一种无人机自动机场及控制方法与流程

本发明属于无人机技术领域，特别涉及一种无人机自动机场及控制方法，适用于无人机在自动机场的精准降落及执行降落后的相关作业。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“uav”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。

目前无人机的地勤系统主要由跑道(适用于滑跑起降的无人机)/停机坪(适用于垂直起降的无人机)和无线电遥控设备构成，存在以下技术缺陷：地勤系统的发展落后于无人机本身的发展，自动化程度低，需要人工值守；即使是配置有停机坪这类的机场，无人机往往在降落时定位精度不高，出现降落位置偏差大甚至降落到停机坪之外的情况，间接导致整个停机坪尺寸需要做得很大；另外地勤作业也需要大量的人工参与才能完成，例如手动更换电池，因为目前无人机一般不到半小时就需要换一次电池，如果人工来换，工作量也比较大，而且无人机都是在室外野外作业，操作人员的工作环境恶劣。

如何提供一种无人机自动机场及控制方法，如何实现无人机精准降落、停放、自动充电的功能，如何使无人机机场设备尺寸紧凑，成为急需解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无人机自动机场及控制方法，用于解决现有技术中无人机的地勤系统发展落后于无人机本身的发展，自动化程度低，需要人工值守；即使是配置有停机坪这类的机场，无人机往往在降落时定位精度不高，出现降落位置偏差大甚至降落到停机坪之外的情况，间接导致整个停机坪尺寸需要做得很大；另外地勤作业也需要大量的人工参与才能完成，例如手动更换电池，因为目前无人机一般不到半小时就需要换一次电池，如果人工来换，工作量也比较大，而且无人机都是在室外野外作业，操作人员的工作环境恶劣的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种无人机自动机场，包括框架，框架为长方形框架式结构，所述的框架内从左到右依次设置有升降装置、充换电池装置；框架的顶面从上到下依次设置有对开式舱门、对中装置，升降装置的升降平台上设置有无人机；

对开式舱门包括对开支撑框，对开支撑框为长方形框架结构，对开支撑框左端前框和左端后框上均设置有左导轨，对开支撑框右端前框和右端后框上均设置有右导轨，左导轨与对开式舱门的左舱门连接，右导轨与对开式舱门的右舱门连接，对开支撑框的左框上设置有左驱动机构，对开支撑框的右框上设置有右驱动机构，左驱动机构带动左舱门运动，右驱动机构带动右舱门运动。

于本发明的一实施例中，所述的对开支撑框的左框前端和左框后端的下方设置有前后对称布置的传动底座，传动底座的下方设置有传动轴，传动轴的前后两端设置有同步带轮a，其中前端的传动底座顶部设置有电机c，电机c的输出端通过同步带轮组件带动传动轴转动，传动轴带动两端的同步带轮a转动；

对开支撑框的右端角点底部设置有前后对称布置的同步带轮b，任意一侧的同步带轮a和同步带轮b之间均通过同步带传动；

对开支撑框左端前框的后端面和左端后框的前端面上均设置有导轨a，对开支撑框右端前框的前端面和右端后框的后端面上均设置有导轨b，导轨a上均设置有左滑块，左滑块通过左连接块与同步带的上带体连接，左滑块的上部通过左滑动板与左舱门连接；导轨b上均设置有右滑块，右滑块通过右连接块与同步带的下带体连接，右滑块的上部通过右滑动板与右舱门连接。

于本发明的一实施例中，所述的对开支撑框的左端前框顶面和左端后框顶面设置有前后对称布置的导轨c，对开支撑框的右端前框顶面和右端后框顶面设置有前后对称布置的导轨d，对开支撑框的左框右端面中部设置有电机a，电机a的输出端设置有齿轮a，齿轮a与左舱门底部的齿条a啮合；开支撑框的右框左端面中部设置有电机b，电机b的输出端设置有齿轮b，齿轮b与右舱门底部的齿条b啮合；两根导轨c之间的间距大于两根导轨d之间的间距。

本发明提供一种无人机自动机场的控制方法，包括降落位置识别方法、精准降落控制方法、降落方法，所述的降落方法包括以下操作步骤：

a)、无人机获取自动机场实时位置信息：

无人机根据自动机场的gps位置信息，gps位置精度1～5m，获取自动机场实时位置；

b)、无人机空中接近：

无人机飞往自动机场上空，保持30米左右相对高度，飞行过程中开启自动避障；并逐步增加3d地图导航功能，到达自动机场上空后逐步降低到15米左右高度；

c)、无人机定位：

无人机寻找降落信标，精准降落位置识别，自动定位并保持与自动机场一致的水平移动速度，通过水平位置pid控制；

d)、无人机逐渐降低高度；

e)、无人机自由落体降落：

在距离自动机场平台5～10cm高度切断动力，实现自由落体降落；

f)、自动机场对中调整：

自动机场对无人机降落位置进行对中调整。

于本发明的一实施例中，所述的降落位置识别方法包括以下操作步骤：

a)、无人机获取机场位置信息：

无人机通过两种方式获取机场位置信息，下视摄像头检测机场图形与红外摄像头检测机场中间信标；

b)、无人机与起降平台绝对位置偏差计算：

机载控制器根据机场坐标系下x轴方向、y轴方向相素偏移量与高度数据，通过三角函数关系计算出无人机与起降平台绝对位置偏差，

其中，pxpy为无人机本体坐标系统测量像素偏差转换为位置偏差；

exey为无人机与机场平台在地理坐标系统下的相对位置偏差；

为无人机偏航角。

于本发明的一实施例中，所述的精准降落控制方法包括以下操作步骤：

a)、绝对位置偏差作为无人机飞行控制输入，通过pid控制算法，迅速调整x、y方向位移，直至无人机降落到起降平台上；

b)、将无人机北东地坐标系统与平台水平位置偏差，作为控制输入x、y方向的控制量，使用pid算法公式计算如下：

其中，u(t)x,y平台为x、y方向控制量；

e(t)x,y为平台与北东地坐标系下x、y方向与水平方向位置偏差；

kp为比例系数；

ki为积分系数；

kd为微分系数。

如上所述，本发明的一种无人机自动机场及控制方法，具有以下有益效果：解决了无人机在自动机场上的自动精准降落，存放，无人机具有降落位置实时调整功能，保证无人机降落精度在10cm左右，能自动更换电池，并且可以满足雨雪等恶劣天气无人机起降要求，大大拓展了无人机的应用领域，降低了操作人工的工作负荷，机场设备尺寸紧凑，推广应用具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的三维图。

图2是本发明实施例一的对开式舱门内部结构示意图。

图3是图2的a局部放大图。

图4是本发明实施例二的对开式舱门内部结构示意图。

图5是本发明的对中装置结构示意图。

图6是本发明的升降装置结构示意图。

图7是本发明的充换电池装置结构示意图。

图8是本发明充换电池装置的旋转机构结构示意图。

图9是本发明充换电池装置的升降机构结构示意图。

图10是本发明充换电池装置的伸缩机构结构示意图。

图11是本发明充换电池装置的执行机构结构示意图。

图12是本发明实施例三的弹片式卡爪结构示意图。

图13是本发明充换电池装置的定位机构结构示意图。

图14是本发明实施例四的无人机定位机构独立式时的电池更换执行机构。

图中：1.对开式舱门；2.对中装置；3.框架；4.无人机；5.升降装置；6.充换电池装置；7.对开支撑框；8.传动底座；9.电机c；10.左滑动板；11.右滑动板；601.底板；602.旋转机构；603.升降机构；604.伸缩机构；605.执行机构；606.定位机构；701.同步带轮a；702.同步带轮b；703.齿条a；704.齿条b。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种无人机自动机场，包括框架3，框架3为长方形框架式结构，所述的框架3内从左到右依次设置有升降装置5、充换电池装置6；框架3的顶面从上到下依次设置有对开式舱门1、对中装置2，升降装置5的升降平台上设置有无人机4；

对开式舱门1包括对开支撑框7，对开支撑框7为长方形框架结构，对开支撑框7左端前框和左端后框上均设置有左导轨，对开支撑框7右端前框和右端后框上均设置有右导轨，左导轨与对开式舱门1的左舱门连接，右导轨与对开式舱门1的右舱门连接，对开支撑框7的左框上设置有左驱动机构，对开支撑框7的右框上设置有右驱动机构，左驱动机构带动左舱门运动，右驱动机构带动右舱门运动；

如图2、图3所示，所述的对开支撑框7的左框前端和左框后端的下方设置有前后对称布置的传动底座8，传动底座8的下方设置有传动轴，传动轴的前后两端设置有同步带轮a701，其中前端的传动底座顶部设置有电机c9，电机c9的输出端通过同步带轮组件带动传动轴转动，传动轴带动两端的同步带轮a701转动；

对开支撑框7的右端角点底部设置有前后对称布置的同步带轮b702，任意一侧的同步带轮a701和同步带轮b702之间均通过同步带传动；

对开支撑框7左端前框的后端面和左端后框的前端面上均设置有导轨a，对开支撑框7右端前框的前端面和右端后框的后端面上均设置有导轨b，导轨a上均设置有左滑块，左滑块通过左连接块与同步带的上带体连接，左滑块的上部通过左滑动板10与左舱门连接；导轨b上均设置有右滑块，右滑块通过右连接块与同步带的下带体连接，右滑块的上部通过右滑动板11与右舱门连接；

如图4所示，所述的对开支撑框7的左端前框顶面和左端后框顶面设置有前后对称布置的导轨c，对开支撑框7的右端前框顶面和右端后框顶面设置有前后对称布置的导轨d，对开支撑框7的左框右端面中部设置有电机a，电机a的输出端设置有齿轮a，齿轮a与左舱门底部的齿条a703啮合；开支撑框7的右框左端面中部设置有电机b，电机b的输出端设置有齿轮b，齿轮b与右舱门底部的齿条b704啮合；两根导轨c之间的间距大于两根导轨d之间的间距；

左舱门与齿条a703之间设置有数根平行布置的加强杆a；右舱门与齿条b704之间设置有数根平行布置的加强杆b；

如图5所示，对中装置2的电机驱动传动轴转动，传动轴起两个作用，一方面驱动左右两端两个同步带轮转动，另一方面同步两端同步带轮与同步带的动作；同步带轮驱动同步带运动，在同步带的上皮带安装第一连接块，在同步带下皮带安装第二连接块，这样，两个连接块做相对的同步运动，连接块再分别连接对中条，这样，即可实现对中条对无人机的对中动作；如图6所示，升降装置5主要包括：支架、电机、同步带轮、同步带、导轨滑块、降落平台(平台周围有排水槽、排水软管、嵌有环形密封)等主要部件，升降动作为：电机驱动同步带轮转动，同步带轮带动同步带运动，同步带通过连接支架驱动升降平台做升降运动；降落平台四周有排水槽、嵌有环形密封，并有排水软管将水排出；

如图7所示，充换电池装置6主要包括：旋转机构602、升降机构603、伸缩机构604、电池更换执行机构605、无人机定位机构606、机械手底板601；电池更换机械手与充电装置自动换电池机械手与充电座，自动换电池机械手负责将无人机上电池取下，插入充电座，并将充好电的电池插入无人机；

如图8所示，旋转机构602用于旋转机械手，以让机械手对准无人机或充电座，主要包括电机(集成编码器或与编码器独立)、同步带轮、同步带、转动轴与轴承等；电机通过皮带、皮带轮驱动转动轴转动，机械手立柱安装在转动轴上，以达到所需的角度位置；

如图9所示，升降机构603用于升降机械手，以让机械手达到所需的工作高度，并实现有些因位置干涉而必须的避让工作，主要包括电机(集成编码器或与编码器独立)、同步带轮、同步带、立柱、导轨滑块等；电机通过同步带轮驱动同步带，同步带驱动机械手上下运动，导向通过导轨滑块实现；

如图10所示，伸缩机构604有两套驱动机构，分别驱动电池更换执行机构和无人机定位机构；每套驱动机构由电机(集成编码器或与编码器独立)、同步带轮、同步带、立柱、导轨滑块等组成；电机通过同步带轮驱动同步带，同步带驱动相应的执行机构前后移动，导向通过导轨滑块来实现；

如图11所示，电池更换执行机构605用于电池的更换，将电池从无人机上拔出，插入充电座，再将充电座上的电池拔出，插入无人机，主要包括四部分：

1)、拔电池左右卡爪，卡爪有两种方式，打开关闭式及弹片式，打开关闭式由一电机驱动齿轮转动，齿轮与两个齿轮啮合，实现左右两个卡爪的打开和关闭，在取电池前，卡爪打开，然后进入电池，卡爪再关闭，卡爪前段扣入电池端面，卡爪后退将电池拔出；

如图12所示，弹片式卡爪没有卡爪打开关闭的电机、齿轮、转轴等相关零件，而是将卡爪做成弹片形式，卡爪进入电池，电池将卡爪撑起打开，直至卡爪前段扣入电池端面，卡爪后退将电池拔出；

2)、在更换电池前，需要关闭电源，更换电池后，再接通电源，为起飞做准备；所以需要机构按电源开关，该功能是通过电机驱动通电\断电压条来实现；

3)、电池与无人机之间有卡扣，所以电池不能强行拔出，需要一机构按压卡扣按钮，所以设计了电机与电池卡扣打开压条；

4)、电池存放盒，拔电池左右卡爪将电池拔出后，电池临时存放在存放盒内，存放盒不仅起临时存放电池作用，还利用端面，将电池推入充电座或无人机；

无人机定位机构606用于将无人机定位固定住，防止在换电池时，无人机位置移动，可采用机械手一体式或独立式的方式：

如图13所示，无人机定位机构606采用机械手一体式：定位机构集成在机械手上，通过左右两个定位块将无人机定位固定住，其中一定位块是固定的，另一定位块可以打开关闭，再扣入无人机前，该定位块打开，以让无人机底座进入两定位块之间，然后该定位块夹紧；打开关闭动作通过电机驱动同步带驱动，导轨滑块导向；

主要动作如下：

无人机通过对中机构预对中，降落平台下降到位；

换电池机械手升降机构下降，伸缩机构前伸直至无人机定位机构到达无人机机身正下方；

升降机构上升，这样右定位块贴住无人机机身右侧；

电机带动左定位块向无人机机身运动，这样左定位块与右定位块将机身夹紧，以确保在后续拔电池动作时，无人机机身能保持固定状态；

电池更换执行机构向电池移动，先由通电\断电机构按下无人机电源开关将无人机断电；

电池卡扣打开机构按压卡扣按钮，将电池卡扣松开；

左右夹爪扣住左右电池，再后退，将电池放入电池临时存放盒内；

电池更换执行机构后退，这样将电池拔出；

旋转机构转动转动机械手，让电池对准充电座位置，此外，如果在转动中有干涉现象，则需要增加其他避让动作；

电池更换执行机构前伸，将电池插入空的充电座；

旋转机构转动至充好电的电池座，将电池取出；

旋转机构转动，将电池对准无人机；

机械手前伸，首先用定位机构将无人机定位，再将电池插入无人机；

无人机通电；

机械手退回原位；

升降机构上升，舱门打开，无人机起飞。

一种无人机自动机场的控制方法，包括降落位置识别方法、精准降落控制方法、降落方法，所述的降落方法包括以下操作步骤：

a)、无人机获取自动机场实时位置信息：

无人机根据自动机场的gps位置信息，gps位置精度1～5m，获取自动机场实时位置；

b)、无人机空中接近：

无人机飞往自动机场上空，保持30米左右相对高度，飞行过程中开启自动避障；并逐步增加3d地图导航功能，到达自动机场上空后逐步降低到15米左右高度；

c)、无人机定位：

无人机寻找降落信标，精准降落位置识别，自动定位并保持与自动机场一致的水平移动速度，通过水平位置pid控制；

d)、无人机逐渐降低高度；

e)、无人机自由落体降落：

在距离自动机场平台5～10cm高度切断动力，实现自由落体降落；

f)、自动机场对中调整：

自动机场对无人机降落位置进行对中调整；

所述的降落位置识别方法包括以下操作步骤：

a)、无人机获取机场位置信息：

无人机通过两种方式获取机场位置信息，下视摄像头检测机场图形与红外摄像头检测机场中间信标；

b)、无人机与起降平台绝对位置偏差计算：

机载控制器根据机场坐标系下x轴方向、y轴方向相素偏移量与高度数据，通过三角函数关系计算出无人机与起降平台绝对位置偏差，

其中，pxpy为无人机本体坐标系统测量像素偏差转换为位置偏差；

exey为无人机与机场平台在地理坐标系统下的相对位置偏差；

为无人机偏航角；

所述的精准降落控制方法包括以下操作步骤：

a)、绝对位置偏差作为无人机飞行控制输入，通过pid控制算法，迅速调整x、y方向位移，直至无人机降落到起降平台上；

b)、将无人机北东地坐标系统与平台水平位置偏差，作为控制输入x、y方向的控制量，使用pid算法公式计算如下：

其中，u(t)x,y平台为x、y方向控制量；

e(t)x,y为平台与北东地坐标系下x、y方向与水平方向位置偏差；

kp为比例系数；

ki为积分系数；

kd为微分系数。

实施例一、如图2、图3所示，对开式舱门1的传动机构采用同步带驱动方式，主要原理为电机带动同步带轮驱动同步带运动，同步带通过连接块再实现左右舱门的开关动作，整个运动通过滑块导轨进行导向；

主要零部件包括：左舱门、右舱门、电机、同步带轮、同步带、传动轴、导轨滑块、连接块、滑动板等基本部件；

动作为：电机通过同步带带动传动轴转动，传动轴驱动两端的同步带轮带动左右两根同步带运动，左连接块与右连接块分别安装在同步带的上皮带与下皮带上，做相对方向的同步运动，左连接板通过左滑动板连接并驱动左舱门移动，同样，右连接板通过右滑动板连接并驱动右舱门移动，这样左右舱门实现了对开式的同步动作；

运动采用线性导轨滑块来导向。

实施例二、如图4所示，对开式舱门1的传动机构采用齿轮齿条驱动方式，主要原理为电机带动齿轮转动，，齿轮与齿条啮合驱动，实现直线运动，齿条固定在舱门上，这样舱门就实现了开关动作，运动是靠线性导轨滑块导向的，主要零部件包括：左舱门、右舱门、左电机、左齿轮、左齿条、右电机、右齿轮、右齿条、导轨、滑块等基本部件；

动作为：左电机固定安装在机场设备上，驱动左齿轮转动，左齿轮与左齿条啮合驱动左齿条做直线运动，左齿条固定在左舱门上，这样左舱门实现了开关动作；右舱门的动作与左舱门一样，这样左右舱门实现了对开式的同步动作。

实施例三、如图12所示，弹片式卡爪没有卡爪打开关闭的电机、齿轮、转轴等相关零件，而是将卡爪做成弹片形式，卡爪进入电池，电池将卡爪撑起打开，直至卡爪前段扣入电池端面，卡爪后退将电池拔出。

实施例四、如图14所示，无人机定位机构位置固定，安装在无人机机身下方位置，无人机降落在降落平台，降落平台下降，无人机机身进入定位机构，机身卡入定位机构的定位块内，实现定位，以免换电池时无人机机身移动；

动作如下：无人机通过对中机构预对中，降落平台下降到位；

无人机降落平台下降到位，机身卡入定位机构的定位块内，实现定位；

电池更换执行机构向电池移动，先由通电\断电机构按下无人机电源开关将无人机断电；

电池卡扣打开机构按压卡扣按钮，将电池卡扣松开；

左右夹爪扣住左右电池，再后退，将电池放入电池临时存放盒内；

电池更换执行机构后退，这样将电池拔出；

旋转机构转动转动机械手，让电池对准充电座，此外，如果在转动中有干涉现象，则需要增加其他避让动作；

电池更换执行机构前伸，将电池插入空的充电座；

旋转机构转动至充好电的电池座，将电池取出；

旋转机构转动，将电池对准无人机；

机械手前伸将电池插入无人机；

无人机通电；

机械手退回原位；

升降机构上升，舱门打开，无人机起飞。

综上所述，本发明的一种无人机自动机场及控制系统，具有以下有益效果：解决了无人机在自动机场上的自动精准降落，存放，自动更换电池，并且可以满足雨雪等恶劣天气无人机起降要求，大大拓展了无人机的应用领域，降低了操作工人的工作负荷，机场设备尺寸紧凑。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。