旋翼飞行器安全捕获装置及捕获方法与流程

本发明属于旋翼飞行器安全降落领域，具体涉及一种旋翼飞行器安全捕获装置及捕获方法。

背景技术：

近几年，小型旋翼飞行器已经逐渐成为机器人领域研究的热点，其具备控制简便、成本低廉、机动灵敏等优点，被广泛应用于业务监管、航拍测量、应急搜救等方面。然而，旋翼飞行器自主起飞或降落(回收)，尤其是在多自由度运动平台(船舶)上，仍然存在这一些问题。公告号为CN205131676U的专利公开了一种车载飞行装置，它包括舱室内可垂直升降的升降板，升降板上通过电磁吸附装置吸附安装载有遥控摄像头的无人机。当不需要无人机工作时，控制无人机落在升降板上,然后升降板上的两块电磁铁通电,牢固的吸住无人机,以实现无人机的回收。该专利虽然能实现无人机的回收，但其操作困难，无人机回收难度大，安全系数低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种旋翼飞行器安全捕获装置及捕获方法，该装置和方法操作简单，能方便回收旋翼飞行器，提高回收安全率。

本发明所采用的方案是：

一种旋翼飞行器安全捕获装置，至少包括：

光学对准机构，用于引导旋翼飞行器进入降落区域，并使进入降落区域的旋翼飞行器处于悬停状态；

自动升降机构，置于运动载体上，用于升降电磁吸附机构；当旋翼飞行器进入悬停状态时，升降电磁吸附机构，使电磁吸附机构与悬停状态的旋翼飞行器接触；当旋翼飞行器与电磁吸附机构发生接触之后，升降机才停止上升；

电磁吸附机构，用于捕获锁定旋翼飞行器，实现旋翼飞行器的回收。

按上述方案，所述光学对准机构至少包括位于旋翼飞行器上的机载光学相机和位于自动升降机构的降落台上的标识参考物，通过标识参考物在机载光学相机中的成像特征来判断旋翼飞行器相对于标识参考物的位姿，以此来引导旋翼飞行器进入降落区域，并使进入降落区域的旋翼飞行器处于悬停状态。光学对准机构主要依据已知的机载相机的焦距、圆的半径和小孔成像模型，(将相机当作小孔成像模型，降落台上的特殊标识(同心圆)被该模型投影在像平面上，呈现的特征(形状、大小、位置)会随着相机(飞行器)的观察方位变化而改变，形状即曲率半径决定着飞行器的姿态，大小决定着飞行器的高度，位置决定着飞行器的相对水平位置。而相机的焦距属于相机的固有参数，内在地决定着成像模型。)对旋翼飞行器相对位姿进行估算，既可以由操作人员遥控完成，也可以通过图像处理自动完成。

按上述方案，所述自动升降机构至少包括升降机、驱动电机、万向锁扣、降落台；所述驱动电机置于运动载体上，并与升降机连接；所述升降机通过万向锁扣与降落台连接，降落台与万向锁扣活链接，能任意转动；升降机受驱动电机控制可自由上升和下降，升降机可达的最大高度定为旋翼飞行器的捕获范围；升降机带动降落台上下升降。当且仅当旋翼飞行器与降落台发生接触之后，升降机停止上升。

按上述方案，所述电磁吸附机构至少包括吸附控制电路、位于旋翼飞行器上的金属导通支架、位于降落台上的电磁铁阵列；所述吸附控制电路采用接触开关导通，当且仅当旋翼飞行器上的金属导通支架与降落台上的电磁铁阵列中的某个电磁铁单元发生接触时,对应该电磁铁的电路导通，产生电磁吸附作用力，将旋翼飞行器吸附在降落台上。吸附控制电路不仅负责电磁铁支路的导通，也承担着升降机的关闭，两者的工作保持一致，降低了控制系统的复杂性。

按上述方案，机载光学相机的摄像头被固定在旋翼飞行器的重心位置，光轴方向与旋翼飞行器机体水平方向相互垂直且朝下，即机载光学相机参考坐标系与旋翼飞行器机体坐标系一致；所述标识参考物附在降落台上，是一张由多个同心圆构成的黑白相间图形，其中每个圆的绝对半径为已知信息；机载光学相机利用第一视角观测该标识参考物，依据其在视野当中的位置和所占面积大小判断当前旋翼飞行器相对降落台的高度和水平位置，以准确引导旋翼飞行器进入降落区域。飞行器当前的高度与图像中目标的尺寸大小相关，姿态与其形状(椭圆的曲率半径参数)相关，具体计算公式为：

其中，H代表飞行器高度，f_c为相机焦距，A_real代表实际目标面积大小，A_image代表图像中目标面积大小，r_real代表实际目标的半径，r_1,image和r_2,image分别代表图像中椭圆的长轴和短轴的长度，roll和pitch代表飞行器的滚动角和倾斜角，K₁和K₂为比例因子。

按上述方案，所述万向锁扣至少包括底座、球体和支撑弹簧；所述底座与升降机连接；所述球体置于底座的圆弧型凹槽内；所述支撑弹簧有多个，其一端与球体连接，其另一端与降落台固定连接，降落台在万向锁扣上可以任意转动，与地面或船体等环境平台运动分离，使降落台与其他运动载体之间的运动互相不受干扰。

按上述方案，电磁铁阵列包括并列设置的电磁铁，每个电磁铁分别串联一个开关控制模块；每个开关控制模块独立工作，互不影响；每一个电磁铁分别采用接触开关接触导通；只有当旋翼飞行器的金属支架与某个接触开关接触时，与该接触开关连接的电磁铁支路导通，电磁铁得电吸附旋翼飞行器；其它电磁铁支路不导通。

本发明中，所述升降机也可通过手动实现上下升降。

本发明还提供一种采用上述旋翼飞行器安全捕获装置进行旋翼飞行器捕获的方法，包括如下步骤：

旋翼飞行器飞行到降落区域，保持悬停状态；

降落台在升降机的带动下上升，直至贴近上空的旋翼飞行器；

当旋翼飞行器与降落台上的某个电磁铁支路的接触开关接触时，该电磁铁支路导通，电磁铁将旋翼飞行器吸附固定在降落平台上，完成回收。

本发明的有益效果在于：

利用旋翼飞行器现有的设备，不给旋翼飞行器增加新的负载，易于实现；降低旋翼飞行器的降落和捕获(回收)阶段的操作复杂性；可操作性强，既可以全自动化，也可以人为操作参与；

自动升降机构处于主动地位，主动地去接触空中悬停的旋翼飞行器，从而避免旋翼飞行器遥控或自主降落时控制状态不稳定而发生的事故，确保了旋翼飞行器的降落、回收安全；

当旋翼飞行器与降落台上分布的任一电磁铁发生接触，就会触发与该电磁铁连接的支路导通，使电磁铁产生一定磁力对旋翼飞行器的金属导通支架进行“锁定”，从而使旋翼飞行器在捕获(回收)过程中不离开降落台；捕获非常方便、准确；

自动升降机构主动上升去接触处于悬停状态的旋翼飞行器，一定程度上避免了旋翼飞行器自身降落的动作，确保了旋翼飞行器的回收安全；

电磁铁阵列均匀嵌置在降落台上，从而增大旋翼飞行器降落的金属导通支架与电磁铁发生接触的概率，确保了对旋翼飞行器的有效捕获；

所有电磁铁为并联连接，每个电磁铁的开关独立工作，互不影响，从而有效降低能耗；

旋翼飞行器的金属导通支架属于电磁铁导通电路的一部分，能够将电磁铁支路的接触开关导通，使电磁铁导电，结构合理，便于实现；

采用万向锁扣将升降机与降落台连接，从而隔离开降落台与运动载体的运动关联，属于“软”连接，降落台无受力作用保持水平状态，受力可自由灵活转动，保障旋翼飞行器的安全捕获。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明旋翼飞行器安全捕获装置的结构示意图；

图2是降落台的平面示意图；

图3是万向锁扣的结构示意图；

图4是电磁吸附机构的设计原理图。

其中：1、运动载体，2、旋翼飞行器，3、金属导通支架，4、机载光学相机，5、降落台，6、万向锁扣，6-1、底座，6-2、球体，6-3、支撑弹簧，6-4、圆弧型凹槽，7、升降机，8、驱动电机，9、标识参考物，10、电磁铁，11、开关控制模块，12、接触开关，13、开关电源，14、供电电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图4，一种旋翼飞行器安全捕获装置，至少包括光学对准机构、自动升降机构、电磁吸附机构。

光学对准机构用于引导旋翼飞行器2进入降落区域，并使进入降落区域的旋翼飞行器2处于悬停状态；它至少包括位于旋翼飞行器2上的机载光学相机4和位于自动升降机构的降落台5上的标识参考物9，通过标识参考物9在机载光学相机4中的成像特征来判断旋翼飞行器2相对于标识参考物9的位姿，以此来引导旋翼飞行器2进入降落区域，并使进入降落区域的旋翼飞行器2处于悬停状态。本发明中，光学对准机构主要依据已知的机载光学相机4的焦距、圆的半径和小孔成像模型，对旋翼飞行器2相对位姿进行估算，该估算既可以由操作人员遥控完成，也可以通过图像处理自动完成。在较佳实施例中，机载光学相机4的摄像头被固定在旋翼飞行器2的重心位置，光轴方向与旋翼飞行器2机体水平方向相互垂直且朝下，即机载光学相机4参考坐标系与旋翼飞行器2机体坐标系一致，即机载光学相机的位姿与旋翼飞行器2保持一致；标识参考物9附在降落台5上，是一张由多个同心圆构成的黑白相间图形，其中每个圆的绝对半径为已知信息，机载光学相机4在不同的视角下观察标识参考物9，标识参考物9呈现不同比率的椭圆形状，根据其在图像的位置和大小，推测旋翼飞行器相对降落台的方位和高度，不同的椭圆率也可以反映当前旋翼飞行器的稳定状况，以准确引导旋翼飞行器2进入降落区域。

自动升降机构置于运动载体1上，用于升降电磁吸附机构的电磁铁10；当旋翼飞行器2进入悬停状态时，自动升降机构升降电磁吸附机构的电磁铁10，使电磁吸附机构的电磁铁10与悬停状态的旋翼飞行器2接触，因电磁吸附机构的接触开关12置于电磁铁10旁，所以当电磁铁10与旋翼飞行器2接触时，接触开关12也与旋翼飞行器2接触。自动升降机构至少包括升降机7、驱动电机8、万向锁扣6、降落台5；驱动电机8置于运动载体1上，被设置在升降机附近，通过绞盘的形式控制升降机的上升和下降；升降机7通过万向锁扣6与降落台5连接，降落台5与万向锁扣6活链接，能任意转动。万向锁扣6至少包括底座6-1、球体6-2和对称设置的支撑弹簧6-3；底座6-1与升降机7连接；球体6-2置于底座6-1的圆弧型凹槽6-4内；支撑弹簧6-3有多个，其一端与球体6-2连接，其另一端与降落台5固定连接，降落台5在万向锁扣6上可以任意转动，使降落台5与运动载体1之间的运动互相不受干扰，以便降落台5始终能够保持近似水平状态。升降机7受驱动电机8控制可自由上升和下降，升降机7可达的最大高度为旋翼飞行器2的捕获范围；升降机7带动降落台5上下升降。当且仅当旋翼飞行器2与降落台5上的电磁铁10(接触开关12)发生接触之后，升降机7才停止上升，该方式可以通过手动控制，也可以通过电磁吸附机构实现。

电磁吸附机构，用于捕获锁定旋翼飞行器2，实现旋翼飞行器1的回收；至少包括吸附控制电路、位于旋翼飞行器2上的金属导通支架3、位于降落台5上的电磁铁阵列；吸附控制电路采用接触开关导通，当且仅当旋翼飞行器2上的金属导通支架3与降落台5上的电磁铁阵列(接触开关12)发生接触时,与电磁铁陈列连接的电路导通，电磁铁阵列产生电磁吸附作用力，将旋翼飞行器2吸附在降落台5上。吸附控制电路不仅能负责电磁铁支路的导通，也承担着升降机7的关闭，两者的工作保持一致，降低了控制系统的复杂性。电磁铁阵列为并列设置的电磁铁10。吸附控制电路包括供电电源14、开关电源13、开关控制模块11，每个电磁铁10分别串联一个开关控制模块11，每个开关控制模块11分别与供电电源14、接触开关12连接；开关电源13的一端接地，开关电源13的另一端与旋翼飞行器2的金属导通支架3连接，当旋翼飞行器接触其中一个电磁铁时，此时旋翼飞行器2的金属导通支架3也会与该电磁铁10旁的接触开关12接触。当旋翼飞行器2的金属支架3与某个接触开关12(电磁铁10)接触时，与该接触开关12(电磁铁10)连接的电磁铁支路导通，电磁铁10得电吸附旋翼飞行器2；其它电磁铁支路不导通。本发明中，吸附控制电路采用分离式的结构设计，一部分(供电电源、开关控制模块、电磁铁、接触开关等)安设在降落台；另一部分(开关电源等)安设在旋翼飞行器上，由一个安全范围以内的开关电源和金属导通支架组成，金属导通支架起到导通作用，以小电压的电源去控制开关控制模块的导通和关闭，能够有效降低该装置的功耗。

本发明还提供一种采用上述旋翼飞行器安全捕获装置进行旋翼飞行器捕获的方法，包括如下步骤：

旋翼飞行器飞行到降落区域(捕获区域)，保持悬停状态；此时，图像处理系统发送给驱动电机信号，触发升降机自动上升(以恒定速度上升)；

降落台在升降机的带动下上升，贴近上空的旋翼飞行器；

当旋翼飞行器与降落台上的某个电磁铁支路的接触开关接触时，升降机停止上升，该电磁铁支路导通，电磁铁将旋翼飞行器吸附固定在降落平台上，完成回收。

在整个捕获(回收)过程中，旋翼飞行器的控制系统无需做出复杂指令，也不需要增加任何多余的负载设备，只需要保持悬停状态即可。

本发明可在有人或无人干预的情况下，依据光电信号状态，实现了飞行器在不规则的地面(不平整或斜面)或处于复杂运动的载体(船舶)上安全捕获(回收)，保证了飞行器的安全性和环境适应性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。