[發明專利]一種基于三層品字形多色降落坪的旋翼無人機自主起降系統

有效

• 申請號: 201410089860.7
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103809598A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 雷旭升;陸培;鄒瑩;郭克信;張霄
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于三層品字形多色降落坪的旋翼無人機自主起降系統，其特征在于包括：小型旋翼無人機（1）、機載傳感器（2）、機上數據處理單元（3）、飛行控制系統（4）、機載攝像頭（5）、地面降落坪（6）、無線圖像傳輸模塊（7）、無線數據傳輸模塊（8）和地面監控站（9）；機載傳感器（2）、數據處理單元（3）、飛行控制系統（4）分別裝載在無人機（1）上，地面監控站（9）由視覺處理單元（10）和顯示終端（11）組成，其中：?

小型旋翼無人機（1）為機載傳感器（2）、機上數據處理單元（3）及飛行控制系統（4）的載體，它是本自主起降系統的研究對象；?

機載傳感器（2）主要由一些體積小、質量輕、滿足微小型無人機載重要求的傳感器組成，如慣性測量單元（IMU）、全球定位系統（GPS）接收機、磁羅盤、氣壓高度計、超聲等。IMU自主性強、短時間精度高，能連續的提供位置、速度及姿態信息，但是誤差隨時間積累；GPS信息具有全球、全天時、全天候的特點，但其更新頻率低，易受障礙物遮擋；磁羅盤可以提供高精度的航向角信息，但容易受外界磁場影響；氣壓高度計在無下洗氣流影響的情況下可以為無人機提供高度信息；超聲在近地面區域之內可以給出無人機高度信息的精確測量，但超過測量范圍后，超聲信息不可用；?

機上數據處理單元（3）的硬件核心是DSP處理器，首先對?各傳感器的量測信息進行野值剔除，坐標及單位統一等預處理，其次基于卡爾曼濾波等完成多個量測信息的融合，以給出高精度高可靠性的導航信息；在高度信息方面，本系統根據各種高度傳感器的特性，基于自適應加權平均濾波模塊，以提高高度測量的可靠性和準確性；?

飛行控制系統（4）根據無人機的導航信息及任務需求完成路徑規劃，基于自適應神經網絡的方法完成高精度且穩定的降落控制；?

機載攝像頭（5）固定在小型旋翼無人機（1）上，并且鏡頭垂直向下，無人機降落過程中，攝像頭實時捕獲地面降落坪（6）的圖像，并通過無線圖像傳輸模塊（7）傳輸到地面監控站（9）；?

地面降落坪（6）作為旋翼無人機的視覺標志，由特殊設計的多層品字形多色圖案組成，其鮮明的顏色及形狀特征大大提高了地標識別的概率；?

無線圖像傳輸模塊（7）由圖像發射端和接收端組成，均需12V直流供電，載波頻率為1.2GHz，繞射能力較強，傳輸效果較好。發射端固定在旋翼無人機（1）上，接收端通過視頻采集卡與地面監控站相連；?

無線數據傳輸模塊（8）同樣由數據發射端與數據接收端組成，均需5V直流供電，載波頻率為900MHz，波特率為115200bps；?

地面監控站（9）主要完成監視與控制任務，它主要由視覺處理單元和顯示終端組成。為了減輕機載負荷，本系統通過無線圖?像傳輸模塊（7）將機載攝像頭（5）捕獲的降落坪圖像發送到地面監控站（9），并由地面監控站的視覺處理單元進行圖像解算，得到視覺導航信息，再經過無線數據傳輸模塊（8）發送到機載系統。同時，地面顯示終端可以實時的顯示SRUA的位置、姿態、速度等信息，以方便地面工作人員根據任務需求向無人機發送控制指令。?

2.根據權利要求1所述的一種基于三層品字形多色降落坪的旋翼無人機自主起降系統，其特征在于：所述的機上數據處理單元（3）在原有基于卡爾曼濾波的多種信息融合的基礎上，針對本系統所采用的四種高度傳感器的特性，設計了基于自適應加權平均的高度信息融合模塊，不僅提高了高度測量的精度，還可在某一高度傳感器信息不可靠的情況下自適應進行權值調節，保證了SRUA降落過程中的高度信息的可靠性。?

3.根據權利要求1所述的一種基于三層品字形多色降落坪的旋翼無人機自主起降系統，其特征在于：所述的地面降落坪（6）作為視覺標志，是綜合考慮可實施性、易于與環境區分、方便視覺算法實現等而設計的。無人機多工作在灰度信息豐富的場所，為了防止周圍環境引入噪聲干擾，本系統中的視覺標志設計為特征鮮明的純彩色；為了與可能存在的彩色信息進行區分，又將視覺標志設計為形狀規則的品字形，以方便采用Hu不變矩對其進行二次識別；同時為了滿足遠近距離高精度視覺導航的需求，本文最終選用多層嵌套的品字形圖案作為降落標志，遠距離時，通過?提取外層大尺寸紅色品字形特征信息進行視覺解算，近距離則提取內層小尺寸綠色品字形特征信息進行視覺解算。?