无人机船载着陆系统的制作方法

本发明涉及无人机船载着陆系统，属于无人机着陆技术领域。

背景技术：

目前，舰载无人机主要装备在航空母舰、战列舰、驱逐舰、护卫舰和两栖舰等军舰上，然而，大排水量的军舰体隐蔽性较差，且无法到达一些特殊区域。因此研究无人机在小排水量的船舶上的应用是一个十分有现实意义课题。当无人机在小吨位的船舶上进行着陆时，船舶将面临着特殊的操作和技术问题，其中，解决无人机着陆设备在船舶上的合理布局问题具有重要意义。例如，可以在船舶上铺设跑道，无人机可以直接在跑道上完成着陆、滑行和制动任务，然而，为了寻找铺设跑道所需要的空间，在多数情况下会引起船舶外部结构的巨大变化，如，船舶上层建筑，导航设备以及负载等位置的变化，一般情况下这将很难被船舶设计人员所接受。

基于翼伞的着陆方法是无人机在船舶上进行着陆的已有方案之一。例如，翼伞由一个4.5米长的横梁支撑，该横梁固定在4.5米高的垂直杆上。为了保证飞行器的速度下降至18-35km/h，在飞行器飞向船舶的最终段将面积为18m²的降落伞展开。当翼伞打开失败时无人机无法进行二次着陆是基于翼伞的无人机着陆系统的主要缺点，其结果是，无人机的机械部件和电子器件因海水腐蚀作用而损坏，这将需要很大资金支出。

基于安装在船舷上的梁式吊车的“吊索”着陆方法也是无人机在船舶上进行着陆的已有方案之一。相对于甲板垂直安装的运动锁固定在横梁的终端。当无人机飞近着陆设备时从其内部自动弹出一条绳索，在弹簧钩的帮助下该绳索完成与运动锁的连接任务，连接任务完成后，无人机的发动机自动关闭。

环境监测无人机的着陆设备包括固定在基座上的旋转横梁，该基座安装在船舷上。捕获装置是一个带有弹簧钩的封闭框架，固定在旋转横梁的末端。无人机上安装一条长度约为1.5米的升降索，在升降索的末端固定着一个带有金属网面的球。无人机着陆方式如下：借助于机载的自主制导系统，无人机飞向捕获设备的导标方向；无人机飞过导标上空时，无人机的绳索进入捕获装置的捕获区域，进而完成球和锁的连接任务；然后，关闭无人机的发动机，并将无人机悬挂在船舷外侧；最后，将水平横梁旋转90-180°，从连接锁上取下无人机。

上述两种着陆装置的优点是无人机沿着船舶外侧通道飞向捕获备。因此，在无人机着陆失败的情况下，如果无人机上有足够的燃料，那么顺利进行二次机动着陆。绳索的长度以及捕获装置的部分区域的角度由无人机自主制导系统的精度确定。着陆设备的安装位置的选择必须考虑船体机构特性。为了确定无人机相对于着陆设备的位置坐标，船载着陆系统至少包括两个信号指示标志，其中的一个安装在船尾，作为下滑信号指示标志；而另外一个安装在着陆装置的梁式吊车上靠近船体中间的位置，作为航向信号指示标志。

无人机的着陆设备沿着船舷安放，航向指示标和下滑指示标的连线必须平行于着陆下滑航迹线。航向指示标和下滑指示标的连线与着陆下滑航迹线之间的距离可以修正，且在飞行之前输入到飞行任务中。信号标志间的距离由着陆设备的安放和着陆系统可靠性的保障条件确定。必须精确地测量信号标志间的距离，且在飞行前必须输入到无人机的机载计算装置中。为了在着陆阶段进行视觉监控，夜晚在航向指示标和下滑指示标的连线上必须安装补充的照明设备。

在无人机飞向船舶的阶段，着陆过程的控制在视觉监测下自动进行。沿着通信线路进行校正信号的发送和来自于无人机的视频信息的获取。按照从无人机传来的信号标志的电视图像和对无人机的视觉观测，操作员测定无人机相对于船舶的位置，并将校正信息传送给无人机的空间运动控制系统。

在船舶处于摇晃状态时，利用安装在船甲板上的电视摄像机对无人机进行着陆控制，无法保证无人机飞向捕获设备的导引精度，这是该无人机着陆控制方法的主要缺点。

基于拦截网的着陆方法是无人机在船舶上进行着陆的已有方案之一。该无人机着陆装置包括安装船舷上的拦截网和安装在拦截网后面的摄像机。摄像机的光轴对准捕获装置的瞄准点。基座安装在距离船的纵向对称面相同距离的船舷上，捕获机构和摄像机安装在该基座上。电视摄像机与安装在无人机控制台上的视频监视器相连接。将着陆轨迹偏离瞄准点的误差信号输入到控制指令生成装置，进而生成轨迹补偿信号，例如“向左-向右”、“向上-向下”，借助无线电信号发射器将轨迹补偿信号发送给无人机。无线电信号接收器安装在无人机的机体上，且与无人机运动控制系统相连接。无人机运动控制系统对输入的数据进行处理，同时生成控制信号。控制信号被传递给执行机构，舵机和副翼，进而实现对无人机飞行轨迹的校正。着陆时为了减轻对无人机头部的撞击，需要安装专业的减震设备。

该着陆方法的主要缺点是，在船舶摇晃时无人机飞向瞄准点的制导精度不高，且由于无人机不具备二次机动着陆的能力，所以当着陆失败时，无人机可能会与船体发生碰撞或者落入水中。

现有的无人机着陆技术的主要缺点是：第一要求具有足够大的着陆空间，这对于小排水量的船舶来说是很难满足的；第二在着陆失败的情况下，无法进行二次机动着陆，这将导致无人机与船体发生碰撞或者掉落水中；第三在船舶处于摇晃状态时，现有的无人机着陆技术无法保证无人机飞向着陆设备的导引精度。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决无人机在船舶上着陆时，由于船舶摇晃造成着陆设备的导引精度低的问题，提供了一种无人机船载着陆系统。

本发明所述无人机船载着陆系统，它包括捕获装置和电视摄像机，它还包括船体倾斜传感器和船体摇晃修正计算单元，

捕获装置用于与无人机的可伸缩弹簧钩连接，完成无人机的制动任务；捕获装置和电视摄像机分别借助于延伸横梁安装在船舷外侧，电视摄像机的光轴对准捕获装置的瞄准点；船体倾斜传感器用于采集船舶的船体倾斜信号，船体摇晃修正计算单元接收船体倾斜传感器采集的船体倾斜信号，并计算获得相应伺服装置的控制信号、电视摄像机绕自身光轴的转动信号、捕获装置和电视摄像机分别所在的延伸横梁在垂直平面内的转动信号及捕获装置和电视摄像机在水平面内的转动信号。

本发明的优点：本发明提出的无人机船载着陆系统，将无人机着陆装置安放在船体外侧，大大降低了着陆设备占据的甲板空间，且在着陆失败的情况下可以进行二次机动着陆，避免了无人机与船体发生碰撞或跌落水中。本发明的船体摇晃修正计算单元根据船体当前的倾斜情况进行计算，输出控制信号，实现了对相应伺服装置的控制，减弱了船体摇晃作用对着陆设备的影响，具有在船体大幅度摇晃时完成无人机着陆任务的优势。

附图说明

图1是本发明所述无人机船载着陆系统的结构示意图；图中11是固定电视摄像机的铰链机构；

图2是无人机与捕获装置进行连接的结构示意图；

图3是无人机的弹性制动装置的结构示意图；

图4是电视摄像机在摄像延伸横梁上的安装结构示意图；

图5是电视摄像机安装的铰链机构的结构示意图；

图6是图4的A-A视图；

图7是在视频监测器的屏幕上的观测区域图像示意图；

图8是电视摄像机光轴和捕获装置瞄准点的稳定运动示意图；

图9是L＝5m,γ₀＝15°,R₁＝3m,R₂＝1.5m，φ₀＝0°时，角φ₁，φ₂和φ₃对船体横倾斜角γ的依赖关系曲线图；

图10是L＝5m,γ₀＝15°,R₁＝3m,R₂＝1.5m，φ₀＝10°时，角φ₁，φ₂和φ₃对船体横倾斜角γ的依赖关系曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述无人机船载着陆系统，它包括捕获装置1和电视摄像机2，它还包括船体倾斜传感器3和船体摇晃修正计算单元4，

捕获装置1用于与无人机的可伸缩弹簧钩连接，完成无人机的制动任务；捕获装置1和电视摄像机2分别借助于延伸横梁安装在船舷外侧，电视摄像机2的光轴对准捕获装置1的瞄准点；船体倾斜传感器3用于采集船舶的船体倾斜信号，船体摇晃修正计算单元4接收船体倾斜传感器3采集的船体倾斜信号，并计算获得相应伺服装置的控制信号、电视摄像机2绕自身光轴的转动信号、捕获装置1和电视摄像机2分别所在的延伸横梁在垂直平面内的转动信号及捕获装置1和电视摄像机2在水平面内的转动信号。

它还包括操作控制台5，操作控制台5包括视频监测器5-1和控制指令生成单元5-2，

视频监测器5-1用于监测电视摄像机2采集的视频信号，控制指令生成单元5-2根据视频监测器5-1监测的视频信号，获得控制指令信号传递给船载无线电通信发射机。

捕获装置1刚性的固定在船舶船体的捕获延伸横梁6-1的末端，捕获延伸横梁6-1的首端通过第一上铰链机构7-1与捕获装置1的捕获支柱1-1连接，第一上铰链机构7-1与第一上伺服装置8-1连接，捕获延伸横梁6-1在第一上伺服装置8-1的带动下，可相对于船舶甲板在垂直平面内转动；

电视摄像机2安装在船舶船体的摄像延伸横梁6-2的末端，摄像延伸横梁6-2的首端通过第二上铰链机构7-2与电视摄像机2的摄像支柱2-1连接，第二上铰链机构7-2与第二上伺服装置8-2连接；第二上铰链机构7-2与电视摄像机伺服装置9连接，在电视摄像机伺服装置9的带动下，电视摄像机2可绕自身光轴转动；摄像延伸横梁6-2在第二上伺服装置8-2的带动下，可相对于船舶甲板在垂直平面内转动；

捕获支柱1-1的支撑终端通过第一下铰链机构7-3安装在第一基座10-1上，摄像支柱2-1的支撑终端通过第二下铰链机构7-4安装在第二基座10-2上；第一基座10-1和第二基座10-2刚性的固定在船舶甲板上；

第一下铰链机构7-3连接第一下伺服装置8-3，第二下铰链机构7-4连接第二下伺服装置8-4；在第一下伺服装置8-3的带动下，捕获延伸横梁6-1可相对于船舶甲板在水平面内转动；在第二下伺服装置8-4的带动下，摄像延伸横梁6-2可相对于船舶甲板在水平面内转动。

船体摇晃修正计算单元4的第一输出端连接第一上伺服装置8-1与第二上伺服装置8-2的控制输入端，该第一输出端输出捕获延伸横梁6-1和摄像延伸横梁6-2在垂直平面内转动信号；

船体摇晃修正计算单元4的第二输出端连接第一下伺服装置8-3和第二下伺服装置8-4的控制输入端，该第二输出端输出捕获支柱1-1和摄像支柱2-1在水平面内转动信号；

船体摇晃修正计算单元4的第三输出端连接电视摄像机伺服装置9的控制输入端，该第三输出端输出电视摄像机2绕自身光轴转动信号。

捕获支柱1-1和摄像支柱2-1均垂直于船舶甲板沿着船体长度的方向安装，捕获支柱1-1和摄像支柱2-1之间的距离为a：a＝5-10m。

本发明提出了一种无人机船载着陆系统，它的捕获装置和电视摄像机分别安装在相应延伸横梁的末端，相应延伸横梁通过上铰链分别与捕获装置和电视摄像机的支柱相连，上铰链与相应的伺服机构相连。捕获装置和电视摄像机的支柱终端通过下铰链与固连在甲板上的基座相连，下铰链与相应的伺服机构相连。

无人机着陆设备包括无人机的机载设备和安装在船舶上的船载着陆控制系统；无人机的机载设备包括运动控制系统，运动控制系统主要包括舵机传动装置，该舵机传动装置用于保证无人机的空间运行姿态。运动控制系统的控制输入与接收无人机运动控制指令的机载无线电通信接收设备的输出相连。此外，在无人机上安装了可伸缩的弹簧钩和信号指示灯。信号指示灯可以提高着陆过程中对无人机的视觉观测效果。捕获装置1可以保证完成其与无人机的可伸缩弹簧钩的连接任务，同时完成相应的制动任务。标准的无线通信设备可以作为无线电通信发射与接收的实现方案，例如，Wi-Fi或遥控设备。

捕获延伸横梁6-1和摄像延伸横梁6-2与捕获支柱1-1和摄像支柱2-1的线性尺寸和位置彼此相近，他们之间的不同之处在于横截面的尺寸不同。捕获延伸横梁6-1和捕获支柱1-1是承载结构，可以承载无人机和捕获装置的重量，以及无人机制动过程中产生的冲击力。摄像延伸横梁6-2和摄像支柱2-1只是为了支撑电视摄像机以及他的铰链机构和伺服装置，使其保持在船体外侧，即，作用在结构上的力，相比之下会低一个数量级。

瞄准点是在通过垂直平面的瞬间无人机允许位置区域的中心，且该垂直平面经过捕获延伸横梁轴。电视摄像机的光轴经过捕获设备的瞄准点。从电视摄像机出发经过捕获设备的瞄准点，且平行于船舶纵向中心面的水平直线是着陆过程中无人机和船舶接近的理想轨迹的延长线。该水平直线距离船舷的距离为b＝(1.5-3)m。为了避免无人机与船舷以及捕获支柱1-1发生碰撞，b的数值必须大于无人机宽度与连接区域宽度之和的一半。在所采用的坐标系中，纵向坐标原点选在捕获设备的瞄准点处，且X轴的方向指向无人机。

捕获装置可行的设计方案的结构为：捕获装置1有一个细长的圆柱形壳体1-11，在圆柱形壳体1-11上安装了放置无人机14的托架1-12和带有弓形吊钩1-13的弹性制动装置1-10。当临近船舶时从无人机内被弹射出弹簧钩12，进而弹簧钩12将与弓形吊钩1-13进行连接。捕获装置的瞄准点与无人机信号指示灯13的位置重合。在制动过程结束后，无人机14完成在捕获装置1上的安置。

电视摄像机2在摄像延伸横梁6-2上的安装结构方案如图4所示，该结构只有一个自由度，即，绕着摄像机的光轴转动。摄像机安装在由弯曲的金属板做成的起到导引作用的第二基座10-2上。铰链机构包括安装在摄像机的两侧的四个径向轴承36和安装在上部起到挤压作用的轴承37，如图5所示。为了防止摄像机沿着光轴移动，在摄像延伸横梁6-2上刚性安装了两个组合支架38。第二基座10-2的两个端面抵接在支架38上，从而确保摄像机可以带有一定的轴间间隙旋转。借助于伺服装置摄像机2可以实现旋转运动，伺服驱动电机39通过一个扇形齿轮40将运动传递给基座。电视摄像机镜头的光轴的位置设定是为了便于观测捕获设备和从着陆机动开始到无人机钩住捕获设备过程中无人机可能位置。

无人机的船载着陆控制系统的功能如下：无人机14的机载运动控制系统可以保证沿着指定的规划轨迹以几十或几百米的精度引导无人机飞到船舶所处的区域。所提出的无人机着陆系统不提供机载自主制导系统。在此之后，无人机进入摄像机的视野观测区域，即视频监视器屏幕上显示的区域。操作人员借助控制指令生成单元5-2对无人机运动轨迹控制进行补偿：向左-向右，向上-向下。控制指令通过键盘或其他的遥控机构进行传输。

在视频监测器5-1的屏幕上的观测区域图像如图7所示。该观测图像可以说明在观测的电视信号的基础上无人机和捕获设备的运动轨迹偏差测定过程。

在视频监测器5-1的屏幕上可以观测到安装在捕获延伸横梁6-1上的捕获装置1，带有第一上铰链机构7-1的捕获支柱1-1的上部以及部分船舷和水平面。无人机14的瞄准点处在无人机和捕获设备连接区域的中心。在电视摄像机安装和校准的过程中形成了该标识的位置。瞄准点是在垂直和水平面内的零位。

图7中，符号Θ_ψ和Θ_θ分别是电视摄像机接收系统在水平和垂直面内的视角；ψ_A和θ_A分别是在水平和垂直面内无人机14距离瞄准点的角偏差。

当着陆设备的部件在电视屏幕上对比度良好的观测条件下，不需要补充的照明设备，操作人员通过预先调节捕获设备的轮廓和特征点就可以观测到瞄准点。在夜晚等较差的观测条件下，在视频监测器5-1屏幕上可以观测到安装在无人机上且距离弹簧钩的距离已知的信号指示灯13发出的光。

在船舶摇晃时瞄准点和电视摄像机在水平和垂直平面内发生震动位移。通过捕获延伸横梁6-1和摄像延伸横梁6-2分别借助于第一上伺服装置8-1和第二上伺服装置8-2相对捕获支柱1-1和摄像支柱2-1的转动，以及借助于第一下伺服装置8-3和第二下伺服装置8-4，捕获支柱1-1和摄像支柱2-1分别相对船舶甲板的转动，可以实现瞄准点和电视摄像机的空间稳定。

在所提出的系统中，伺服装置的设计是为了着陆设备的瞄准点和电视摄像机的光轴的线性坐标X和Y在垂直平面内稳定。

伺服装置的原理可以用图8中的捕获设备的瞄准点和电视摄像机的光轴稳定的运动方案来解释。在图8中使用以下符号：

–在船体不摇晃时，用加粗的线表示横梁和支柱的位置；

–在船体的横倾角为γ时，用中等粗的线表示横梁和支柱的位置；

–R₁是从瞄准点到铰链接头H₂即上铰链机构的距离，铰链接头H₂是横梁相对支柱转动的轴；

–R₂是从铰链接头H₂到铰链接头H₁即下铰链结构的距离，铰链接头H₁是支柱相对船舶甲板转动的轴；

–船舶甲板的位置用矩形阴影来标记；

–Y和Z分别是垂直轴和水平轴；

–L是从铰链接头H₁到船体滚转摇晃轴的距离；

–γ₀是船体纵向中心面和L之间的夹角；

–γ是船体横倾斜角；

–ΔY和ΔZ是当船体的横倾角为γ时铰链接头H₁在垂直和水平方向上的位置偏移；

–α是当船体的横倾角为γ时，横梁R₁在垂直平面内位置相对于船体不存在倾角时横梁R₁在垂直平面内位置的偏移的角；

–β是当船体的横倾角为γ时，支柱R₂在垂直平面内位置相对于船体不存在倾角时支柱R₂在垂直平面内位置的偏移的角；

–φ₀是船体静止时横梁R₁与船舶甲板之间的夹角；

–φ₁是当船体的横倾角为γ时横梁R₁相对于支柱R₂的转角；

–φ₂是当船体的横倾角为γ时支柱R₂相对于船甲板的转角。

如图8所示，船体的横角γ将导致横梁R₁必须相对支柱R₂转动角φ₁＝π/2-β+α，即相对于初始的水平面转动角φ₁＝α+β，同时导致支柱R₂必须相对初始的垂直面转动角φ₂＝γ+β。

为了保持电视摄像机相对其在船体不摇晃时的位置的空间方位，电视摄像机必须转动角φ₃＝-α。

角α和β的值可以用以下的几何关系确定：

设计参数L,γ₀,R₁,R₂是常数。

在船体不摇晃时横梁和支柱的位置取在零位，且认为逆时针转动是旋转的正方向，如图8所示。在船体的横倾角为γ时，为了让瞄准点和电视摄像机的光轴保持在固定的位置，捕获延伸横梁6-1和摄像延伸横梁6-2必须相对捕获支柱1-1和摄像支柱2-1转动角度φ₁，捕获支柱1-1和摄像支柱2-1必须相对船体甲板转动角度φ₂，以及必须将电视摄像机相对于延伸横梁旋转角度φ₃。此时

φ₁(γ)＝α(γ)+β(γ)

φ₂(γ)＝γ(γ)+β(γ)

φ₃(γ)＝-α(γ).

角α和β的值定义为方程组的根：

利用船体摇晃修正计算单元4可以实现方程的求解，船体摇晃修正计算单元4将船体倾斜角分别转化为捕获延伸横梁6-1和摄像延伸横梁6-2相对捕获支柱1-1和摄像支柱2-1的转角φ₁，捕获支柱1-1和摄像支柱2-1相对于船甲板的转角φ₂以及电视摄像机相对其光轴的转角φ₃。

在电视摄像机伺服装置9的控制信号φ₃(γ)作用下，电视摄像机可以绕其光轴转动，在监视器屏幕上的扫描图像维持在其原来的位置，而不受船体晃动影响。这相当于，监视器屏幕上的Y轴和Z轴保留其在地理坐标系内的原有位置。在船体摇晃时，操作人员仅能观测到船体的可观测部分、捕获支柱1-1和捕获延伸横梁6-1间的相对转动以及他们相对瞄准点的转动。因此，操作人员观测到的无人机和瞄准点之间的角度偏差ψ_A和θ_A与船体倾斜角无关。

操作人员根据对监视器屏幕的观测确定无人机14在水平面和垂直平面内相对于瞄准点的角位置偏差信号ψ_A和θ_A，如图7所示。

如果监视器屏幕沿水平和垂直方向的分辨率为N×M，电视信号沿水平和垂直方向的视野角分别为Θ_ψ和Θ_θ，则：

ψ_A＝nΘ_ψ/N,

θ_A＝mΘ_θ/M，

其中n和m是监视器屏幕上捕获设备的瞄准点和无人机弹簧钩的位置之间的屏幕分辨率。

操作人员可以借助控制指令生成单元对相应工作机构实现控制，例如，借助于周期性发送的继电器指令信号“向左”-“向右”和“向上”-“向下”。这些指令的发送时长与ψ_A和θ_A的值成比例，在弹簧钩12连接上捕获设备1的弓形吊钩之前，可以保证无人机14与船舶15的接近轨迹控制比较平滑。连接结束后，开始对无人机进行制动。在制动过程中，无人机沿着捕获设备的壳体1-11推进，且最终停放在托架1-12上。最后两个延伸横梁均转动90°，并且沿着船舷固定在合适的位置上。

经仿真实验的结果可知，当无风且船体不摇晃时引导无人机飞向瞄准点的动态误差不超过0.1m，当存在侧风的情况下动态误差增大至0.15-0.2m，这就决定了弹簧钩和弓形吊钩的设计尺寸，以及捕获设备壳体的横截面尺寸。船体摇晃时，要求连接的可行区域大小增加ΔZ和ΔY，例如在γ＝15°时，ΔZ和ΔY为1.2m，这在结构设计上是不可实现的。因此，在船舶摇晃时无人机着陆设备——梁式吊车的工作能力是受限的，船体摇晃最大的幅值不超过2.5°。

本发明系统保证了瞄准点误差的稳定精度不低于0.05m，伺服装置角偏差的精度达到1°，增加了必要的连接区域，船体的摇晃角度最大可以增加到大约15°。