[發明專利]基于超聲波傳感器陣列的無人機自主降落方法

有效

• 申請號: 201811408613.3
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109240338B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 梁勇奇;徐閩鋆;雷坤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種基于超聲波傳感器陣列的無人機自主降落方法，其特征在于，包括以下步驟：

S100、在無人機上安裝矩陣排布的超聲波傳感器陣列，并進行飛行試驗；

S200、根據采集得到的數據進行計算，得到自適應地形匹配的導航算法；

S300、根據采集得到的數據進行計算，建立飛行地形對應的3D地圖；

S400、根據上述的導航算法和3D地圖，采用在線或者離線的方式尋找滿足要求的降落地址；

S500、根據降落地址，通過導航算法和3D地圖導引無人機自主降落；

步驟S100中，所述的超聲波傳感器陣列包括M排，每排間距排布N個傳感器，M≥2，N≥2，每排傳感器安裝在運動平臺的機體坐標系上，傳感器的數據采集端口均垂直地面設置；

S200的具體步驟為：

根據Lindeberg-Fellercentral中心極限定理，地面的起伏高度應滿足h～N(0,σg²)，傳感器誤差應該滿足ν～N(0,σ_r²)，其中的σ_g²和σ_r²分別代表地面起伏高度的方差以及傳感器誤差的方差；D_i,j表示在第i次探測時第j個傳感器得到的數據，則觀測模型為：

D_i,j＝H-h_i,j+ν_i,j

其中，H為飛行設定的高度，h_i,j為地面的起伏高度，v_i,j為傳感器誤差；

選取兩排前后傳感器陣列，對于勻速直線運動的運動平臺，前排的超聲波傳感器會率先飛越過某個地形，隨后經過k次測量周期后，后排的超聲波傳感器會隨后飛過同一地形，前排和后排超聲波傳感器數據中，有相似的傳感器數據向量，設第i次測量前排得到的傳感器數據向量為第i次后排得到的傳感器數據向量為根據上述條件：

對于使得

其中，為第i次測量前排得到的傳感器數據向量，為第i+k次后排得到的傳感器數據向量，ε為置信度參數；

當置信度參數ε為足夠小的量時，保證和相似，即：

由于前排和后排超聲波傳感器的距離為L，在設定的飛行模式下，每次探測的采樣周期T是固定的，L和T都是已知量，因此根據k得到每個探測周期T的行進距離d如下：

其中，L為前排和后排超聲波傳感器的距離，k為測量周期次數；

根據上式，由運動平臺采樣的次數獲得其運動距離，飛行的速度v根據上式得到：

其中，T為每次探測的采樣周期，d為每個探測周期的行進距離；

即由速度累加得到從對地面探測時間開始到任何時刻運動平臺導航所需的相對位置、速度信息；

置信度參數ε的計算步驟如下：

由于傳感器得到的數據D_i,j＝H-h_i,j+ν_i,j，其中H為飛行設定的高度，取為常值，因此由h_i,j和ν_i,j的分布得知：

D_i,j～N(H,σ_r²+σ_g²)

其中，H為飛行設定的高度，σ_r²為傳感器誤差的方差，σ_g²為地面起伏高度的方差；

令C_i,j＝D_i,j-H，則：

C_i,j～N(0,σ_r²+σ_g²)

同時，

則，

等價于

則此時求得ε，使

由于：n個標準正態分布的平方和符合自由度為n的χ²分布，即：

為了保證地形匹配的準確性與計算量的平衡，令依據經驗取α置信水平；因此給定了n,σ_r²和σ_g²后積分計算，求得從而求得ε；

地形特征判斷算法步驟：

對于將要選取的i，若相鄰的兩組測量數據滿足：

其中的E為表示地形特征變化的閾值，下面確定E的具體數值；

上式分布特點如下：

同樣，令的值取為0.05以保證運動平臺運動過程中地形匹配的置信度ε；同上，通過數據計算得到從而得到E的取值；

其中，表示前排傳感器在第i次探測時第j個傳感器的誤差，表示后排傳感器在第i+k次探測時第j個傳感器的誤差。