基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统及引导方法与流程

本发明属于光电信息技术领域，涉及一种基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统，本发明还涉及利用该引导系统进行快递无人机降落的引导方法。

背景技术：

中国快递业以几近每年超过50％的增幅创下世界之最，2014年快递量已跃居世界首位。但是目前末端物流主要依靠人力投放，投放成本高、效率低，穿梭在大街小巷的快递三轮车不仅造成了交通拥堵，也成为了潜在的交通安全隐患。在未来，使用无人机进行快递投放成为现代快递行业的发展方向。

现在，无人机多用于飞行表演、电力线巡检、国土测绘、警用和灾后应急救援。由于无人机飞行表演多在人口稠密区，由于操作不当，容易发生意外事故，造成人员伤亡和财产损失。

无人机的控制方式有两种，一种是无人机飞行操纵员通过地面控制站控制/管理无人机飞行，即人工控制方式；第二种是通过使用机载计算机、通信链路和为保证无人机安全运行所需要的任何其他辅助设备进行自主飞行，即自主控制方式。近些年，着陆引导工作始终是无人机研究的重点之一，常见的方法有全球定位系统(gps)导航、惯性导航技术(ins)以及基于机器视觉的导航技术等。由于gps代价昂贵，战时不可用，在局部地域内受地形条件影响较大，且易受电磁干扰；ins的误差随着时间的推移而不断加大，累计误差较大；机器视觉导航技术处理的数据量较大。所以上述几类方法都难以满足无人机在着陆引导时的精度要求。目前，无人机测距及防碰撞方法主要依靠激光雷达，激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好等优点，但受天气和大气影响比较大，一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远，而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离会受到影响。未来几年，无人机数量会大幅度的增长，飞行安全将会变的日益严峻，如何实时、快速、准确的实现规避输电线、高楼、飞行器等障碍物且不受天气变化的影响成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统，解决了现有引导系统无法实时、快速、准确的实现规避输电线、高楼、飞行器等障碍物且不受天气变化影响的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种快递无人机降落引导方法，使得快递无人机能主动规避各个障碍物且可全天候安全引导。

本发明所采用的技术方案是，基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统，包括信号发送机，信号发送机包括信标引导装置，信标引导装置内设置有通过电信号依次连接的调制模块、驱动电路及紫外led；还包括安装于快递无人机上的信号接收机，信号接收机包括通过电信号依次连接的pmt、功率测量模块和运算模块，功率测量模块中安装有三轴传感器。

本发明的特点还在于：

信标引导装置上的紫外led呈纬线和经线排列。

每个紫外led采用的波长为200～280nm，发光功率为0.3mw。

信号接收机采用r7154型的pmt，且pmt的增益为10⁷。

本发明所采用的另一个技术方案是，快递无人机降落引导方法，

具体按照以下步骤实施：

步骤1，安装信标引导装置：将信标引导装置安装于快递投放平台上，应急物资投放时，所述信标引导装置安装于临时投放点；

步骤2，扫描阶段：步骤1完成后，启动信标引导装置进行扫描，等待快递无人机到来；

步骤3，捕获阶段：快递无人机在降落过程中，盘旋搜索信标信号，当捕获到信标信号后，准备降落；

步骤4，调整阶段：根据信号接收机中的各个模块计算出的快递无人机相对于快递投放平台或临时投放点的实时位置和俯仰角信息来调整位姿，向信标引导装置靠近；

步骤5，降落阶段：当快递无人机处于快递投放平台或临时投放点的中心点正上方且与快递投放平台或临时投放点的中心点正上方的高度不大于30cm时，开始自主降落；

步骤6，投放阶段，降落完成后，将包裹投放在指定位置，引导完成。

信标引导装置上的紫外led按照纬线方向与经线方向交替的方式进行扫描。

快递无人机相对于快递投放平台或临时投放点的实时位置的测定方法采用四节点定位算法。

四节点定位算法具体为：

步骤4.1，首先将四个信标引导装置作为四个锚节点固定于快递投放平台或临时投放点上标识“h”的四角处，且已知四个锚节点的坐标分别为a1(x1,y1,z1)，b1(x2,y2,z2)，c1(x3,y3,z3)，d1(x4,y4,z4)；

步骤4.2，将快递无人机作为未知节点m，分别计算出未知节点m到所述四个锚节点a1、b1、c1、d1的距离r，所述距离r分别为d1、d2、d3、d4；

其中，d1为m到a1的距离，d2为m到b1的距离，d3为m到c1的距离，d4为m到d1的距离；

步骤4.3，设未知节点m的坐标为(xm,ym,zm)，则求得未知节点m的坐标计算公式为：

步骤4.4，最终计算出快递无人机相对于快递投放平台或临时投放点的实时位置。

根据lambertw函数，未知节点m到四个锚节点在直视情况下的距离r的计算公式为：

未知节点m到四个锚节点在非直视情况下的距离r的计算公式为：

其中，lambertw函数是f(w)＝w*exp(w)的反函数，即w＝lambertw(f(w))，其中exp(w)是指数函数，w是任意复数。

公式(2)和(3)中，pr是接收光功率；pt是发送功率；ar是pmt上接收孔径的面积；r是未知节点m与四个锚节点的通信距离；ke是大气衰减系数，由散射系数ks和大气吸收系数ka组成(ke＝ks+ka)；散射系数ks包括rayleigh散射系数ksr和mie散射系数ksm(ks＝ksm+ksr)；公式(3)中，ps是散射相函数，θ1是信号发送机的仰角；θ2是信号接收机的仰角；φ1是发射光束孔径角；φ2是信号接收机的接收视场角。

公式(2)中，pt，ar及ke均为已知量，接收光功率pr通过功率测量模块得出，r通过将公式(2)导入运算模块进行计算；公式(3)中，pt，ar，ke，ps，φ1，φ2及ks均为已知量，接收光功率pr通过功率测量模块得出，θ1、θ2通过安装于功率测量模块中的三轴传感器测得，r通过将公式(3)导入运算模块进行计算。

本发明的有益效果是：

本发明基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统利用紫外光通信技术，解决了现有引导系统无法实时、快速、准确的实现规避输电线、高楼、飞行器等障碍物且不受天气变化影响的问题，该引导系统具有抗干扰能力强、隐蔽性好、便携式、宽视场接收等优点，能够进行全天候工作，在没有gps信号的地方能够实现快递无人机的准确定位，实现无人机的安全降落引导；

采用上述引导系统进行快递无人机降落的引导方法使得快递无人机能主动规避各个障碍物且可全天候安全引导，为快递无人机定点投放货物提供一种有效的途径，为未来无人机快递行业提供一种有效的技术手段。

附图说明

图1是本发明快递无人机降落引导方法中快递无人机定点投送货物示意图；

图2是本发明快递无人机降落引导方法中快递无人机辅助引导示意图；

图3是本发明快递无人机降落引导方法中信标引导装置的紫外led经线方向扫描示意图；

图4是本发明快递无人机降落引导方法中信标引导装置的紫外led纬线方向扫描示意图；

图5是本发明快递无人机降落引导方法中四节点定位算法示意图；

图6是本发明基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统非直视紫外光通信单次散射模型；

图7是本发明基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统中的紫外光测距工作原理图。

图中，1.信号发送机，1-1.调制模块，1-2.驱动电路，1-3.紫外led，2.信号接收机，2-1.pmt，2-2.功率测量模块，2-3.运算模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统，如图1所示，包括信号发送机1，信号发送机1包括信标引导装置，信标引导装置内设置有通过电信号依次连接的调制模块1-1、驱动电路1-2及紫外led1-3；还包括安装于快递无人机上的信号接收机2，信号接收机2包括通过电信号依次连接的pmt2-1、功率测量模块2-2和运算模块2-3，功率测量模块2-3中安装有三轴传感器。

信标引导装置上的紫外led1-3呈纬线和经线排列。

优选的，每个紫外led1-3采用的波长为200～280nm，典型的发光功率为0.3mw。

信号接收机2采用r7154型的pmt2-1，且pmt2-1的典型增益为10⁷。

本发明采用上述引导系统进行快递无人机降落引导的方法，该系统包括信号发送机1，信号发送机1包括信标引导装置，信标引导装置内设置有通过电信号依次连接的调制模块1-1、驱动电路1-2及紫外led1-3；还包括安装于快递无人机上的信号接收机2，信号接收机2包括通过电信号依次连接的pmt2-1、功率测量模块2-2和运算模块2-3，功率测量模块2-3中安装有三轴传感器；如图2所示，在快递无人机降落过程中，信标引导装置通过信号发送机1向信号接收机2发送所需要的各种信息，快递无人机得到信号发送机1所在位置的坡度、角度、距离、位置等信息，帮助快递无人机判断降落条件，最终实现快递包裹的精确投放；快递无人机降落过程中的定位通过四节点定位算法实现，坡度由信号发送机1携带的电子坡度测量仪测得，通过紫外光发送给信号接收机2。

具体按照以下步骤实施：

步骤1，安装信标引导装置：将信标引导装置安装于快递投放平台上；在进行应急物资投放时，信标引导装置安装于临时投放点；

在快递投放平台或临时投放点上安装有信标引导装置，用于快递无人机的精确定位引导，突破快递无人机物流领域的“最后10米”的瓶颈，使得快递无人机全自动派送物流包裹成为可能；

步骤2，扫描阶段：步骤1完成后，启动信标引导装置进行扫描，等待快递无人机到来；

信标引导装置上的紫外led1-3按照纬线方向与经线方向交替的方式进行扫描；

紫外led1-3按照经线方向扫描如图3所示，功率测量模块2-2上的三轴传感器记录接收到的光信号所对应led的俯仰角θ1和θ2；紫外led1-3按照纬线方向扫描如图4所示。

步骤3，捕获阶段：快递无人机在降落过程中，盘旋搜索信标信号，当捕获到信标信号后，准备降落；

步骤4，调整阶段：根据信号接收机2中的各个模块计算出的快递无人机相对于快递投放平台或临时投放点的实时位置和俯仰角信息来调整位姿，向信标引导装置靠近；步骤4中快递无人机相对于快递投放平台或临时投放点的实时位置的测定方法采用四节点定位算法，如图5所示，在四节点定位算法中，只需要知道四个锚节点和未知点到四个锚节点的距离，就能够求出未知点的位置坐标；快递无人机相当于未知点，信标引导装置相当于锚节点；四节点定位算法具体为：

步骤4.1，首先将四个信标引导装置作为四个锚节点固定于快递投放平台或临时投放点上标识“h”的四角处，且已知四个锚节点的坐标分别为a1(x1,y1,z1)，b1(x2,y2,z2)，c1(x3,y3,z3)，d1(x4,y4,z4)；

步骤4.2，将快递无人机作为未知节点m，分别计算出未知节点m到所述四个锚节点a1、b1、c1、d1的距离r，所述距离r分别为d1、d2、d3、d4；

其中，d1为m到a1的距离，d2为m到b1的距离，d3为m到c1的距离，d4为m到d1的距离；

由于紫外光在大气传输中的散射特性，使得无线紫外光既能工作在直视情况又能够工作在非直视情况，通信中的两个终端即使在障碍物的阻挡下仍然能够完成通信；在非直视通信时，由于信号接收机2接收到的能量主要来自光子的单次散射，在忽略二次或多次散射影响的情况下，紫外光传输的信道模型，如图6所示；由于无线紫外光具有非直视通信的特点，因此可以利用无线紫外光进行测距，本发明采用非直视情况下的公式进行距离计算。

无线紫外光直视链路在大气自由空间中的功率衰减呈指数衰减。自由空间路径损耗和r²成反比即大气衰减可表示为探测器的接收增益为直视情况下无线紫外光通信链路的接收光功率的表达式为根据lambertw函数，未知节点m到四个锚节点在直视情况下的距离r的计算公式为：

根据非直视情况下无线紫外光接收光功率表达式，推导出未知节点m到四个锚节点在非直视情况下的距离r的计算公式为：

其中，lambertw函数是f(w)＝w*exp(w)的反函数，即w＝lambertw(f(w))，其中exp(w)是指数函数，w是任意复数。

公式(2)和(3)中，pr是接收光功率；pt是发送功率；ar是pmt2-1上接收孔径的面积；r是未知节点m与四个锚节点的距离；ke是大气衰减系数，由散射系数ks和大气吸收系数ka组成(ke＝ks+ka)；散射系数ks包括rayleigh散射系数ksr和mie散射系数ksm(ks＝ksm+ksr)；公式(3)中，ps是散射相函数，θ1是信号发送机1的仰角；θ2是信号接收机2的仰角；φ1是发射光束孔径角；φ2是信号接收机2的接收视场角。

公式(2)中，pt，ar及ke均为已知量，接收光功率pr通过功率测量模块2-2得出，r通过将公式(2)导入运算模块2-3进行计算；

公式(3)中，所述pt，ar，ke，ps，φ1，φ2及ks均为已知量，接收光功率pr通过功率测量模块2-2得出，θ1、θ2通过安装于功率测量模块2-2中的三轴传感器测得，r通过将公式(3)导入运算模块2-3进行计算。

由直视和非直视情况下的距离计算公式可知，在发射功率pt等参数已知的前提下，只需要求出信号接收机2接收的光功率pr及三轴传感器测得的θ1、θ2，就能够求出直视情况下与非直视情况下信标引导装置到快递无人机的距离，本发明的基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统中的测距原理如图7所示。

步骤4.3，设未知节点m的坐标为(xm,ym,zm)，则求得未知节点m的坐标计算公式为：

步骤4.4，最终计算出快递无人机相对于快递投放平台或临时投放点的实时位置。

步骤5，降落阶段：当快递无人机处于快递投放平台或临时投放点的中心点正上方且与快递投放平台或临时投放点的中心点正上方的高度不大于30cm时，开始自主降落；

步骤6，投放阶段，降落完成后，将包裹投放在指定位置，引导完成。

通过上述方式，本发明基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统利用紫外光通信技术，解决了现有引导系统无法实时、快速、准确的实现规避输电线、高楼、飞行器等障碍物且不受天气变化影响的问题，该引导系统具有抗干扰能力强、隐蔽性好、便携式、宽视场接收等优点，能够进行全天候工作，在没有gps信号的地方能够实现快递无人机的准确定位，实现无人机的安全降落引导；采用上述引导系统进行快递无人机降落的引导方法使得快递无人机能主动规避各个障碍物且可全天候安全引导，为快递无人机定点投放货物提供一种有效的途径，为未来无人机快递行业提供一种有效的技术手段。