一种垂直起降无人机移动平台降落引导装置及其引导方法与流程

本发明属于舰载无人机着舰导航领域，具体是一种垂直起降无人机移动平台降落引导装置及其引导方法。

背景技术：

无人机行业近年来发展迅速，与各领域的结合也越发广泛。舰载无人机在执行海上勘探、空中侦察或远程打击等任务时，相比于传统有人舰载机体积更小、自主性更强，且具有灵活的作战能力、隐身性能好、可无视人体极限全天候在高空缺氧等恶劣环境中工作，同时具有零伤亡的优点，在现代海军中有着至关重要的作用。

中国是海洋大国，领海面积大、海岸线长，中国海军肩负保卫领海及资源的重任。舰载无人机可以大大增加我国海上领空防卫范围及强度，是我国海军重点发展方向之一。

但无人机舰载降落存在诸多难点，舰船在海上航行时会受到海浪影响，产生摆荡，影响引导精度，增大无人机舰载降落难度。对比海上舰载降落和陆基降落，海上降落时缺少地标，也会对无人机舰载降落造成困难。同时，舰船甲板可供舰载机降落的空间有限，对无人机舰载降落的精度要求很高。

受舰船甲板长度限制，无人机难以在普通舰船上实现滑跑起降，即使在航空母舰上可以实现滑跑降落，但是一旦舰载机在航母上降落失败，无论是复飞失败坠海还是冲进航母甲板停机区酿成严重的连环碰撞事故，都会造成巨大的经济和资源损失。

具有垂直起降性能的无人机降落时所需空间相对较小，且具有较小的降落速度，更加适合舰载降落，因此具有垂直起降性能必将是未来舰载机发展的重要方向，但是移动平台降落存在诸多难点。由于基站和无人机两者均是运动的，仅依靠传统的gps单点定位精度不足，差分gps定位会因为基站的运动而带来较大的误差，惯性导航存在累计误差，雷达导航易被侦查干扰。因此，如何引导舰载无人机按照设定好的路线实现精准降落是无人机舰载降落亟待解决的重大问题。

当前，撞网回收、阻拦着舰、空中回收和自动着舰是几种常用的舰载无人机着舰方式。但是随着科技发展以及对无人机降落要求的不断增高，各国对精确、稳定的自动着舰技术的需求也越来越高。使无人机按照事先设定好的航迹进行高精度的自主降落也是各国目前发展舰载无人机的重要研究方向之一。为了在严酷的海上环境中实现自主降落，导航系统必须具有良好的抗干扰性，并且可以实现高精度和快速实时引导。

技术实现要素：

本发明针对目前无人机移动平台降落精度的不足，提出一种垂直起降无人机移动平台降落引导装置及其引导方法。

所述的垂直起降无人机移动平台降落引导装置，包括舰船甲板和三自由度并联式的稳定平台；舰船甲板作为移动平台上搭载稳定平台；稳定平台包括：靶标、上平台、上虎克铰、下虎克铰、下平台、电动缸和三根支撑杆。

其中靶标搭载于上平台的中心位置，由红外灯阵组成嵌套的图案，一方面能满足无人机降落过程中由于摄像头视角的变化，在快落到移动平台上时，较小的红外灯阵图案容易识别；另一方面无人机在夜间飞行降落时，根据红外灯阵图案能解算出无人机距离图像中心位置的相对位置姿态，实现准确降落，可全天候用于无人机的移动平台降落。

上下平台为同心圆，且下平台的半径大于上平台的半径。上平台用于承载无人机降落，下平台固定在移动平台上；上下平台之间通过三根支撑杆连接，三根支撑杆在周向上平均分布于上下平台之间边缘，每根支撑杆均由电动缸与杆件嵌套而成，电动缸给支撑杆提供驱动力，各支撑杆能进行伸长或缩短，从而补偿移动平台纵摇、横摇和艏摇三个方向上的姿态运动。

上平台与支撑杆之间由上虎克铰连接，下平台与支撑杆之间由下虎克铰连接。

进一步在移动平台上，不影响gps信号的开阔位置处放有基准站，基准站的gps速度信息和gps的航向信息作为移动平台的速度和航向，通过链路传输给无人机作为无人机的期望速度以及航向信息，无人机按照期望速度和航向跟随移动平台飞行。

进一步下平台上放置集成芯片分别与三个电动缸相连，所述的集成芯片中包括采集传感器，当舰船出现摇摆时，采集传感器采集舰船的摇摆运动数据；然后经过信号放大器放大后传递到工控机，工控机进行位姿反解，并输出每个电动缸的伸缩量反馈给各个电动缸，各电动缸驱动对应的支撑杆按伸缩量进行伸长或缩短，始终保持上平台水平稳定，消除舰船的摇摆姿态对稳定平台的影响，控制上平台不随舰船摇摆运动，保证垂直起降无人机能平稳降落在稳定平台上。

所述的垂直起降无人机移动平台降落引导方法，具体步骤如下：

步骤一、当垂直起降无人机要降落在舰船甲板上时，无人机先自主跟随移动平台运动，逐渐接近降落点，直至无人机到达靶标上方；

具体为：

垂直起降无人机在远距离时，快速接近移动平台，基准站的gps速度信息和gps的航向信息作为移动平台的速度和航向，通过链路传输给无人机，作为无人机期望速度的控制以及无人机航向信息的输入，无人机按照期望的速度和航向逐渐接近移动平台，近距离时无人机减速，从移动平台后方逐渐接近靶标，无人机通过导航减少侧偏距，与移动平台运动方向保持一致进行跟随。

步骤二、当垂直起降无人机到达移动平台靶标上方时，垂直起降无人机通过动态对动态差分相对定位技术逐步降低高度靠近降落点。

具体过程为：

首先，垂直起降无人机利用挂载的差分模块+惯导模块，通过ins/gps组合导航系统的动态对动态差分相对定位技术，对无人机和移动平台上的基准站分别进行相对定位，使无人机获得相对移动平台的相对位置；

移动平台和无人机的相对距离计算公式如下：

其中：d表示移动平台和无人机的相对距离；r为地球半径；φ1表示移动平台的纬度，φ2表示垂直起降无人机的纬度；δλ表示两点经度的差值。

调整无人机速度与移动平台速度一致，保持无人机始终位于降落点上方，开始降低高度。

步骤三、在垂直起降无人机下降过程中，当移动平台到达垂直起降无人机视觉捕捉点附近时，垂直起降无人机引入视觉导航，引导无人机降落。

所述的视觉导航通过垂直起降无人机挂载的摄像头实现，具体过程如下：

当移动平台到达垂直起降无人机视觉捕捉点附近时，无人机的摄像头实时采集图像，并利用图像处理技术对采集到的图像进行特征提取，解算出无人机相对于移动平台的姿态信息，再向无人机飞控输出无人机的姿态信息；

无人机飞控系统综合ins/gps组合导航系统与视觉导航系统的位置和姿态信息，使无人机以更高的精度降落在移动平台上。

步骤四、垂直起降无人机降落过程中，稳定平台自动调整倾角，抵消移动平台姿态运动，保证无人机平稳降落。

稳定平台根据移动平台的姿态自动调节倾角，具体为：采集传感器实时采集移动平台的姿态变化数据；然后经过信号放大器放大后传递到工控机，工控机进行位姿反解，并输出每个电动缸的伸缩量反馈给各个电动缸，各电动缸驱动对应的支撑杆按伸缩量进行伸长或缩短，进行反向补偿，最大补偿15°姿态角，补偿移动平台的多自由度运动，保持上平台水平，使飞机接地时姿态保持水平，平稳降落。

本发明的优点及其有益效果在于：

(1)本发明一种垂直起降无人机移动平台降落引导方法，实现无人机全自主进行移动平台降落，采用组合导航方式提高无人机降落引导精度，其精度经测试可达厘米级。

(2)一种垂直起降无人机移动平台降落引导方法，无人机上所需的设备体积小，质量小于2kg。

(3)一种垂直起降无人机移动平台降落引导方法，在进行差分导航时可以将基准站速度信息以及基准站的航向信息通过链路传输给无人机作为无人机的速度和航向控制，使得无人机移动平台降落控制有较快控制响应时间，由于使用移动平台的航向信息作为无人机的航向，使跟飞阶段更精准。

(4)一种垂直起降无人机移动平台降落引导装置，移动平台搭载的稳定平台为三自由度并联式，其结构简单、负载大、无累计误差、易于实现多轴联动、重量轻、惯量小、刚度大、响应快速和精度高、通过伸缩三个支撑杆进行补偿转动运动的同时还可以部分补偿移动平台的垂荡运动。

(5)一种垂直起降无人机移动平台降落引导装置，由于降落引导装置上安装有红外灯阵，可实现全天候无人机降落。

附图说明

图1为本发明垂直起降无人机移动平台降落引导方法的降落引导示意图；

图2为本发明垂直起降无人机移动平台降落引导方法流程图；

图3为本发明垂直起降无人机移动平台降落引导装置中的稳定平台结构示意图；

图4为本发明三自由度并联式稳定平台中的上虎克铰(左)和下虎克铰(右)的结构示意图；

图5为本发明三自由度并联式稳定平台的工作原理图。

图中：

1-靶标；2-上平台；3-上虎克铰；4-下虎克铰；5-下平台；6-电动缸；7-支撑杆；8-上座；9-中间套；10-底座；11-轴套；12-轴承；13-螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

本发明针对车载或舰载垂直起降(verticaltake-offandlanding，vtol)无人机精准降落技术进行研究，设计vtol无人机降落引导方案，如图1所示，通过卫星导航/惯性导航组合导航方式减少惯性导航的累计误差，同时引入动态对动态差分相对定位技术实现两个运动物体之间的高精度相对定位；并且在末端制导时引入图像引导方式辅助提高降落精度。尤其本发明针对舰载垂直起降无人机，对移动平台进行设计，将平台设计成可根据母舰姿态自动调节倾角，来补偿舰船甲板等移动平台的多自由度运动，提高降落精度，同时可以保证飞机接地时姿态较平。

所述的垂直起降无人机移动平台降落引导装置，如图1所示，包括作为移动平台的舰船甲板和三自由度并联式的稳定平台；移动平台上搭载稳定平台，稳定平台作为降落点；

稳定平台的结构如图3所示，包括：靶标1、上平台2、上虎克铰3、下虎克铰4、下平台5、电动缸6和三根支撑杆7。

其中靶标1用于图像识别，搭载于上平台2的中心位置；由红外灯阵组成嵌套的图案，一方面能满足无人机降落过程中由于摄像头视角的变化，在快落到移动平台2上时，较小的红外灯阵图案容易识别；另一方面无人机在夜间飞行降落时，根据红外灯阵图案能解算出无人机距离图像中心位置的相对位置姿态，实现准确降落，可全天候用于无人机的移动平台降落。

上下平台为同心圆，且下平台5的半径大于上平台2的半径。上平台2用于承载无人机降落，无人机的理想落点为圆心，下平台5固定在移动平台上；上下平台之间通过三根支撑杆7连接，三根支撑杆7在周向上平均的分布于上下平台之间边缘，每根支撑杆7均由电动缸6与杆件嵌套而成，电动缸6给支撑杆7提供驱动力，各支撑杆能进行伸长或缩短，从而补偿移动平台纵摇、横摇和艏摇三个方向上的姿态运动。

三根支撑杆7作为三根驱动轴周向对称布置，在各个方向上补偿移动平台的位姿状态，并且三根驱动轴的受力情况良好，使该稳定平台成为三自由度并联式稳定平台。

稳定平台工作原理如图5所示，具体为：

移动平台的下平台5上放置集成芯片分别与三个电动缸6相连，所述的集成芯片中包括采集传感器，当垂直起降无人机靠近移动平台准备降落时，针对舰船出现的摇摆，采集传感器采集并输出舰船的摇摆运动数据；然后经过信号放大器放大后传递到工控机，工控机进行位姿反解，将输出结果经过控制算法得到每个电动缸的伸缩量电控制信号，经过伺服放大器反馈给各个电动缸6，各电动缸6驱动对应的支撑杆7按伸缩量进行伸长或缩短，始终保持上平台2水平稳定，消除舰船的摇摆姿态对稳定平台的影响，控制上平台2不随舰船摇摆运动，保证无人机能平稳降落在稳定平台上。

上平台2与支撑杆7之间由上虎克铰3连接，下平台5与支撑杆7之间由下虎克铰4连接。

进一步移动平台上不影响gps信号的开阔位置处放有基准站，基准站用于差分gps信息；基准站的gps速度信息和gps的航向信息作为移动平台的速度和航向，通过链路传输给无人机作为无人机的期望速度以及航向信息，无人机按照期望速度和航向跟随移动平台飞行。

上虎克铰3和下虎克铰4结构相同，如图4所示，均包括上座8、轴套11、轴承12、螺杆13、中间套9和底座10，轴套11、轴承12和螺杆13组成连接结构，上座8、中间套9和底座10通过连接结构进行连接，进行二自由度转动。

在本实施例中，针对舰载垂直起降无人机的降落引导，移动平台为在水面或者海里运动的船只，需要考虑船身受到的姿态影响，主要来自纵摇、横摇和艏摇三个方向上的摆荡运动，通过稳定平台可以补偿船只的姿态晃动，使无人机降落位置始终是水平的。

垂直起降无人机和稳定平台之间通过无线电通信的方式实现机载端和地面端的图像传输、数据传输和遥控指令传输的功能，其传输距离可覆盖巡检作业半径。

在本实施例中，垂直起降无人机移动平台降落引导方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤一，当垂直起降无人机要降落在舰船甲板上时，无人机先自主跟随移动平台运动，逐渐接近降落点，直至无人机到达降落点上方；

在本实施例中，垂直起降无人机为垂直起降固定翼无人机，既具备多旋翼垂直起降的功能，又具备固定翼的航程范围广、续航时间长的特点，垂直起降所需空间小。

垂直起降无人机在远距离通过固定翼模态快速接近移动平台，基准站的gps速度信息和gps的航向信息作为移动平台的速度和航向，通过链路传输给无人机，作为无人机期望速度的控制以及无人机航向信息的输入，无人机按照期望的速度和航向逐渐接近移动平台，近距离时无人机减速，从移动平台后方逐渐接近，无人机通过导航减少侧偏距，与移动平台运动方向保持一致进行跟随。

步骤二、当垂直起降无人机到达移动平台靶标上方时，垂直起降无人机通过动态对动态差分相对定位技术逐步降低高度靠近降落点。

具体为：垂直起降无人机挂载差分模块+惯导模块，差分模块+惯导模块通过ins/gps组合导航系统(惯导/gps组合导航系统)的动态对动态差分相对定位技术，对无人机和移动平台上的基准站分别进行相对定位，使垂直起降无人机获得与移动平台的相对位置；

进一步通过相对位置结合时间计算二者的相对速度，对移动平台的速度进行估算，然后调整无人机速度与移动平台速度一致，保持无人机始终位于降落点上方后，开始降低高度。

相对位置可以通过移动平台和垂直起降无人机的经纬度计算得到，并且以移动平台作为坐标原点的neu坐标系，计算过程如下：

首先，计算移动平台和垂直起降无人机的相对距离：

其中：r为地球半径；可取平均值6371km；φ1表示移动平台的纬度，φ2表示垂直起降无人机的纬度；δλ表示移动平台和垂直起降无人机经度的差值。d表示移动平台和垂直起降无人机的相对距离。

然后，通过上式得到的移动平台和垂直起降无人机的相对距离，再结合两者之间的方向信息，从而得到垂直起降无人机在以移动平台为坐标原点的neu坐标系下的两者相对位置。

动动差分输出的相对位置为以基准站为坐标原点的北东天(neu)坐标系，已知移动平台的航向θ，移动站输出的相对于基准站的北东天坐标x,y,z，无人机当前的位置为currpos.x，currpos.y，currpos.z。期望无人机跟随在相对于移动平台正后方relay_distance距离，则无人机的目标位置点为pos.x＝currpos.x-relay_distance·sinθ，pos.y＝currpos.y-relay_distance·cosθ，高度z在跟飞阶段一直保持不变。

步骤三，在下降过程中，当移动平台到达垂直起降无人机视觉捕捉点附近时，垂直起降无人机引入视觉导航，引导无人机降落。

视觉导航通过垂直起降无人机挂载的摄像头实现，获得垂直起降无人机相对于移动平台的精确的位置和姿态信息，引导无人机降落。视觉导航仅在无人机降落近地段(5-10m)高度处辅助ins/gps组合导航进行辅助引导以提高降落精度。并且视觉导航的机载设备只有用于图像采集的摄像头，具有低功耗、低重量、小体积、强算力的特点。

视觉导航具体过程如下：

当移动平台到达垂直起降无人机视觉捕捉点附近时，采用ins/gps组合导航系统(惯导/gps组合导航系统)的同时，引入图像引导系统。基于视觉的图像引导系统实时采集图像，并利用图像处理技术对采集到的图像进行特征提取和计算，解算出无人机相对于移动平台的姿态信息，再向无人机飞控系统输出无人机的姿态信息，无人机飞控综合ins/gps组合导航系统与视觉导航系统的位姿信息，使无人机以更高的精度降落在移动平台上。

采集的图像为稳定平台上的靶标，对图像进行特征提取时，采用opencv的aruco码，具体编码方式为海明码，具有检错、纠错能力，而且抗干扰能力强。通过识别aruco四个角点的信息来辨别标识物，标识物中间的二维码含有标识物信息。通过处理四个角点的坐标，通过pnp算法进行位姿解算得到平移矩阵和旋转矩阵，坐标转换得到无人机所需要的导航坐标。

本发明的图像识别方法，可适应非均匀照明，能够对所实现的二进制代码进行错误检测和校正，并且对已有的标识物进行了整合，兼容性更好，还能够识别apriltag或artag等多种标识物，编写语言还可为c++，具有比其他库更快的运算速度具有比其他库更快的运算速度。

步骤四、垂直起降无人机降落过程中，稳定平台自动调整倾角，抵消移动平台姿态运动，保证无人机平稳降落。

三自由度并联式稳定平台根据移动平台姿态自动调节倾角，具体为：采集传感器实时采集移动平台的姿态变化数据；然后经过信号放大器放大后传递到工控机，工控机进行位姿反解，并输出每个电动缸的伸缩量反馈给各个电动缸，各电动缸驱动对应的支撑杆按伸缩量进行伸长或缩短，进行反向补偿，最大补偿15°姿态角，补偿移动平台的多自由度运动，保持上平台水平，使飞机接地时姿态保持水平，平稳降落。

自动调节倾角是通过检测移动平台的姿态变化，进行反向补偿三自由度并联式稳定平台，使其始终保持平稳状态。