跳转至(3.1.5)。
70.(3.1.5)空中飞行平台与无人机间距离小于阈值1，此时双目测距子模块计算深度图像的精确度高于单目估距子模块，无人机由固定翼飞行模式切换到旋转翼飞行模式，降低飞行速度，进入近端模式。
71.远距离导航中的近端模式是双目测距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，参见图11，图11为本发明远距离导航中近端模式的流程框图，包括有：
72.(3.1.6)视觉信息获取：安装在无人机左右两侧机翼上的相机获取视觉图像。
73.(3.1.7)近端模式时无人机定位：双目测距子模块以视觉图像为输入计算深度图像，再使用目标检测子模块以目标检测框的形式将空中飞行平台在深度图像中的位置框出，再将目标检测框内的平均深度作为空中飞行平台与无人机之间的距离，进而计算出空中飞行平台在该时刻左摄像机坐标系中的位置；根据左摄像机坐标系和机体坐标系的位置关系计算出空中飞行平台在导航坐标系下的位置。
74.(3.1.8)近端模式时无人机飞行控制：飞行控制模块通过扩展卡尔曼滤波算法对视觉定位数据和惯性导航系统的导航数据进行信息融合，根据优化后的导航信息使用pid控制器进行无人机导航控制运算。
75.(3.1.9)若空中飞行平台与无人机间距离大于激光雷达检测范围，跳转至(3.1.6)，进而执行(3.1.7)、(3.1.8)和(3.1.9)，循环执行远距离导航中的近端模式。若空中飞行平台与无人机间距离小于激光雷达检测范围，跳转至(3.1.10)。
76.(3.1.10)空中飞行平台与无人机间距离小于激光雷达检测范围，此时已能够使用精确度更高的激光雷达作为导航信息，进入中距离导航。
77.传统的无人机远距离导航过程中依赖卫星信号，这意味着其导航系统容易受电磁干扰和信号欺骗，本发明的远距离导航采用视觉定位，无需与外界进行信号交互，因此完全不会受到信号干扰。本发明的远距离导航根据无人机和空中飞行平台之间的距离不同选择远端模式和近端模式，其中远端模式是单目估距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，由于单目估距子模块中的算法的适用距离远，因此本发明将其应用于远端模式下无人机的定位。因为双目测距子模块中的算法精度高于单目估距子模块，但是其适用距离近于单目估距子模块，所以本发明的远距离导航中的近端模式采用双目测距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，在无人机与空中飞行平台之间的距离满足双目测距子模块的适用距离后进入近端模式，从而减小了导航误差。
78.实施例7
79.空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法同实施例1
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6，本发明步骤(3)所述的中距离导航，参见图12，图12为本发明中距离导航的流程框图，包括有如下步骤:
80.(3.2.1)无人机入网：无人机搜索并加入空中飞行平台建立的无线网络。
81.(3.2.2)获取激光雷达数据：抓取激光雷达通过udp发送的数据包。
82.(3.2.3)中距离导航时无人机定位：空中飞行平台解析激光雷达数据，使用雷达目标检测算法确定无人机相对空中飞行平台所在的位置信息，通过无线网络将其发送给无人机。
83.(3.2.4)中距离导航时无人机飞行控制：无人机通过无线网络接收位置信息；若无人机未到达空中飞行平台下方的预定位置，通过卡尔曼滤波算法和pid控制器调整无人机的位置和姿态，跳转至(3.2.2)，进而执行(3.2.3)和(3.2.4)，循环执行中距离导航。若无人机已到达空中飞行平台下方的预定位置，跳转至(3.2.5)。
84.(3.2.5)无人机到达空中飞行平台下方的预定位置，此时无人机上伸缩杆顶端的相机已能够获取到定位靶标的图像信息，进入平台下定位和校准。
85.在传统的无人机导航过程中，如果无人机处于电磁信号干扰器或是电磁信号屏蔽器的影响范围下，其导航会出现误差甚至失效，而使用惯性导航系统的方案虽然能够避免电磁干扰，但是会随导航时间累积导航误差，本发明在中距离导航使用激光雷达进行定位，规避了信号干扰，提高了导航的抗干扰能力，同时利用激光雷达高精确度的优点减小了导航误差，实现精确又可靠的无人机导航。
86.实施例8
87.空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法同实施例1
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7，本发明步骤(4)中所述无人机在空中飞行平台下进行定位和位置校准，参见图9，图9为本发明在空中飞行平台下进行定位和位置校准的流程框图，包括有如下步骤：
88.(4.1)安装在无人机顶部的伸缩杆伸长。
89.(4.2)视觉信息获取：伸缩杆顶端的相机获取定位靶标的图像信息。
90.(4.3)无人机平台下定位：使用靶标检测算法和位姿检测算法计算无人机相对定位靶标的位置信息。本例中靶标检测算法可选霍夫圆检测，本例中位姿检测算法可选p3p位姿检测算法。
91.(4.4)无人机平台下位置校准：根据无人机位置信息进行位置校准，；若无人机位置未校准，则通过卡尔曼滤波算法和pid控制器调整无人机的位置和姿态使其靠近定位靶
标正下方的位置，未校准的情况下跳转至(4.2)，进而执行(4.3)和(4.4)，循环执行平台下定位和位置校准，直至无人机位置已校准。若无人机位置已校准，跳转至(4.5)。
92.本例中位置校准中若连续2秒内位姿检测算法的结果显示无人机处于定位靶标正下方则认为位置已校准。
93.(4.5)无人机通过无线通信模块向回收装置发送已校准指令编码，完成平台下的定位和位置校准，在回收装置收到校准完成指令编码后进行无人机的抓取。
94.本发明专门设计了平台下定位和位置校准方法，为此设计了相应的定位靶标图像以并且特意在无人机伸缩杆顶端安装了视觉相机，该定位靶标图像的设计兼顾了靶标识别所需的快速和精确要求，视觉相机获取定位靶标的图像信息以此来进行无人机平台下定位和校准，定位靶标图像、视觉相机与本发明设计平台下定位和位置校准方法三者共同配合，实现了在空中飞行平台下进行高精确度的无人机定位和位置校准。
95.下面将空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法结合在一起给出一个例子，对本发明进一步说明
96.实施例9
97.空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法同实施例1
‑
8，具体步骤如下：
98.(1)实现空中飞行平台：将回收装置，激光雷达，安装平台和空中飞行平台动力提供装置组装在一起实现空中飞行平台，参见图1，具体步骤如下：
99.(1.1)组装回收装置：回收装置1参见图3，是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，柱塞5处于液压缸7下方，活动臂分为短臂10和长臂11，短臂10一端与柱塞活动铆接，短臂10另一端与长臂11一端活动铆接，长臂11中部的连接点与液压缸外壳倒u形下端活动铆接，根据短臂10与长臂11的长度确定连接点的具体位置，使通过柱塞9的驱动能保证两个活动臂的抓手结构实现收口，两个活动臂相对于柱塞9的纵轴中心对称安装，长臂11抓取端安装扇形结构的抓手结构，参见图4，在扇形内侧安装压力传感器13，在柱塞9的下端端面部贴定位靶标图像12，定位靶标图像由三个半径不同的相离的圆环组成，本例中的定位靶标图像示例参见图5。
100.(1.2)将液压缸外壳方形上端与安装平台3底部连接。
101.(1.3)将激光雷达2安装在安装平台3底部边缘处，本例中激光雷达可选rs
‑
bpearl激光雷达。
102.(1.4)构建无线通信模块主节点：该主节点可以接收子节点的信息，也可向子节点发送信息，能获取激光雷达发送的数据包，并且能够与其他程序进行信息交互。本例中无线通信模块的节点可选择f8913d zigbee工业芯片实现。
103.(1.5)构建中距离定位模块：该模块的输入为无线通信模块主节点获取的激光雷达数据，用于解析激光雷达数据，使用雷达目标检测算法计算无人机的中距离位置信息。
104.(1.6)编写回收装置控制程序：该程序同液压缸的控制接口连接，该程序的输入有两个压力传感器的输出和无线通信模块的主节点，当从无线通信模块收到校准完成指令编码时，该程序使液压缸开始工作，当两个压力传感器的输出均有数据时，该程序使液压缸停止。
105.(1.7)将中距离定位模块、回收装置控制程序和无线通信模块主节点一同部署到硬件平台上，将该硬件平台安装于安装平台3上。本例中使用的硬件平台可选jetson tx2。
106.(1.8)将安装平台3上端与空中飞行平台动力提供装置连接，本例中飞行平台动力提供装置可选飞艇。
107.(2)改装无人机：将伸缩杆和相机安装到无人机上，参见图2，具体步骤如下：
108.(2.1)将伸缩杆垂直向上安装于无人机两侧机翼的对称中心处。
109.(2.2)将相机分别安装于无人机两侧机翼上和伸缩杆顶端。
110.(2.3)构建飞行控制子系统：
111.(2.3.1)构建单目估距子模块：该模块的输入为安装在无人机左侧机翼上的相机的输出信息。本例中可选fastdepth网络实现。
112.(2.3.2)构建双目测距子模块：该模块的输入为安装在无人机左右两侧机翼上的相机的输出信息。本例中可选sgbm算法实现。
113.(2.3.3)构建目标检测子模块：该模块的输入为单目估距子模块或双目测距子模块的输出信息，该模块的输出与飞行控制模块的输入相连。本例中可选mobilenet
‑
ssd网络实现。
114.(2.3.4)构建无线通信模块子节点：该子节点可以接收主节点的信息，也可向主节点发送信息，该子节点与飞行控制模块相连。
115.(2.3.5)构建飞行控制模块：监听输入口是否有数据信息，一旦有数据输入便使用扩展卡尔曼滤波算法和pid控制器实时调整无人机的飞行姿态。
116.(2.3.6)将飞行控制子系统软件程序部署到硬件平台上，将带有飞行控制子系统的硬件平台安装到无人机上。本例中该硬件平台可选jetson tx2。
117.(2.3.7)将惯性导航系统安装于无人机上，若无人机上已有惯性导航系统则无需进行此步骤，惯性导航系统的输出与飞行控制模块连接。
118.(3)空中飞行平台自动化无人机回收系统初始化。
119.(3.1)设定无人机回收时自主导航的目标点；设定无人机导航模式从远端模式切换到近端模式所需的阈值1，本例中阈值1应设定为双目测距子模块中选择的算法的最大适用距离；设定无人机导航模式从近端模式切换到中距离导航所需的激光雷达检测范围。
120.(3.2)空中飞行平台建立无线通信网络，启动空中飞行平台动力提供装置，空中飞行平台升空。
121.(3.3)无人机在完成任务或任一不属于空中飞行平台自动化无人机回收系统的探测器出现故障后，进行无人机回收，进入回收过程中的无人机自主导航。
122.(4)回收过程中的无人机自主导航，无人机通过自主导航到达空中飞行平台下方预定位置，分为远距离导航、中距离导航和平台下定位和校准，具体步骤如下：
123.(4.1)远距离导航，远距离导航分为远端模式和近端模式，其中远端模式参见图10，近端模式参见图11，具体包括如下步骤：
124.(4.1.1)视觉信息获取：安装在无人机左侧机翼上的相机获取视觉图像。
125.(4.1.2)远端模式时无人机定位：单目估距子模块将视觉图像转化为深度图像，随后目标检测子模块以目标检测框的形式确定空中飞行平台在深度图像中的位置，计算出空中飞行平台在该时刻左摄像机坐标系中的位置；根据左摄像机坐标系和机体坐标系的位置关系计算出空中飞行平台在导航坐标系下的位置，得到无人机定位数据，将其传输给飞行控制模块。
126.(4.1.3)远端模式时无人机飞行控制：飞行控制模块通过扩展卡尔曼滤波算法对无人机定位数据和惯性导航系统的导航数据进行信息融合，根据优化后的导航信息使用pid控制器进行无人机导航控制运算。
127.(4.1.4)若空中飞行平台与无人机间距离大于阈值1，跳转至(4.1.1)，进而执行(4.1.2)、(4.1.3)和(4.1.4)循环执行远端模式。若空中飞行平台与无人机间距离小于阈值1，跳转至(4.1.5)。
128.(4.1.5)飞行控制模块控制无人机由固定翼飞行模式切换到旋转翼飞行模式，降低飞行速度，进入近端模式。
129.(4.1.6)视觉信息获取：安装在无人机左右两侧机翼上的相机获取视觉图像。
130.(4.1.7)近端模式时无人机定位：双目测距子模块将视觉图像转化为深度图像，再使用目标检测子模块以目标检测框的形式确定空中飞行平台在深度图像中的位置，进而计算出空中飞行平台在该时刻左摄像机坐标系中的位置；根据左摄像机坐标系和机体坐标系的位置关系计算出空中飞行平台在导航坐标系下的位置，得到无人机定位数据，将其传输给飞行控制模块。
131.(4.1.8)近端模式时无人机飞行控制：飞行控制模块通过扩展卡尔曼滤波算法对无人机定位数据和惯性导航系统的导航数据进行信息融合，根据优化后的导航信息使用pid控制器进行无人机导航控制运算；
132.(4.1.9)若空中飞行平台与无人机间距离大于激光雷达检测范围时，跳转至(4.1.6)，进而执行(4.1.7)、(4.1.8)和(4.1.9)，循环执行远距离导航中的近端模式。若空中飞行平台与无人机间距离小于激光雷达检测范围时，进入中距离导航。
133.(4.2)中距离导航，参见图12，具体步骤如下：
134.(4.2.1)无人机入网：无人机上的无线通信模块的子节点搜索并加入主节点建立的无线网络。
135.(4.2.2)获取激光雷达数据：主节点抓取激光雷达通过udp发送的数据包，并将该数据包传输给中距离定位模块；
136.(4.2.3)中距离导航时无人机定位：中距离定位模块收到数据包后解析激光雷达数据，使用雷达目标检测算法，确定无人机相对空中飞行平台所在的位置信息，通过主节点将其发送给无人机上的子节点。本例中解析激光雷达数据可选rs
‑
bpearl激光雷达数据解析方法。
137.(4.2.4)中距离导航时无人机飞行控制：无人机上的子节点接收位置信息并将其发送给飞行控制模块；若无人机未到达空中飞行平台下方的预定位置，飞行控制模块通过卡尔曼滤波算法和pid控制器调整无人机的位置和姿态，跳转至(4.2.2)，进而执行(4.2.3)和(4.2.4)，循环执行中距离导航。若无人机到达空中飞行平台下方的预定位置，结束中距离导航，进入平台下定位和校准。
138.(4.3)平台下定位和校准，参见图9，具体步骤如下：
139.(4.3.1)安装在无人机顶部的伸缩杆伸长。
140.(4.3.2)视觉信息获取：伸缩杆顶端的相机获取定位靶标的图像信息。
141.(4.3.3)无人机平台下定位：平台下定位与校准模块接收图像信息，使用靶标检测算法和位姿检测算法计算无人机相对定位靶标的位置信息。本例中靶标检测算法可选霍夫
圆检测，位姿检测算法可选p3p位姿检测算法。
142.(4.3.4)无人机平台下位置校准：平台下定位与校准模块根据无人机位置信息进行位置校准；若无人机位置未校准，将无人机位置信息传输给飞行控制模块，飞行控制模块通过卡尔曼滤波算法和pid控制器调整无人机的位置和姿态，跳转至(4.3.2)，进而执行(4.3.3)和(4.3.4)，循环执行平台下定位和位置校准。若无人机位置已校准，跳转至(4.3.5)。本例中位置校准中若连续2秒内位姿检测算法的结果显示无人机处于定位靶标正下方则认为位置已校准。
143.(4.3.5)无人机通过无线通信模块向主节点发送已校准指令编码，完成平台下的定位和位置校准。
144.(5)回收装置抓取无人机：
145.(5.1)无线通信模块的主节点接收到校准完成指令编码后，将其传输给回收装置控制程序。
146.(5.1)回收装置控制程序收到校准完成指令编码后，启动液压缸，使柱塞向内收缩，驱动两侧活动臂向中间靠拢夹住无人机顶部的伸缩杆。
147.(5.2)当两侧活动臂抓手内的压力传感器均响应时，回收装置控制程序停止控制液压缸。
148.(5.3)飞行平台通过无线通信模块向无人机上的子节点发送停止飞行指令编码。
149.(5.4)无人机上的子节点收到停止飞行指令编码后将其发送给飞行控制模块，飞行控制模块收到编码后关闭无人机旋翼，此时无人机停止飞行。
150.(5.5)飞行平台完成对无人机的回收，参见图13。
151.综上所述，本发明的一种空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法，解决了无人机导航信号易受干扰，回收时损耗大的问题。系统有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机。飞行控制子系统以相机和激光雷达的信息为输入，导航无人机到达空中飞行平台下方预定位置，回收装置以机电的方式驱动，通过控制液压缸驱动柱塞，使两机械臂末端合拢形成收口，夹住无人机顶端的伸缩杆，实现无人机回收。方法有设计空中飞行平台自动化无人机回收系统；系统初始化；回收过程中无人机自主导航；无人机在飞行平台下进行定位和位置校准；回收装置抓取无人机。本发明在导航期间以视觉信息和激光雷达为输入，根据无人机与平台间距离选择不同的导航模式，既保证了导航准确又减小了信号干扰。嵌有压力传感器的抓手设计，减小了回收时对无人机的损耗。应用于无人机空中回收。
152.以上描述仅是本发明的具体实施例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。