基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统及方法与流程

本发明属于无人机控制技术领域，涉及基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统及方法。

背景技术：

随着科技的发展，多旋翼无人机得到广泛的应用，在航空拍摄、电力巡检、地理测绘、农业植保、安防监控、应急救援等诸多领域都有多旋翼无人机的应用参与。同时，与无人机相关的技术也得到快速发展，大力推动了生产力与生活水平的提升。

目前，科技工作者对多旋翼无人机本身的飞行控制技术研究已相当深入，并且取得丰硕的成果。但对多旋翼无人机降落阶段的精准控制还处于研究的起步阶段，多旋翼无人机的精准降落功能还不够成熟可靠，或者应用限制条件较多，不能够全天候使用，且灵活性较差，还没有适用于不同无人机的实现精准降落功能的通用技术。

在计算机视觉领域，单目视觉系统发展迅速，特别在特征颜色识别、特定规则形状识别方面技术成熟可靠。以基于BSD许可(开源)发行的跨平台计算机视觉库OpenCV为例，在1999年由美国英特尔公司建立后，现已推出多代成熟计算机视觉库，可以在Linux、Windows、Android和Mac OS等操作系统上运行，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。将计算机视觉技术应用到无人机精准降落，目前常用做法是将摄像头、超声波传感器与高速处理器嵌入到无人机内部，通过机载摄像头捕获形状规则并具有鲜明对比的黑白色标记物来识别降落点。这种方式将设备集成在无人机机体中，不能独立于无人机存在，且容易受到机体抖动、光线强度、地面环境等因素干扰，不能在夜间或低照明环境使用，且识别准确率较低，精准降落功能的实现效果较差。

现有技术存在的问题与缺陷是：

第一，现有技术都是将摄像头安装在无人机上，通过无人机搭载的摄像头来捕获降落点的地理位置特征，这样对无人机机载处理器的运算速度提出更高的要求，需使用高速大功率的专用处理器进行图像处理以及算法计算，进而使得无人机整体功耗增大，这大大降低了无人机执行任务时的飞行半径；

第二，现有技术是将摄像头安装在无人机上，无人机在飞行的过程中，机身的抖动会影响摄像头的拍照角度和清晰度，使得图像处理算法复杂，难度较大，从而对无人机的精准降落带来不利影响；

第三，现有技术将摄像头安装在无人机上，在外界光照较弱以及夜间近似零光照强度环境下不能正常工作，现有技术不能实现全天候的精准降落功能。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统及方法，依靠成熟的计算机视觉技术“颜色+形状”的识别算法，采用多段式PID控制技术，实现了多旋翼无人机全天候厘米级精准降落功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，包括：

无人机和无人机起落站；

所述无人机起落站包括载物台，所述载物台上面安装辅助无人机降落的精确定位及固定装置，所述辅助无人机降落的精确定位及固定装置上安装三轴云台，所述三轴云台上安装摄像头，所述摄像头在三轴云台控制下始终保持镜头朝上、方向不变，所述摄像头与地面计算机连接；所述地面计算机控制摄像头进行拍照；所述地面计算机通过第一无线数据传输模块与无人机进行通信；所述地面计算机还与显示终端连接；

所述无人机包括机载数据处理模块，所述机载数据处理模块与无人机底层飞行控制系统、LED点阵屏、第二无线数据传输模块相连，所述无人机底层飞行控制系统与GPS接收模块连接，在无人机下降的过程中，所述摄像头拍摄无人机正下方的方形LED点阵面板，然后根据方形LED点阵面板的颜色特征和形状特征计算出无人机的坐标位置；计算机根据无人机当前位置向无人机发出降落指令；所述无人机依据降落指令最后降落在辅助无人机降落的精确定位及固定装置上，所述机载数据处理模块还通过第二无线数据传输模块与无人机起落站的第一无线数据传输模块通信；

所述无人机还包括电池，所述电池为机载数据处理模块、LED点阵屏、GPS接收模块、无人机底层飞行控制系统和第二无线数据传输模块供电。

所述LED点阵屏包括超声波模块，所述超声波模块的电源端接+5V稳压电源，所述超声波模块的接地端接地；所述超声波模块的模拟信号输出端与ARM内核处理器的IO1引脚连接；所述ARM内核处理器的IO2引脚、IO3引脚和IO4引脚与功率驱动模块的输入端连接；所述ARM内核处理器的电源端接+5V稳压电源，所述ARM内核处理器的接地端接地；所述功率驱动模块的电源端接+5V稳压电源，所述功率驱动模块的接地端接地；所述功率驱动模块的输出端通过若干个LED灯条接地；所述LED灯条组成LED点阵面板。

所述超声波传感器用于采集LED点阵屏的高度，即无人机当前位置的相对高度。

一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，该装置包括定位槽，通过多个限位槽的设置，对无人机的机翼位置进行准确定位。

一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，包括至少两个的一种辅助无人机降落的精确限位槽，限位槽的底部设于固定台上，在固定台的中部设置有标识点，无人机通过标识点对无人机机芯进行定位，固定台为凹槽结构设置，便于对后续固定桩、滑杆的容纳，竖直面或者支架沿着固定台的圆周方向布置。

该定位装置中，无人机利用控制系统实现了粗定位，粗定位在距离降落平台垂直距离5--10cm的区间内自由下落。精确定位装置中的限位槽可引导无人机利用惯性降落达到精确定位并固定，这样在两个限位槽之间，可人工或者采用机械设备对无人机的电池进行更换，或者进行其他的后续工作。

作为最优方案中，所述限位槽的数量与无人机机臂的数量相同，通过对每一个机翼的限位，可保证无人机位置降落的精度，控制在亚毫米级别。

另一实施方式中，所述限位槽为两个时，相邻的两个限位槽间隔一无人机机臂设置，如四翼无人机，限位槽可对称设置两个，若为六翼无人机，限位槽可设置两个或者三个，间隔一个机翼或者两个机翼进行设置。

若无人机携带摄像设备，在所述固定台的中部设置固定桩，所述标识点设于固定桩上，无人机携带的设想设备对标识点进行识别，识别速度快，或者，在固定桩表面设置摄像设备，摄像设备与控制器连接，以对无人机机芯进行粗定位，进一步地，所述固定台的底部与旋转机构固定以通过固定台的旋转来调节限位槽的位置，旋转机构可以是旋转电机，无人机通过标识点进行一个点的定位，相比于传统技术中对无人机机臂四个点、或者六个点均进行定位控制，实现降落速度快，有效保证了降落后的后续工作开展。

该摄像设备设于固定桩上，有效减轻了无人机的重量，提高了无人机设备的飞行时间，控制器通过摄像设备对无人机机芯位置进行定位，以对无人机机芯进行定位，一个点的定位相对四个点的定位来说，定位相对容易，再配合四个机臂的粗定位，降落位置准确度较高。

进一步地，为了提高该定位装置的适应性，适应不同机臂长度的无人机，在所述固定桩的圆周固定有滑杆，滑杆与滑块固定，滑块相对于滑杆可滑动，所述的限位槽固定于滑块上，以通过滑块的移动调节限位槽与固定桩之间的距离。

所述滑块上设置紧固件，紧固件穿过滑块将滑块固定于滑杆上，这样的结构设置，可根据机臂的长度，调整滑块相对于滑杆的位置，也就实现了限位槽相对于固定桩也就是无人机机芯的位置。

一种辅助无人机降落的精确限位槽，用于对无人机机臂进行限位，限位槽包括底部设置的平撑，平撑一侧与降落面连接，降落面为平面或曲面，降落面与平撑倾斜设置，无人机机臂支撑腿与降落面发生接触后，顺着降落面落入到平撑上实现精确定位，通过限位槽中降落面的设置，对无人机机臂进行限位，以提高降落的精度，该定位槽结构简单，定位精度高，可以达到亚毫米级。

此外，在所述限位槽中平撑的另一侧设置第二降落面，第二降落面与平撑倾斜设置，降落面、平撑与第二降落面形成V型形状，这样两降落面从两个方向对无人机机臂的支撑腿进行限位控制，拓宽了应用范围，所述限位槽为空心倒立的圆台形状。

或者，所述限位槽为U型，当无人机机臂支撑腿与U型的限位槽内壁发生碰撞，无人机机臂支撑腿顺着限位槽内部滑落至底部。

所述降落面与所述第二降落面之间设置竖直面；

进一步地，在一所述竖直面的顶部开有用于支撑无人机机臂的卡槽，通过卡槽的设置，无人机落入后，对无人机进行固定，卡槽的高度可以根据无人机的具体型号进行调节，一般情况下，卡槽的高度与大于等于无人机机臂的半径。

所述竖直面与所述降落面连接，上述限位槽构成一个顶部开口的容纳空间，或者，所述竖直面设于所述降落面与所述第二降落面之间，当无人机降落时，若无人机机臂支撑腿位置发生偏斜，限位槽中的降落面内表面与无人机机臂支撑腿底部发生接触，支撑腿受力向下降落落入到平撑上进行支撑，而两边的降落面也就是V型形状设置的原因，对支撑腿进行限位，实现了无人机的精确定位，支架顶部的卡槽在无人机位置降落后，对机臂进行有效支撑和固定，有效保障无人机降落的位置。

此外，降落面或者第二降落面相对于平撑的角度A在30度至80度，限位槽高度H可变化，具体值取决于无人机支撑腿的高度。

限位槽底部平撑的宽度可变化，具体值取决于无人机支撑腿的宽度。

限位槽卡槽宽度可变化，具体值取决于无人机机臂的直径。

若降落面的水平投影距离为L，L＝H/tanA，限位槽高度H和角度A相互制约。

上述技术特征的有益效果是，无人机在降落的过程中，能够做到平稳降落，避免无人机下降过程中受到碰撞。所述卡槽实现了对无人机机臂的夹持和固定，所卡槽内设有紧固垫块和防震垫片，避免了松动现象的发生，具有防震功能，提高紧固性，提高了对无人机的保护性。

所述载物台是个起落平台，所述载物台相对于自动更换电池装置进行升降，方便自动更换电池装置对无人机更换电池。

所述无人机支撑板允许替换为无人机支撑架，所述无人机支撑架包括矩形框架，所述矩形框架的对角线设有连接杆。

所述载物台安装在地面上、多履带小车上、AGV小车或其他能够承载无人机装置的设备上。

所述驱动机构包括旋转电机平移驱动机构、皮带平移驱动机构、气缸平移驱动机构或者直线电机平移驱动机构。

基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落方法，包括：

步骤(a1)：无人机起落站的计算机启动；

步骤(a2)：计算机判断是否收到无人机初始化完成指令，若是，则计算机向无人机发送已接收指令的第一反馈指令；计算机接收飞行模式选择指令，并将所选择的飞行模式发送给无人机，进入步骤(a4)；若否，则进入步骤(a3)；

步骤(a3)：计算机判断是否收到无人机的引导降落请求，若收到引导降落请求则进行引导降落处理，判断降落是否完成，若完成则返回步骤(a2)；若未完成则继续进行引导降落处理；若未收到引导降落请求，则返回步骤(a2)；

步骤(a4)：计算机判断是否收到无人机的第二反馈指令，若收到无人机第二反馈指令，则进入步骤(a5)；若未收到无人机第二反馈指令，则返回步骤(a2)计算机继续接收飞行模式选择指令；

步骤(a5)：计算机接收路径规划点的输入指令，判断是否输入完毕，若是则进入步骤(a6)；若否则返回步骤(a5)；

步骤(a6)：计算机将路径规划点及路径规划点输入完成指令发送给无人机，计算机接收校验结果并核对；判断校验结果是否相同，若相同则发送校验通过指令返回步骤(a2)；若否则返回步骤(a5)；所述校验结果是发送的路径点及数目与接收的路径点及数目是否一致。

基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落方法，包括：

步骤(b1)：无人机开机并初始化；

步骤(b2)：无人机发送初始化完成指令给地面的计算机，无人机判断是否收到地面计算机的第一反馈指令，若收到则进入步骤(b3)；若未收到就返回步骤(b2)；

步骤(b3)：无人机准备接收计算机上传过来的飞行模式选择指令，无人机收到飞行模式选择指令后向计算机发送第二反馈指令；

步骤(b4)：无人机准备接收计算机上传过来的规划路径点选择指令，无人机判断是否收到发送完成指令，若收到发送完成指令就发送校验结果给计算机，进入步骤(b5)；若未收到发送完成指令就返回步骤(b4)；所述校验结果是发送的路径点及数目与接收的路径点及数目是否一致；

步骤(b5)：判断是否收到校验通过指令，若是，则无人机执行规划路径点飞行任务，飞行任务完成，请求引导降落，结束；若否，则返回步骤(b4)。

所述引导降落的步骤为：

步骤(a30)：计算机判断是否收到无人机的引导降落请求，若收到引导降落请求则进行引导降落处理，进入步骤(a31)；若未收到则等待无人机发出引导降落请求；

步骤(a31)：计算机控制无人机起落站的摄像头抓拍图片；

步骤(a32)：提取图片中发光区域的颜色特征和形状特性；判断颜色特征是否匹配，将抓拍图片中的发光颜色与预先设定的指定高度的发光颜色进行匹配；若匹配成功就进入步骤(a33)；若匹配失败则返回步骤(a31)；

步骤(a33)：判断形状特征是否匹配，判断抓拍图片中的LED点阵屏的点亮图片是否为方形，若是，则计算方形图片中心点的坐标，图片中心点的坐标即为无人机精准降落所需要的坐标，并将此坐标发送给无人机，无人机根据坐标进行位置调整；返回步骤(a30)。

所述方形图片中心点的坐标，是指：LED点阵屏点亮的方形发光区域的中心点在地面摄像头抓拍图片中所处的像素坐标。

例如：摄像头抓拍整幅图像的分辨率为800*600，则整幅图像中心点坐标为(400，300)。

一种自动更换电池的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：无人机按照引导降落指令进行降落；

步骤(2)：载物台上升，高于自动更换电池装置，无人机降落在无人机支撑板上；

步骤(3)：计算机接收无人机已经降落在无人机支撑板上的信号；

步骤(4)：载物台下降，高度等于自动更换电池装置，自动更换电池装置对无人机进行更换电池动作或无线充电。

所述自动更换电池装置包括：电池夹取装置；

所述电池夹取装置，包括夹爪机构，所述夹爪机构包括夹爪本体，所述夹爪本体连接有第一夹爪部件和第二夹爪部件，所述第一夹爪部件与第一抓手固定连接，所述第二夹爪部件和第二抓手固定连接；所述第一抓手和第二抓手的相对面均配合设置锯齿状块体。

本发明的电池夹取装置，通过夹爪机构带动抓手部件来夹持电池，夹爪与电池的夹持配合更可靠；通过在两抓手上设置锯齿状块体，在夹持电池时抓手和电池的接触摩擦力更大，夹持更加稳固，避免电池夹取发生偏斜的问题。

进一步的，所述夹爪本体嵌合设置于卡块内，所述卡块带有与夹爪本体配合的卡槽。在卡块上设置卡槽，实现卡槽和夹爪本体的嵌装组合，可以快速可靠连接。

更进一步的，所述夹爪本体还通过紧固件与卡块固定连接。在卡块通过卡槽卡紧夹爪本体前提下，使用紧固件可以牢固固定夹爪本体，有效保持移动更换电池过程中夹爪机构的稳定。

进一步的，所述夹爪机构与动力装置连接。通过动力装置带动夹爪机构开合，进而实现两抓手的开合，实现夹取或放下电池。

进一步的，所述第一抓手在与第一夹爪部件配合处设置第一凹槽，第一夹爪部件嵌合在第一凹槽内。在第一抓手上设置第一凹槽，实现第一抓手和第一夹爪部件的嵌装组合，可以快速可靠连接。

更进一步的，所述第一夹爪部件还通过紧固件与第一抓手紧固连接。在第一抓手通过第一凹槽卡紧第一夹爪部件前提下，使用紧固件可以牢固固定第一夹爪部件，有效保持移动更换电池过程中第一抓手的稳定。

进一步的，所述第二抓手在与第二夹爪部件配合处设置第二凹槽，第二夹爪部件嵌合在第二凹槽内。在第二抓手上设置第二凹槽，实现第二抓手和第二夹爪部件的嵌装组合，可以快速可靠连接。

更进一步的，所述第二夹爪部件还通过紧固件与第二抓手紧固连接。在第二抓手通过第二凹槽卡紧第二夹爪部件前提下，使用紧固件可以牢固固定第二夹爪部件，有效保持移动更换电池过程中第二抓手的稳定。

优选的，所述第一抓手或第二抓手设有与电池开关配合的按动块，电池侧部设置与锯齿状块体配合的锯齿片体。通过在第一抓手或第二抓手上设置按动块，可以在更换电池前先关闭电池开关，避免带电插拔对电池的损坏；在电池侧部设置与抓手上锯齿状块体配合的锯齿状片体，可以保证抓手和电池的配合稳固性，有效解决电池在移动中发生偏斜的问题。

为了克服现有技术电池更换效率低的问题，本发明提供一种应用于无人机自主续航的电池更换装置，包括如上所述的电池夹取装置，所述电池夹取装置配合设置于Y轴移动机构上，所述Y轴移动机构配合设置于Z轴移动机构上，所述Z轴移动机构配合设置于X轴移动机构上。

为了克服现有技术中电池更换精度不高的问题，本发明提供一种应用于无人机自主续航的电池更换装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)X轴移动机构、Z轴移动机构和Y轴移动机构依次运作，带动电池夹取装置移动至无人机电池位置处；

(2)第一抓手或第二抓手上的按动块碰触电池开关，关闭电池；

(3)夹爪机构带动第一抓手和第二抓手夹持电池，锯齿状块体与电池侧部的锯齿片体配合；

(4)X轴移动机构、Z轴移动机构和Y轴移动机构依次运作，带动电池夹取装置移动至电池仓处，将电池归放于电池仓内；

(5)X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构带动电池夹取装置移动至电池仓另一电池的位置，重复步骤(3)，将电池取出；

(6)X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构带动电池夹取装置移动至无人机电池仓位置处，按动块碰触电池开关，打开电池；

(7)X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构回归初始位置。

所述无人机为多旋翼无人机。

所述摄像头为自变焦视觉摄像头。

所述无人机底层飞行控制系统用于实现无人机本身稳定飞行任务，其响应机载数据处理模块的指令，实现对机体的翻滚角(Roll)、俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)的控制以及笛卡尔坐标系下各轴的分速度、分位移的控制。其主要由惯性测量单元(IMU)、电子指南针(磁罗盘)、电子气压计组成。IMU能连续的提供位移、速度、姿态等信息，但是误差会随着时间的推移而积累；GPS接收模块能够接收GPS系统提供的经纬度以及速度等信息，能够实现多旋翼无人机的粗略定位；电子指南针(磁罗盘)能够确定无人机相较于正北或正南方向的偏航角；电子气压计可以为无人机提供高度信息。

机载数据处理模块的核心是Cortex M4内核的ARM处理器，结合外围电路构成ARM处理器最小系统。其通过第二无线数据传输模块与无人机起落站通信，在对信息流进行编码与解码处理后，解析出路径规划指令与精准降落时的坐标引导指令。此外，机载数据处理模块通过USART接口与无人机底层飞行控制系统相连，以串口通信形式实现对无人机的位移、速度和姿态的控制。

ARM内核处理器最小系统与超声波传感器相配合，能够采集当前位置的相对高度。方形彩色LED点阵面板能够在ARM内核处理器控制下任意改变发光区域与发光面积。

工作时，当无人机相较于地面的高度大于4米时，ARM内核处理器控制方形彩色LED点阵面板全亮，使其具有最大发光面积，颜色为红色；

当无人机相较于地面的高度大于3米而小于4米时，彩色LED点阵面板关闭四周LED小灯，使其发光面积减小，发光部分颜色变为黄色；

随着无人机高度的不断下降，LED点阵面板的发光面积也随之减小，颜色也随之改变。

在无人机高度低于0.5米后，如果误差值进入准许的误差阈值范围，无人机便降落至地面。

发光面积在摄像头视野中所占比例为设定值，根据设定值来确定发光面积的大小。以便于地面计算机对无人机实时坐标的解算。同时，变相增大了视觉摄像头在无人机高度较低时的视野范围。

第二无线数据传输模块是机载数据处理模块与无人机起落站信息流的桥梁，负责信息的传递。第二无线数据传输模块由配对的无线数传子模块构成，采用异步串口通信模式，彼此互为发射端与接收端。供电方式为5V直流，载波频率为433MHz,串口波特率为9600bps。

无人机起落站完成无人机实时坐标解析与无人机状态监控任务。

为了克服并解决背景技术中所述问题，本发明采用由地面计算机计算识别LED点阵屏中心位置坐标即无人机坐标，然后将坐标编码并通过第一无线数据传输模块、第二无线数据传输模块发送至机载数据处理模块，实现对无人机精准降落的引导。显示终端可以实时显示引导过程中无人机的坐标信息以及引导状态等信息，便于地面管理人员掌握精准降落过程实现的状况。摄像头通过数据线与计算机相连接，其底部安装在三轴自稳云台上，在引导过程中，摄像头在三轴自稳云台协助下始终保持垂直向上，摄像头的镜头平面保持水平，并且镜头扑捉LED点阵屏的图像坐标系与无人机水平运动的世界坐标系相一致，并能自动调焦。扑捉画面清晰，便于地面计算机实时处理图像，解析出无人机坐标。

本发明的工作过程是：无人机开机后，首先计算机通过第一无线数据传输模块向无人机传输规划路径点，在传输过程中，机载数据处理模块对传输的信息流解码并校验，确保发送的路径点与接收的路径点相同。传输完毕后，需要地面工作人员根据显示终端的提示进行确认，之后无人机便在机载数据处理模块的控制下进行飞行任务。在执行飞行任务期间，由无人机的底层飞行控制系统控制无人机本身的飞行姿态与机体的稳定。在无人机执行完规划的路径点飞行任务后，便进入降落状态。首先机载数据处理模块向地面的计算机发送降落引导请求，同时控制无人机相较于地面的高度为6米，并使得方形彩色LED点阵面板全亮，使其具有最大发光面积，颜色为红色。计算机接收到来自无人机的降落引导请求后，便开始通过地面摄像头扑捉机载可变发光面积多色LED点阵屏，通过“颜色+形状”的视觉处理算法，解析出LED点阵面板的中心位置坐标，并对其编码，最后通过第一无线数据传输模块、第二无线数据传输模块将引导信息流发送至机载数据处理模块。机载数据处理模块收到坐标引导信息后，进行解码校验操作，解析出无人机的当前坐标，并将当前坐标与设定坐标进行作差，求出误差值，通过PID算法计算出无人机运动的输入控制量以减小误差。整个控制过程频率为10Hz。随着无人机高度的不断下降，LED点阵面板的发光面积也随之减小，颜色也随之改变，同时，PID参数值也逐渐改变，构成多段式PID控制。在无人机高度低于0.5米后，如果误差值进入准许的误差阈值范围，无人机便降落至地面，同时锁死电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用地面引导的方式，摄像头底部安装在三轴自稳云台上，摄像头始终保持垂直向上，镜头平面保持水平，这能够充分利用简洁的天空背景，也能够避免机体抖动、地面环境等诸多因素干扰。同时，标记物(LED点阵屏)与控制模块(机载数据处理模块)独立于无人机底层飞控存在，能够适用于不同型号与样式的多旋翼无人机，实现技术上的通用性，可大范围推广使用。本发明的特征标记物采用可变发光面积与颜色的LED点阵屏，其能够根据当前高度的减小自适应改变发光面积与颜色，便于计算机进行图像处理，解决了因高度减小使得标记物容易溢出摄像头视野的问题，变相提高了地面摄像头的扑捉范围。同时，由于LED点阵屏能够自发光，使得精准降落功能能够在夜间使用，达到全天候使用的效果。本发明在无人机坐标识别方面，采用计算机视觉技术“颜色+形状”的成熟识别算法，提高了计算机视觉系统对特征标记物的识别准确率，大大减少了因背景环境的干扰造成不能识别或错误识别问题的出现频率，提高了识别系统的工作可靠性。在无人机机体运动控制方面，根据不同高度采用不同的PID参数，构成多段式PID控制算法，提高了无人机运动控制的平稳性，也使得精准降落的精度大幅提高，具有重大实用价值。本发明给出一种模块化的电池夹取装置，可以适用配合到任何无人机更换电池的机构系统中，应用范围广泛，且能高效、可靠、高精度的实现电池更换。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为无人机内部功能模块图；

图3为无人机机械结构示意图；

图4为本发明机载可变发光面积多色LED点阵面板示意图；

图5为本发明机载可变发光面积多色LED点阵面板内部连接图；

图6(a)为本发明地面工作站工作流程示意图；

图6(b)为本发明无人机工作流程示意图；

图7为本发明“颜色+形状”计算机视觉算法流程图；

图8为本发明电池夹取装置俯视图；

图9为本发明电池夹取装置主视图；

图10为本发明卡块示意图；

图11为本发明固定装置的整体结构示意图；

图12为本发明限位槽的示意图；

图13为本发明固定装置的整体结构示意图二；

其中，1.固定台，2.第一限位槽，3.滑块，4.滑杆，5.固定桩，6.降落面，7.平撑，8.第一卡槽，9.竖直面，10.第二限位槽，11.支架；

其中，1-1夹爪本体，1-2第一夹爪部件，1-3第二夹爪部件，1-4第一抓手，1-5第二抓手，1-6锯齿状块体，1-7卡块，1-8紧固件，1-9伺服电机，1-10第一凹槽，1-11按动块，1-12第二卡槽，1-13丝杠滑块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，包括：无人机和无人机起落站，所述无人机起落站包括载物台，所述载物台上面安装辅助无人机降落的精确定位及固定装置，所述辅助无人机降落的精确定位及固定装置上安装三轴云台，所述三轴云台上安装摄像头，所述摄像头在云台控制下始终保持镜头朝上、方向不变，所述摄像头与地面计算机连接；所述地面计算机控制摄像头进行拍照；所述地面计算机通过第一无线数据传输模块与无人机进行通信；所述计算机还与显示终端连接；

如图2所示，所述无人机包括机载数据处理模块，所述机载数据处理模块与无人机底层飞行控制系统、LED点阵屏、第二无线数据传输模块相连，所述无人机底层飞行控制系统与GPS接收模块连接，在无人机下降的过程中，所述摄像头拍摄无人机正下方的方形LED点阵屏，然后根据方形LED点阵屏的颜色特征和形状特征计算出无人机的坐标位置；所述机载数据处理模块还通过第二无线数据传输模块与无人机起落站的第一无线数据传输模块通信；

所述无人机还包括电池，所述电池为机载数据处理模块、LED点阵屏、无人机底层飞行控制系统和第二无线数据传输模块供电。如图3所示，所述LED点阵屏位于无人机正下方。

如图4所示，所述LED点阵屏包括超声波模块。如图5所示，所述LED点阵屏包括超声波模块，所述超声波模块的电源端接+5V稳压电源，所述超声波模块的接地端接地；所述超声波模块的模拟信号输出端与ARM内核处理器的IO1引脚连接；所述ARM内核处理器的IO2引脚、IO3引脚和IO4引脚与功率驱动模块的输入端连接；所述ARM内核处理器的电源端接+5V稳压电源，所述ARM内核处理器的接地端接地；所述功率驱动模块的电源端接+5V稳压电源，所述功率驱动模块的接地端接地；所述功率驱动模块的输出端通过若干个LED灯条接地；所述LED灯条组成LED点阵面板。所述超声波传感器用于采集LED点阵屏，即无人机当前位置的相对高度。

如图6(a)所示，基于LED点阵面板的地面引导式无人机飞行降落方法，包括：

步骤(a1)：无人机起落站的计算机启动；

步骤(a2)：计算机判断是否收到无人机初始化完成指令，若是，则计算机向无人机发送已接收指令的第一反馈指令；计算机接收飞行模式选择指令，并将所选择的飞行模式发送给无人机，进入步骤(a4)；若否，则进入步骤(a3)；

步骤(a3)：计算机判断是否收到无人机的引导降落请求，若收到引导降落请求则进行引导降落处理，判断降落是否完成，若完成则返回步骤(a2)；若未完成则继续进行引导降落处理；若未收到引导降落请求，则返回步骤(a2)；

步骤(a4)：计算机判断是否收到无人机的第二反馈指令，若收到无人机第二反馈指令，则进入步骤(a5)；若未收到无人机第二反馈指令，则返回步骤(a2)计算机继续接收飞行模式选择指令；

步骤(a5)：计算机接收路径规划点的输入指令，判断是否输入完毕，若是则进入步骤(a6)；若否则返回步骤(a5)；

步骤(a6)：计算机将路径规划点及路径规划点输入完成指令发送给无人机，计算机接收校验结果并核对；判断校验结果是否相同，若相同则发送校验通过指令返回步骤(a2)；若否则返回步骤(a5)；所述校验结果是发送的路径点及数目与接收的路径点及数目是否一致。

如图6(b)所示，基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落方法，包括：

步骤(b1)：无人机开机并初始化；

步骤(b2)：无人机发送初始化完成指令给地面的计算机，无人机判断是否收到地面计算机的第一反馈指令，若收到则进入步骤(b3)；若未收到就返回步骤(b2)；

步骤(b3)：无人机准备接收计算机上传过来的飞行模式选择指令，无人机收到飞行模式选择指令后向计算机发送第二反馈指令；

步骤(b4)：无人机准备接收计算机上传过来的规划路径点选择指令，无人机判断是否收到发送完成指令，若收到发送完成指令就发送校验结果给计算机，进入步骤(b5)；若未收到发送完成指令就返回步骤(b4)；所述校验结果是发送的路径点及数目与接收的路径点及数目是否一致；

步骤(b5)：判断是否收到校验通过指令，若是，则无人机执行规划路径点飞行任务，飞行任务完成，请求引导降落，结束；若否，则返回步骤(b4)。

如图7所示，所述引导降落的步骤为：

步骤(a30)：计算机判断是否收到无人机的引导降落请求，若收到引导降落请求则进行引导降落处理，进入步骤(a31)；若未收到则等待无人机发出引导降落请求；

步骤(a31)：计算机控制无人机起落站的摄像头抓拍图片；

步骤(a32)：提取图片中发光区域的颜色特征和形状特性；判断颜色特征是否匹配，将抓拍图片中的发光颜色与预先设定的指定高度的发光颜色进行匹配；若匹配成功就进入步骤(a33)；若匹配失败则返回步骤(a31)；

步骤(a33)：判断形状特征是否匹配，判断抓拍图片中的LED点阵屏的点亮图片是否为方形，若是，则计算方形图片中心点的坐标，图片中心点的坐标即为无人机精准降落所需要的坐标，并将此坐标发送给无人机，无人机根据坐标进行位置调整；返回步骤(a30)。

所述方形图片中心点的坐标，是指：LED点阵屏点亮的方形发光区域的中心点在地面摄像头抓拍图片中所处的像素坐标。摄像头抓拍整幅图像的分辨率为800*600，则整幅图像中心点坐标为(400，300)。

本申请的一种典型的实施方式中，如图8、图9和图10所示，提供了一种应用于无人机自主续航的电池夹取装置，包括夹爪机构，夹爪机构包括夹爪本体1-1，夹爪本体1-1连接有第一夹爪部件1-2和第二夹爪部件1-3，第一夹爪部件1-2与第一抓手1-4固定连接，第二夹爪部件1-3和第二抓手1-5固定连接；第一抓手1-4和第二抓手1-5的相对面均配合设置锯齿状块体1-6。通过夹爪机构带动抓手部件来夹持电池，夹爪与电池的夹持配合更可靠；通过在两抓手上设置锯齿状块体，在夹持电池时抓手和电池的接触摩擦力更大，夹持更加稳固，避免电池夹取发生偏斜的问题。

夹爪机构可以采用电动夹爪或气动夹爪等，可以有效带动抓手开闭，同时能通过控制模块对其进行控制，保证电池更换的精度，使用时可以根据夹取任务所需夹持力选择适合的电动夹爪或气动夹爪，节省成本。

夹爪本体1-1嵌合设置于卡块1-7内，卡块1-7带有与夹爪本体配合的第二卡槽1-12。在卡块上设置第二卡槽，实现第二卡槽和夹爪本体的嵌装组合，可以快速可靠连接。

为了能够更稳固的固定夹爪本体，夹爪本体1-1还通过紧固件1-8与卡块1-7固定连接，紧固件1-8可以采用螺钉等；在夹爪本体1-1和卡块1-7上都设置丝孔，将螺丝或螺钉等紧固件穿过二者的丝孔完成二者的紧固固定。在卡块通过第二卡槽卡紧夹爪本体前提下，使用紧固件可以牢固固定夹爪本体，有效保持移动更换电池过程中夹爪机构的稳定。

夹爪机构与动力装置连接，本实施例中动力装置采用伺服电机1-9。通过动力装置带动夹爪机构开合，进而实现两抓手的开合，实现夹取或放下电池。当需要夹取电池时，通过控制器发出信号给驱动器，伺服电机1-9运作驱动夹爪机构带动第一抓手和第二抓手夹取电池进行更换。第一抓手1-4在与第一夹爪部件1-2配合处设置第一凹槽1-10，第一夹爪部件1-2嵌合在第一凹槽1-10内。在第一抓手上设置第一凹槽，实现第一抓手和第一夹爪部件的嵌装组合，可以快速可靠连接。为了能够更稳固的固定第一夹爪部件，第一夹爪部件1-2还通过紧固件与第一抓手1-4紧固连接，在第一夹爪部件1-2和第一抓手1-4上都设置丝孔，将螺丝或螺钉等紧固件穿过二者的丝孔完成二者的紧固固定。在第一抓手通过第一凹槽卡紧第一夹爪部件前提下，使用紧固件可以牢固固定第一夹爪部件，有效保持移动更换电池过程中第一抓手的稳定。

第二抓手1-5在与第二夹爪部件1-3配合处设置第二凹槽，第二夹爪部件1-3嵌合在第二凹槽内。在第二抓手上设置第二凹槽，实现第二抓手和第二夹爪部件的嵌装组合，可以快速可靠连接。为了能够更稳固的固定第二夹爪部件，第二夹爪部件1-3还通过紧固件与第二抓手1-5紧固连接，在第二夹爪部件1-3和第二抓手1-5上都设置丝孔，将螺丝或螺钉等紧固件穿过二者的丝孔完成二者的紧固固定。在第二抓手通过第二凹槽卡紧第二夹爪部件前提下，使用紧固件可以牢固固定第二夹爪部件，有效保持移动更换电池过程中第二抓手的稳定。

第一抓手1-4或第二抓手1-5设有与电池开关配合的按动块1-11，电池侧部设置与锯齿状块体1-6配合的锯齿片体。在第一抓手或第二抓手上设置按动块，可以在更换电池前先关闭电池开关，避免带电插拔对电池的损坏；在电池侧部设置与抓手上锯齿状块体配合的锯齿状片体，可以保证抓手和电池的配合稳固性，有效解决电池在移动中发生偏斜的问题，电池侧部的锯齿片体既可以是贴于电池上的，也可以是与电池一体成型的。在抓手内侧带有锯齿状块体，跟电池上的齿状片体相配合，有效的解决了实际运行中，夹取电池发生下滑，导致电池夹取偏斜的问题。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种应用于无人机自主续航的电池更换装置，包括如上的电池夹取装置，电池夹取装置配合设置于Y轴移动机构上，Y轴移动机构配合设置于Z轴移动机构上，Z轴移动机构配合设置于X轴移动机构上。卡块1-7可以为工字型，上侧带有第二卡槽1-12卡住固定夹爪本体1-1，卡块1-7下侧带有另一卡槽卡住固定丝杠滑块1-13，丝杠滑块1-13与Y轴移动机构连接。当然，电池更换装置中的三轴移动机构也可以替换采用其他能够带动电池夹取装置在立方空间内移动的机构。

对一些需要时常需要定点巡视的区域，可以进行无人机的自动化巡视，巡视人员或其他人员在控制室只需要发送相应的指令，无人机就会自动起飞对相应区域巡视，当无人机电量低于设置值时，无人机会降落到附近布置的无人机站，进行自主电池更换，继续完成巡视任务。这个过程对电池的夹取装置要求十分严格，若采用现有技术的机械抓手，在实际测试的过程中，以三轴移动机构为例，X轴移动机构，Y轴移动机构，Z轴移动机构都按照设定运行至无人机换电池的位置，在夹取电池拔出后，由于夹取装置夹取的不牢固，电池未被夹持的一侧下滑，即使在X轴移动机构和Z轴移动机构不变的情况下，只通过Y轴移动机构把电池安到无人机电池仓，也无法实现安装。而采用本发明的电池夹取装置后，X轴移动机构，Y轴移动机构，Z轴移动机构与夹爪机构配合可以可靠夹持电池进行更换，不会出现电池偏斜，可以快速、稳定的更换电池，且能保证电池更换的精度。

本申请的再一种典型的实施方式中，提供了一种应用于无人机自主续航的电池更换装置的工作方法，包括以下步骤：(1)X轴移动机构、Z轴移动机构和Y轴移动机构依次运作，带动电池夹取装置移动至无人机电池位置处；(2)第一抓手或第二抓手上的按动块碰触电池开关，关闭电池；(3)夹爪机构带动第一抓手和第二抓手夹持电池，锯齿状块体与电池侧部的锯齿片体配合；(4)X轴移动机构、Z轴移动机构和Y轴移动机构依次运作，带动电池夹取装置移动至电池仓处，将电池归放于电池仓内；(5)X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构带动电池夹取装置移动至电池仓另一电池的位置，重复步骤(3)，将电池取出；(6)X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构带动电池夹取装置移动至无人机电池仓位置处，按动块碰触电池开关，打开电池；(7)X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构回归初始位置。为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，下面以本装置的作业过程对本发明进行详细说明：电池夹取装置配合设置于Y轴移动机构上，Y轴移动机构配合设置于Z轴移动机构上，Z轴移动机构配合设置于X轴移动机构上。无人机降落到固定支架上，X轴移动机构带动Z轴移动机构在x轴方向运动到无人机电池仓的位置。在x轴动作完成后，Z轴移动机构带动Y轴移动机构在z轴方向上向下运动到与无人机电池仓同高。在z轴动作完成后，Y轴移动机构带动电池夹取装置在y轴上向前运行。

按动块1-11碰触电池开关，关闭电池，之后夹爪机构闭合，第一抓手1-4和第二抓手1-5抓住电池，第一抓手1-4上的锯齿状块体与电池一侧的锯齿片体卡紧配合，第二抓手1-5上的锯齿状块体与电池另一侧的锯齿片体卡紧配合。

Y轴移动机构带动电池夹取装置在y轴方向收回，动作完成后，Z轴移动机构带动Y轴移动机构在z轴方向上提升，动作完成后，X轴移动机构带动Z轴移动机构在x轴方向上返回运动。X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构配合运作将电池放进电池仓，并从下一个电池仓取电池，取到电池运动到无人机电池仓位置，安装电池，按动块1-11打开无人机电池开关。X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构回归初始位置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图12所示，一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，包括用于对无人机机臂进行限位的第一限位槽，第一限位槽对立的两侧呈V型形状布置，第一限位槽另两侧各自竖直设置为竖直面，其中，第一限位槽竖直设置的一侧设有用于支撑无人机机臂的第一卡槽，第一卡槽8为圆弧形形状，在第一卡槽内设置橡胶垫，以对机臂进行保护，同时，通过橡胶垫的设置，因橡胶垫的弹性作用，可进一步牢固固定无人机，第一卡槽的高度可以根据无人机的具体型号进行调节，一般情况下，第一卡槽的高度与大于等于无人机机臂的半径，因此第一卡槽的形状与无人机机臂的形状是相近的，为圆弧形状。

第一限位槽2包括平撑7，平撑呈长条矩形状，平撑7的两侧各设置一降落面6，另两侧各设置所述的竖直面9。

上述第一限位槽2构成一个顶部开口的容纳空间，当无人机降落时，第一限位槽中的降落面6内表面与无人机机臂支撑腿底部发生接触，支撑腿受力向下降落落入到平撑上进行支撑，而两边的降落面6也就是V型形状设置的原因，对支撑腿进行限位，有效保障无人机降落的位置。

此外，降落面相对于平撑的角度A在30度至80度，这样即使无人机机臂底部支撑腿偏离位置较远，也能保证有效落入到平撑上，保证了无人机的精确降落，限位槽高度H可变化，具体值取决于无人机支撑腿的高度。

限位槽底部平撑的宽度可变化，具体值取决于无人机支撑腿的宽度，优选方案是该宽度与无人机支撑腿的直径相同。

限位槽第一卡槽宽度可变化，具体值取决于无人机机臂的直径，优选方案是该宽度与无人机机臂的直径相同。

若降落面的水平投影距离为L，L＝H/TanA，限位槽高度H和角度A相互制约。

为了实现对机翼底部支撑腿的限制，所述限位槽为U型形状或者漏斗形状或者上部为方形，下部为漏斗形状。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种辅助无人机降落的精确定位槽，该定位槽通过限位槽的设置，对无人机机臂进行限位，以提高降落的精度，该定位槽结构简单，定位精度高。

一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，包括用于对无人机机臂进行限位的第二限位槽10，第二限位槽包括平撑，平撑对立的两侧各设置一降落面，两降落面构成V型形状，在平撑的一侧竖直设置支架11，支架为L型形状，底部便于固定，支架顶部开有用于支撑无人机机臂的第一卡槽，此外，为了避免降落面对更换电池产生干涉，降落面的一个面部分弯折朝向机臂设置，如图13所示。上述第二限位槽构成一个顶部开口的容纳空间，当无人机降落时，第二限位槽中的降落面内表面与无人机机臂支撑腿底部发生接触，支撑腿受力向下降落落入到平撑上进行支撑，而两边的降落面也就是V型形状设置的原因，对支撑腿进行限位，支架顶部的第一卡槽在无人机位置降落后，对机臂进行有效支撑，有效保障无人机降落的位置，支架与所述的平撑相接设置。此外，本申请另一种实施方式，还提供了一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，该装置包括上述两个方案中的定位槽，通过多个限位槽的设置，对无人机的机翼位置进行准确定位。

一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置，包括至少两个所述的一种辅助无人机降落的精确定位槽，所述限位槽的底部设于固定台上，平撑通过螺栓与固定台进行固定，固定台为凹槽结构设置，便于对后续固定桩、滑杆的容纳，如图11和图13所示。

该定位装置中，无人机利用控制系统实现了粗定位，粗定位在距离降落平台垂直距离5--10cm的区间内自由下落。精确定位装置中的限位槽可引导无人机利用惯性降落达到精确定位并固定，这样在两个限位槽之间，可人工或者采用机械设备对无人机的电池进行更换，或者进行其他的后续工作。作为最优实施例，所述限位槽的数量与无人机机臂的数量相同，通过对每一个机翼的限位，可保证无人机位置降落的精度，控制在亚毫米级别。另一实施方式中，限位槽为两个时，相邻的两个限位槽间隔一无人机机臂设置，如四翼无人机，限位槽可对称设置两个，若为六翼无人机，限位槽可设置两个或者三个，间隔一个机翼或者两个机翼进行设置。

在所述固定台1的中部设置固定桩5，在所述固定台的中部设置固定桩，所述标识点设于固定桩的中部，通过一个标识点的设置，可实现无人机机芯的粗定位，在固定桩表面设置摄像设备，摄像设备与控制器连接，以对无人机进行粗定位，再配合限位槽的设置，实现对无人机机臂支撑腿位置的定位，并通过第一卡槽有效地对无人机机臂进行支撑，所述固定台的底部与旋转机构固定以通过固定台的旋转来调节限位槽的位置，旋转机构可以是旋转电机。

控制器设于壳体内，以进行防风防尘，控制器与气象传感器连接，气象传感器实时测量外界环境，包括风向、风速、降水量、温度和湿度，传送至站内控制器，通过与网络气象要素对照，实时分析环境影响，决定无人机降落控制与否。控制器通过云端服务器与监控中心服务器相互通信，监控中心服务器还与显示模块相连，通过监控中心服务器来实时监控智能起降站系统的工作状态信息。此外，为了提高该定位装置的适应性，适应不同机臂长度的无人机，在所述固定桩的圆周固定有滑杆4，滑杆4与滑块3固定，滑块3相对于滑杆4可滑动，限位槽固定于滑块3上；

所述滑块上设置紧固件，紧固件穿过滑块3将滑块3固定于滑杆4上，这样的结构设置，可根据机臂的长度，调整滑块3相对于滑杆4的位置，也就实现了限位槽相对于机芯位置的调整。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。