飞行器移动降落系统及移动降落方法与流程

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及用于多轴飞行器的移动降落系统及移动降落方法。

背景技术：

目前，多轴飞行器等飞行器通常通过计算机视觉系统进行自动降落，利用摄像头获取降落目标的图像，通过计算机视觉识别并对准降落目标，从而安全降落在降落平台上。通常计算机视觉利用颜色或形状区分识别对象，常见的利用红外灯源作为识别目标，但是在阳光下，容易受到环境红外线的干扰，导致计算机视觉识别目标时受到多个识别对象的干扰。再者，当多轴飞行器靠近降落目标时，由于气流扰动或外界干扰等原因，可能会致使多轴飞行器机身晃动，进而导致摄像头晃动，计算机视觉系统难以识别和对准晃动的降落目标图像，从而无法稳定地降落在降落平台上。进一步地，当降落目标位于移动的降落平台上时，降落目标本身也在晃动，从而多轴飞行器的降落难度进一步增加，可能造成飞行器的意外损坏。

技术实现要素：

本发明第一目的在于提供一种可实现飞行器高识别率稳定降落的移动降落系统。

本发明第二目的在于提供一种使飞行器稳定地移动降落的方法。

为了实现上述第一目的，本发明提供的飞行器移动降落系统包括设置在飞行器上的第一处理器和与其连接的摄像装置及设置在降落平台上的降落目标。其中，降落目标上设置有发出预定波长的光的光源，摄像装置包括透过预定波长的光的滤光片，降落目标上设置有第一通讯模块，飞行器上设置有与第一通讯模块通讯的第二通讯模块，降落目标上还设置有第二处理器，第二处理器分别与光源、电源和第一通讯模块连接；第二处理器用于控制光源按照预定频率频闪；第二处理器用于将预定频率的数值通过第一通讯模块和第二通讯模块发送至第一处理器；第一处理器根据预定频率的数值识别降落目标。

由以上方案可见，摄像装置上安装有透过预定波长的滤光片，从而可通过感知光源发出的特定波长光确定多轴飞行器与降落目标之间的相对位置。在实际的外界环境中，太阳光被各种材料的表面反射、折射，及各种发光体发出的光相混合，各种波长的光都可能会发射至摄像装置，从而可能致使摄像装置捕捉到错误的目标，而本发明的光源在第二处理器的控制下以特定频率频闪，可进一步使摄像装置和第一处理器准确感知和识别降落目标，即使波长相同，但频闪频率不同，摄像装置和第一处理器便可识别出发出此光的物体并不是降落目标，从而更不易于出现误识别，飞行器降落稳定安全。

较具体的方案为，飞行器的左右两侧都设置有朝下的距离传感器。由以上方案可见，飞行器两侧都设置距离传感器，当两侧的距离传感器感知的距离不同时，说明飞行器一侧超出降落平台，飞行器降落不安全，只有在两侧的距离传感器感知的距离差在预定范围内时，可认为飞行器宽度方向上位于降落平台内，飞行器才可安全降落。

更具体的方案为，距离传感器在飞行器的左右两侧的前侧和后侧都有设置。由以上方案可见，飞行器的前后左右设置都设置有朝下的距离传感器，当各传感器感知的距离差在预定范围内时，说明飞行器的位置在降落平台范围内，飞行器可安全降落。

另一更具体的方案为，飞行器的左右两侧都设置有朝外下侧的距离传感器。由以上方案可见，距离传感器朝向外下侧，感知的区域大于传感器区域，从而降落更安全。

优选地，摄像装置包括镜头朝下的第一摄像头，镜头朝向前下方的第二摄像头及镜头朝向后下方的第三摄像头，第一摄像头、第二摄像头和第三摄像头分别设置有滤光片。由以上可见，三个摄像头的应用可增大摄像头的视角，便于捕捉到降落目标，以便于对飞行器相对降落目标的位置进行调整。

为实现上述第二目的，本发明提供了飞行器移动降落方法，其中实现飞行器的移动降落的飞行器移动降落系统包括：设置在飞行器上的第一处理器和与第一处理器连接的摄像装置及设置在降落平台上的降落目标，其中降落目标上设置有发出预定波长的光且由设置在降落目标上的第二处理器控制的光源，摄像装置包括透过预定波长的光的滤光片，降落平台上设置有第一通讯模块，飞行器上设置有与第一通讯模块通讯的第二通讯模块，第二处理器用于将预定频率的数值通过第一通讯模块和第二通讯模块发送至第一处理器。飞行器移动降落方法包括：摄像装置接收光源发出的频闪的光，第一处理器根据预定频率的数值识别降落目标，摄像装置通过接收光源发出的光感知其相对降落目标的位置，第一处理器根据预定频率的数值识别降落目标，当降落目标位于其视角范围内时，飞行器根据摄像装置与光源的相对位置调整其自身的位置，并使光源靠近其视角中心；降低飞行器的高度，使飞行器降落在降落平台上。

由以上方案可见，摄像装置上安装有透过预定波长的滤光片，从而可通过感知以特定频率发光的光源发出的光，来准确地确定飞行器与降落目标之间的相对位置，以进行不易受气流扰动或外界干扰的视觉定位，并随时调整飞行器的飞行速度及方向，通过第一通讯模块与第二通讯模块的通讯及时更新飞行器与降落目标之间准确的相对位置，使飞行器靠近降落目标并稳定地移动降落。

较具体的方案为，飞行器的左右两侧都设置有朝下的距离传感器，在左右两侧的距离传感器感知的距离差在预定范围内时，飞行器的高度降低以进行降落。由以上可见，当两侧的距离传感器感知的距离不同时，说明飞行器的一侧超出降落平台，飞行器降落不安全，只有在两侧的距离传感器感知的距离差在预定范围内时，可认为飞行器宽度方向上位于降落平台内，飞行器才可安全降落。

更具体的方案为，距离传感器在飞行器的左右两侧的前侧和后侧都有设置，在所有距离传感器感知的距离差都在预定范围内时，飞行器的高度降低以进行降落。由以上可见，当各传感器感知的距离差在预定范围内时，说明飞行器的位置降落平台范围内，飞行器可安全降落。

另一较具体的方案为，摄像装置包括镜头朝下的第一摄像头，镜头朝向前下方的第二摄像头及镜头朝向后下方的第三摄像头，第一摄像头、第二摄像头和第三摄像头分别设置有滤光片，飞行器调整其相对降落目标的高度，以使降落目标位于任一摄像头的视角范围内。由以上可见，三个摄像头的设置使摄像头更容易捕捉到降落目标，以尽快进行飞行器的移动降落。

优选地，当第一处理器判断其相对降落目标位于预定高度及预定水平距离以内时，飞行器动力停止，飞行器依靠重力和惯性降落至降落平台上。由以上可见，在飞行器与降落目标之间的相对位置在一定范围内时，即可通过停止飞行器动力而降落。在飞行器靠近降落目标时，由于气流扰动、外界干扰、降落平台自身移动等原因，飞行器无法精确地点对点地降落在降落平台上，从而移动降落难以进行，而当飞行器相对降落目标位于一定范围内，则比较容易控制，即实现点对面的降落，飞行器会降落在降落平台的范围内。

【附图说明】

图1是本发明飞行器移动降落系统实施例的示意图；

图2至图5是本发明飞行器移动降落系统实施例中摄像头捕捉目标并进行调整时的示意图；

图6是本发明的飞行器移动降落系统实施例中摄像头捕获的视频画面在显示屏上显示的示意图；

图7是本发明飞行器移动降落系统实施例中各装置之间的关系图；

图8是本发明飞行器移动降落方法实施例的流程图。

【具体实施方式】

如图1所示，飞行器1下方设置有摄像装置10，摄像装置10可包括镜头朝下的作为第一摄像头的摄像头11，镜头朝向前下方的作为第二摄像头的摄像头12及镜头朝向后下方的作为第三摄像头的摄像头13，优选地，三个摄像头线性设置并位于同一竖直面内，且每个摄像头上都设置有滤光片，其中滤光片设置为可透过预定波长的光，如红外线等。当飞行器1向正前方飞行时，摄像头12可朝向前下方而摄像头13朝向后下方。摄像头12与摄像头11之间的夹角、摄像头13与摄像头11之间的夹角优选地设置为相等，该夹角可在0至90度的范围内进行选择，进一步优选地，该夹角可在30度至60度的范围内选择，例如可为45度。其中，飞行器1可为已知类型的各种飞行器，如直升机、旋翼飞行器、固定翼飞行器等。降落目标2上可设置有第一通讯模块，飞行器1上可设置第二通讯模块，两模块间可以互相通讯，以在进行飞行器移动降落时及时更新飞行器1与降落目标21之间的相对位置。降落平台2设置在可移动装置3上，可移动装置3可为车、船等机动装置。显然，降落平台2还可以是构成移动装置3的局部，如车顶、船甲板等。降落目标21设置在降落平台2上，降落目标3上设置有发出预定波长的光的光源，飞行器上设置有与摄像装置1连接的第一处理器，降落目标3上设置有分别与光源、电源和第一通讯模块连接的第二处理器，第二处理器控制光源按照预定频率频闪，从而发出预定波长预定频率的光，第二处理器将预定频率的数值通过第一通讯模块和第二通讯模块发送至第一处理器，第一处理器根据预定频率的数值识别所述降落目标，不易于出现误操作。

降落平台2或可移动装置3上设置有如GPS等的第一地理坐标获取装置，飞行器1上设置有第二地理坐标获取装置，在降落目标21不在摄像装置的视线内时，飞行器1与降落目标21之间的位置关系也可通过地理坐标获取装置而确定，从而飞行器1可跟随可移动装置3飞行。当降落目标进入摄像装置的视线范围内时，即可进行视觉定位。当飞行器在下降过程中，发生降落目标脱离所有摄像头视线范围的情况时，飞行器上升，直至降落目标重新进入摄像装置的视线。

每个摄像头都具有一定的视角范围，当物体在其视角范围内时，摄像头可捕捉该物体并形成图像。如图2所示，相对竖直线，镜头朝下的摄像头11在其宽度方向的视角为2α，由于摄像头11传感器的工作面呈矩形分布，摄像头11在其长度方向的视角为2β（图中未示出）。沿竖直向下的方向，距离镜头越远，落入摄像头11内的范围越大。在飞行器1进行稳定降落前，摄像装置10根据飞行器1与降落平台2之间的相对位置确定降落目标21是否可落入摄像头11的视角范围内，并捕捉位于水平面h上的降落目标21上设置的光源发出的光，在相对距离应在视线范围内而摄像头11并未捕捉到光时，如图2中所示情况，可调整飞行器1的高度、朝向或切换进行捕捉的摄像头，直至光源被其中一个摄像头捕捉到。

如图3所示，飞行器1升高，降落目标21发出的光被摄像头11捕捉，该光在摄像头11捕获的视频画面上形成光斑。位于高度H1的摄像头11捕捉的视频画面的中心对应摄像头11中心线与水平面h的交点，降落目标21相对地而把高度为H2，则摄像头11与降落目标21之间的高度差H＝H1-H2，如图4所示。视频画面宽度方向的边界对应摄像头11在宽度方向的最大可视角度。假设在视频画面的宽度方向上，光在摄像头11捕获的视频画面上形成的光斑距离视频画面中心的距离为s，视频画面宽度为2W，则可通过估算的方式计算摄像头11与降落目标21之间的连线与竖直线的在宽度方向的夹角为α×s/W，水平距离为H×tan（α×s/W）。若视频画面的长度方向上，光在摄像头11捕获的视频画面上形成的光斑距离视频画面中心的距离为e，视频画面宽度为2L，同理通过估算的方式计算摄像头11与降落目标21之间的连线与竖直线在长度方向的夹角为β×e/L，水平距离为H×tan（β×e/L），可视H×tan（α×s/W）和H×tan（β×e/L）为两直角边，摄像头11和降落目标21的水平距离差为斜边，通过勾股定理即可结算出摄像头11和降落目标21的水平距离差D，并与贮存装置内的预定高度差和预定水平距离差进行比较，根据飞行器自身速度、降落目标移动速度等建立飞行路径。

对于与竖直线成45°的朝向前下方的摄像头，光源与该摄像头在其长度方向上的水平投影距离可以通过H×tan（45°+β×e/L）进行估算。对于与竖直线成-45°的朝向后下方的摄像头，光源与该摄像头在其长度方向上的水平投影距离可以通过H×tan（-45°+β×e/L）进行估算。

在飞行器移动至另一位置时，此时摄像头11与降落目标21之间的高度差为H2，可根据上述算法计算水平距离差D2，如图5所示。当然该水平距离差也可通过其他法进行估算或计算。

另一示例性算法如下。如图3所示，飞行器1升高，降落目标21发出的光被摄像头11捕捉，根据该光在摄像头的显示屏上形成的光斑的位置，调整飞行器1相对降落目标21的位置，使光斑更靠近摄像头的中心线，同时飞行器上设置的第一处理器根据光斑处于显示屏上的位置计算出摄像头与降落目标21之间的连线与竖直线的角度δ1，根据视频画面中光斑与视频画面中心的距离p、显示屏与摄像头成像传感器的比例关系k、摄像头的焦距f的关系进行换算得δ1=arctan[p/(k×f)]，并根据飞行器1及降落目标的高度信息计算出高度差H，利用角度δ1和高度差H即可计算出飞行器与降落目标的水平距离差D=H×[p/(k×f)]，并与贮存装置内的预定高度差和预定水平距离差进行比较，根据飞行器自身速度、降落目标移动速度等建立飞行路径，如图4所示。

然后，飞行器按飞行路径飞行，同时降低飞行器相对降落目标的高度，第一处理器根据光斑处于显示屏上的位置计算出摄像头与降落目标21之间的连线与竖直线的角度δ2，并根据飞行器1及降落目标的高度信息计算出高度差H2，利用角度δ2和高度差H2即可计算出飞行器与降落目标的水平距离差D2，并与贮存装置内的预定高度差和预定水平距离差进行比较，更新飞行路径，如图5所示。

显然水平距离差的算法不是唯一的，还可以由以下算法获得。由于视频画面中的图像间距与实际水平面之间的空间距离存在相似关系，根据相似比例算法可以得出在视频画面宽度方向上，光源距离摄像头11在实际水平面投影点的距离为(s×H×tanα)/W；同理可得，视频画面的长度方向上，光源距离摄像头11在实际水平面投影点的距离为(e×H×tanβ)/L，同样根据勾股定理即可摄像头11和降落目标21的水平距离差。

当第一处理器判断所计算出的高度差小于等于预定高度差且水平距离差小于或等于预定水平距离差，即可关闭动力进行抛降，进一步优选的，降落目标21在摄像装置的显示屏14形成的光斑落在中部的区域S内时，如图6所示，飞行器1的动力停止，依靠自身重力和惯性降落、即抛降在降落平台2上。

从图7中可了解飞行器1与降落目标21上各装置之间的相互关系，从图8中可了解飞行器1移动降落的过程。

飞行器1的摄像装置一般设置在飞行器下方靠近中心的位置，在飞行器的左右两侧可设置朝下的距离传感器，该距离传感器通常也位于摄像装置的左右两侧，两个距离传感器可感知的左右两侧的距离是否大致相同，即差值是否在预定范围内。当两侧的距离传感器感知的距离的差值大于预定值时，判断飞行器一侧超出降落平台，飞行器降落不安全，只有在两侧的距离传感器感知的距离差在预定范围内时，可认为飞行器宽度方向上位于降落平台内，飞行器才可安全降落。

两个以上的距离传感器可感知飞行器是否在降落平台范围内，当距离传感器感知的距离差在预定范围内即感知处于降落平台范围内时，飞行器的降落才安全。

其中预定高度的设定可根据飞行器自身重量、飞行器的飞行速度及方向、降落平台的移动速度及方向、降落平台的大小、飞行器脚架宽度等确定。例如：重量较大的飞行器需要较小的预定高度，避免降落冲击过于激烈，降落飞行速度较大的飞行器需要较小的预定高度，避免飞行器与降落目标的速度差过大而产生较大的抛降误差，重量5千克的飞行器，以2米/秒的速度降落时，预定高度可设置为30厘米。

预定距离可以依据降落目标所在的降落平台的最小宽度M和飞行器脚架的最大支承宽度A而定，优选的，取0.5×(M-A)/2作为预定距离。当然，预定距离还可参考飞行器的飞行速度及方向、降落平台的移动速度及方向进行确定。

飞行器动力停止后，飞行器仍以一定初速度向前飞行，受空气阻力影响前进的速度逐渐变小，同时受重力影响，飞行器会向下加速运动，从而飞行器会大致沿抛物线降落在降落平台上，在确定预定高度和预定距离时，要考虑到飞行器在动力停止后的水平方向的位移，使飞行器的脚架都落在降落平台的预定范围内。当降落平台移动时，飞行器动力停止时的初速度要考虑到降落平台的移动速度。

举例说明，当预定高度设置为30厘米、预定距离设置为20厘米时，飞行器的摄像装置捕捉到降落目标发出的光，并调整自身相对降落目标的位置，若飞行器相对降落目标的高度在0至30厘米，同时距离为0至20厘米的范围内，此时降落目标在摄像装置的所获取的视频画面上形成的光斑应位于视频画面的区域S内，即可关闭飞行器的动力，使飞行器依靠自身重力和惯性降落在降落平台上。

当然，飞行器相对降落目标的高度在0至30厘米、距离为0至20厘米的范围内时，可使飞行器加大油门，沿降落目标移动方向加速，然后关闭飞行动力，熄火抛降，飞行器依靠重力和惯性降落至降落平台上。这样就可以进一步的提高降落的精准度。

降落平台的表面上可设置摩擦系数高的材料，以防止飞行器降落在降落平台上以后，在惯性力作用下冲出、或被甩出降落平台的区域。降落平台上可设置有磁性装置，在飞行器降落在降落平台上后，对其施加磁性力。也可在降落平台上设置吸盘以进行缓冲。