无人机车载起降系统、可车载起降无人机及降落方法与流程

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机车载起降系统、可车载起降无人机及降落方法。

背景技术：

近几年，无人机在民用航拍方面快速发展，然而现有的无人机起降大多都是在静止的地面上进行的。如今，只能在静止地面上起降的无人机已经不能满足广大用户的需求，众多用户期望在汽车上也能使用无人机，能够让无人机在运动的汽车上进行起降，并利用其探测汽车周围的影像信息。

因此，有必要开发一种能够在运动的汽车上进行起降的无人机车载起降系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无人机车载起降系统、可车载起降无人机及降落方法，其可以在机动汽车上控制无人机起飞及降落，完成基于车载的无人机侦察、监测等任务。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种无人机车载起降系统，包括车载停机坪、车载控制模块和无人机；所述车载停机坪可分离的设置在机动车顶部，所述停机坪的上表面设置有供无人机识别与跟踪的停机坪标识；所述车载控制模块设置在车内，可供用户进行操作；所述无人机，包括：搭载了相机的云台装置，所述相机用于实时采集图像，所述云台装置能够调整所述相机的角度，并获得所述相机的角度信息；智能导引装置，用于在无人机接收到降落指令时，执行gps导引操作；在所述gps导引操作中，所述智能导引装置根据停机坪的gps位置和速度数据、无人机的gps位置和速度数据，生成指引无人机飞行至停机坪上空的无人机控制回路指令信号。

优选地，所述智能导引装置生成所述无人机控制回路指令信号的运算式为：；

其中，pc表示停机坪的gps位置，pd表示无人机的gps位置；

增益系数k表示停机坪速度的线性函数，具体表示为：，vc为停机坪的速度，k1和kc的参数值由无人机响应的快速性和稳定性确定。

优选地，所述智能导引装置在所述gps导引操作完成后，使所述相机指向所述停机坪，根据所述相机采集的图像控制所述无人机从停机坪上空下降的视觉导引操作。

优选地，所述视觉导引操作包括视觉粗导引操作和末端精细导引操作，所述智能导引装置在视觉导引操作中先执行视觉粗导引操作，当无人机的高度下降到一定值时开始执行末端精细导引操作。

优选地，在所述视觉粗导引操作中，所述智能导引装置控制所述相机，使得所述停机坪标识位于相机所拍摄图像的中心，并根据所拍摄图像中的停机坪标识与图像中心之间的偏移量来控制所述无人机的飞行轨迹。

优选地，所述停机坪标识的正中心设置有着陆点标志；

在所述末端精细导引操作中，所述智能导引装置控制所述相机，使得所述停机坪标识上的着陆点标志位于相机所拍摄图像的中心，并根据所拍摄图像中的着陆点标志与图像中心之间的偏移量来控制所述无人机的飞行轨迹。

优选地，所述智能导引装置根据以下运算式控制所述无人机的下降速度：，其中，v表示无人机垂向下降速度，h表示无人机距离停机坪的高度。

优选地，所述停机坪标识包括不同图案的色块，其中，其底色为与车体颜色不同的第一颜色，外部包围第二颜色的边框，内部具有中心区域。

优选地，所述中心区域包括“h”型标识，靶标正中心有“十”字标识。

优选地，所述无人机具有自动起降脚架，自动起降脚架末端与停机坪上分别设置有相互配合的魔术贴；

所述自动起降脚架包括可伸缩的杆，可在最长伸出位置和最短缩回位置之间移动，当无人机起飞时，可伸缩的杆伸长，使得无人机脚架末端的魔术贴与停机坪上的魔术贴分离。

一种可车载起降无人机，包括：

搭载了相机的云台装置，所述相机用于实时采集图像，所述云台装置能够调整所述相机的角度，并获得所述相机的角度信息；

智能导引装置，用于在无人机接收到降落指令时，执行gps导引操作；

在所述gps导引操作中，所述智能导引装置根据停机坪的gps位置和速度数据、无人机的gps位置和速度数据，生成指引无人机飞行至停机坪上空的无人机控制回路指令信号。

一种无人机车载降落方法，包括以下步骤：

在机动车顶部设置可分离的车载停机坪，所述停机坪的上表面设置有供无人机识别与跟踪的停机坪标识；

通过车载控制模块给无人机发出降落指令；

无人机接收到降落指令时，执行gps导引操作；

在所述gps导引操作中，所述智能导引装置根据停机坪的gps位置和速度数据、无人机的gps位置和速度数据，生成指引无人机飞行至停机坪上空的无人机控制回路指令信号。

采用上述方案后，本发明无人机车载起降系统、可车载起降无人机及降落方法具有以下有益效果：

1、无人机模块的智能导引装置引导无人机降落至停机坪的引导降落过程包括gps导引、基于视觉的粗导引和精确导引，引导无人机实现快速精准降落；

2、无人机模块的支撑脚架装置可与停机坪的靶标表面粘合与分离，无人机的自动起降装置驱动自动起降脚架伸长和缩回，使得无人机在起飞时所述支撑脚架装置与停机坪表面顺利分离，且无人机在降落停放时支撑脚架装置与停机坪表面牢固粘合；

3、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本实施例涉及的无人机车载起降系统及其方法；

图2无人机固定停放在停机坪上时的示意图；

图3为本实施例涉及的停机坪示意图；

图4为本实施例涉及的自动起降装置结构示意图；

图5为云台装置根据偏移量生成控制云台相机旋转的信号的方框示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述，通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所述，本发明提出的无人机车载起降系统，包括车载停机坪1、车载控制模块2和无人机3，三者分别位于机动车顶、机动车驾驶室内、无人机上，且相互之间以无线方式进行通信。

车载停机坪1包括停机坪10、gps装置11和无线通讯装置12，其中gps装置11与无线通讯装置12通过rs232串口建立连接。停机坪10作为无人机的停放处，其可被无人机3识别与跟踪，以便无人机快速定位和停靠；gps装置11用于实时获取停机坪10的gps位置和速度数据，也即机动车的位置和速度数据，并通过rs232串口将获取的gps位置和速度数据传送给无线通讯装置12；无线通讯装置12采用rf433与车载控制模块2的无线通讯装置建立无线连接,将停机坪10的gps位置和速度数据无线发送至车载控制模块2。

如图2中所示，停机坪10通过吸附装置4可分离的吸附在机动车顶表面，吸附装置4是通过排气装置5和吸气装置6来实现与机动车顶表面的吸附与分离，排气装置5可将吸附装置4中的气体排出，在大气压力的作用下保持停机坪10与机动车顶紧密牢固的结合；相反，吸气装置6可将空气注入吸附装置4内，实现停机坪10与机动车顶的快速分离。吸附装置4可以采用吸盘，其材质柔软且不会对机动车顶产生应力划伤。

另外，如图3中所示，所述停机坪10可采用不同颜色色块的设计形式，其色块的选择避免与机动车顶部的颜色一致，确保高图像识别概率。例如可以紫色色块作为停机坪的主色块101，外围设置有一圈黑色边框102，也可以其它颜色作为停机坪的主色块和边框的颜色，其目的在于能够明显区分机动车顶部底色和停机坪主色块，减少机动车顶部底色对停机坪主色块的影响。主色块区域内的中心位置处具有绿色的”h”型标识103，停机坪的中心点位置处有“十”字标识104，无人机以该“十”字标识为降落的基准点，在降落过程中对其进行识别与跟踪。该主色块区域内的“h”型标识和“十”字标识也可用其它形式来表示，具体形式和形状不限。

所述停机坪10的上表面设置有第一魔术贴7，其外露的一面为勾面或毛面，无人机的支撑脚架底部设置有第二魔术贴8，该第二魔术贴8外露的一面为毛面/勾面，无人机通过第二魔术贴8与停机坪10的第一魔术贴贴7实现相互粘合，以便无人机降落后或起飞前能够固定停放在停机坪上。无人机的支撑脚架底部设置的第二魔术贴8与停机坪10上表面的第一魔术贴7之间的粘合力至少可达20kg，可适用于机动车高速行驶的应用环境。

车载控制模块2包括无线传输装置20、控制与显示装置21、无线通讯装置22。无线传输装置20又包括图像传输单元201和数据传输单元202。其中，无线通讯装置22接收车载停机坪1的无线通讯装置12发送的停机坪10的gps位置和速度数据，并将其传送给车载控制模块2的数据传输单元202；控制与显示装置21兼具操作控制功能与屏幕显示功能，包括生成用于操控无人机的用户交互控制指令和显示无人机采集的图像；图像传输单元201与无人机3的图像传输单元无线连接，使得无人机采集的图像数据能够实时地从无人机3传输至车载控制模块2，并在车载控制模块2的控制与显示装置21的屏幕上显示；数据传输单元202与无人机3的数据传输单元建立无线通信，实时传输控制指令和数据，其包括将无线通讯装置22接收到的停机坪的gps位置和速度数据从车载控制模块2发送至无人机3，将控制与显示装置21生成的用户交互控制指令从车载控制模块2发送至无人机3，以及将无人机的状态信息反馈至控制与显示装置21。无线通讯装置22、图像传输单元201和数据传输单元202，三者的无线传输相互独立且不共用，车载控制模块2的无线通讯装置22与车载停机坪1的无线通讯装置12通过rf433建立无线连接。

无人机3包括综合处理装置30、高度测量装置31、云台装置32、无线传输装置33、智能导引装置34，自动起降装置35，具体如下：

综合处理装置30，处理控制指令和存储测量数据，并可将其分配至其它需要的处理单元进行处理。

高度测量装置31，实时测量无人机相对于停机坪10的高度并将测量数据发送给综合处理装置30。高度测量装置31例如可采用psk-cm10jl红外测距传感器，其精度可达厘米级，并具有较强的抗干扰性能。

云台装置32为三轴稳像云台，挂载在无人机底部中心位置，用于实时跟踪停机坪10中心位置点处的“十”字标识104。云台装置32包括惯性测量单元321、云台相机322、图像检测与跟踪单元323、控制器（图中未示出）和电机（图中未示出），其中惯性测量单元用于测量云台装置的三轴（偏航、横滚和俯仰）相对惯性空间的姿态角数据和三轴视线角速度数据，通过rs232串口发送给综合处理装置30；云台相机作为三轴稳像云台的载荷，安装在三轴稳像云台内框支架上，用于采集停机坪10和停机坪10周围场景的图像，并将采集的图像传送给图像检测与跟踪单元323，同时将采集的图像转换成hdmi标准信号，经视频压缩后发送给无人机模块的图像传输单元331；图像检测与跟踪单元323对接收到的停机坪10和停机坪10周围场景的图像进行检测，识别并计算出图像中停机坪中心位置点处的“十”字标识104距离图像中心的偏移量，并将图像中“十”字标识104的位置和“十”字标识104距离图像中心的偏移量等数据发送给云台装置32的中心处理单元（图中未示出），云台装置32的中心处理单元根据接收的数据信息驱动云台相机旋转，调整云台相机的角度使得停机坪10的中心点位置处的“十”字标识104保持在采集的图像中心位置处。

无人机的无线传输装置33包括图像传输单元331和数据传输单元332。图像传输单元331采用工作在5.8ghz频段上的ofdm图传技术，与车载控制模块2的图像传输单元201建立无线连接，将云台相机采集的图像实时传送至车载控制模块2，并在车载控制模块2的控制与显示装置21上显示；数据传输单元332，与车载控制模块2的数据传输单元202建立无线连接，用于无人机3与车载控制模块2之间的通讯，例如包括接收车载控制模块2的交互控制指令、停机坪10的gps位置和速度数据，并将接收到的数据发送给综合处理装置30。

智能导引装置34，在无人机接收到降落指令时，估算无人机与停机坪10的相对位置，生成控制回路指令，引导无人机飞行直至降落在停机坪10的表面。

智能导引装置34从综合处理装置30获取停机坪10的gps位置和速度数据、无人机的gps位置和速度数据进行运算处理，生成指引无人机飞行至停机坪10上空的无人机控制回路指令信号；智能导引装置34从综合处理装置30获取三轴（偏航、横滚和俯仰）相对惯性空间的姿态角度和三轴视线角速度数据进行运算处理，生成横向飞行速度控制指令和纵向飞行速度控制指令，控制无人机在停机坪10的正上方位置处与停机坪10保持同步；智能导引装置34从综合处理装置30获取无人机距离停机坪10的高度进行运算处理，生成控制无人机下降的无人机垂向下降速度。

自动起降装置35，安装在无人机支撑脚架内，用于在无人机起飞时克服无人机的支撑脚架底部与停机坪10上表面之间的粘合力，使无人机的支撑脚架与停机坪分离。如图4中所示，所述自动起降装置35包括电机350、伸出限位器351、缩回限位器352和可伸缩的杆353，其中可伸缩的杆353受电机350驱动，可在最长伸出位置和最短缩回位置之间移动，伸出限位器351和缩回限位器352分别设置在最长伸出位置和最短缩回位置处，分别用于限定可伸缩的杆353的伸出和缩回。无人机在收到起飞指令时，电机350连续驱动可伸缩的杆353以对向停机坪10上表面的方向从无人机支撑脚架底部伸出直至到达最长伸出位置处，此时可伸缩的杆353与最长伸出位置处的伸出限位器351接触，触发电机350停止工作，可伸缩的杆353不再继续伸出，可伸缩的杆353到达最长伸出位置处的伸出长度已足以将无人机的支撑脚架底部与停机坪10的上表面完全分离；无人机在收到降落指令时，电机350连续驱动可伸缩的杆353从最长伸出位置处以背向停机坪10上表面的方向缩回直至到达最短缩回位置处，此时可伸缩的杆353已完全缩回至无人机的支撑脚架内且与最短缩回位置处的缩回限位器352接触，触发电机350停止工作，可伸缩的杆353不再继续缩回。电机350的驱动方式例如可以是电机驱动，也可以是液压驱动，又或是其它任何可行的驱动方式。电机350的数目可以是2个，也可以是4个，其对数可根据实际应用的需要具体设置。

在该无人机车载起降系统中，无人机的起飞和降落过程，具体如下：

在无人机需要起飞时，用户点击车载控制模块2的控制与显示装置21上的起飞按键，生成起飞指令，车载控制模块2的数据传输单元202与无人机3的数据传输单元332通过无线链路建立连接，将所述起飞指令传输至无人机3的综合处理装置30，综合处理装置30读取该起飞指令后通过rs232串口将所述起飞指令发送给自动起降装置35中的微处理器（图中未示出）进行处理。

其中，微处理器接收起飞指令后，产生电机控制信号，控制并驱动电机350转动，电机350带动可伸缩的杆353以对向停机坪10上表面的方向从无人机支撑脚架底部伸出直至到达最长伸出位置处，克服无人机的支撑脚架底部与停机坪10上表面之间第一魔术贴7、第二魔术贴8之间的粘合力，将无人机顶离停机坪10。无人机脱离停机坪10自主起飞后，微处理器再次控制并驱动自动起降装置35中的电机350转动，带动可伸缩的杆353从最长伸出位置处以背向停机坪10上表面的方向缩回至无人机的支撑脚架内并在伴飞过程中保持缩回状态。

在无人机需要降落时，如图2所示，用户点击车载控制模块2的控制与显示装置21上的降落回收按键，生成降落回收指令，车载控制模块2的数据传输单元202与无人机3的数据传输单元332通过无线链路建立连接，将所述降落回收指令传输至无人机3的综合处理装置30，综合处理装置30读取该降落回收指令后启动智能导引装置34对无人机进行智能导引降落过程。

智能导引装置34引导无人机降落至停机坪10上的智能导引降落过程主要分为三个阶段：gps导引阶段和基于视觉的粗导引阶段和末端精细导引阶段。

在gps导引阶段，智能导引装置34根据无人机与停机坪10的相对位置，生成无人机控制回路指令，指引无人机飞行至停机坪10上空。

具体的，智能导引装置34从综合处理装置30获取停机坪10的gps位置和速度数据、停机坪10的gps位置和速度数据进行运算处理，生成无人机控制回路指令信号。其中，gps的位置和速度数据由无人机3中的gps装置（图中未示出）实时获取，并发送至综合处理装置30。智能导引装置34生成控制回路指令信号的运算式为：

；

其中，△p标识无人机的速度控制量，pc表示停机坪的gps位置，pd表示无人机的gps位置，增益系数k表示停机坪速度的线性函数，具体表示为：

；

其中，vc为停机坪的速度，k1和kc的参数值由无人机响应的快速性和稳定性确定。

在无人机飞行到达至停机坪10上空时，智能导引装置34通过rs232串口将无人机到位指令发送至云台装置32的中心处理单元，云台装置32的中心处理单元读取无人机到位指令，驱动控制器控制电机旋转，从而带动云台相机转动直至云台相机光轴指向停机坪10。

随后，在基于视觉的粗导引阶段，云台装置32自主跟踪停机坪10中心位置处的“h”型标识103，使得“h”型标识103保持在云台相机采集的图像的中心位置处；同时，智能导引装置34从综合处理装置30获取融合数据，其中融合数据包括前述所提到的三轴（偏航、横滚和俯仰）相对惯性空间的姿态角度和三轴视线角速度数据以及无人机距离停机坪10的高度数据。综合控制无人机在水平方向和竖直方向的飞行速度，使位于停机坪10正上方位置处的无人机能够在水平方向与停机坪10保持同步且在竖直方向垂向下降靠近停机坪10直至停机坪充满采集的图像视野。

云台装置32的图像检测与跟踪装置自主检测与识别云台相机采集的图像中停机坪10中心位置处的“h”型标识103并对其进行跟踪。

具体的，图像检测与跟踪装置获取云台相机实时采集的停机坪10及停机坪10周围场景的图像，检测出停机坪中心位置处的“h”型标识103在采集的图像中的位置，计算出“h”型标识103距离采集的图像中心位置的偏移量即像素个数，并将“h”型标识103在采集的图像中的位置和所述偏移量数据通过rs232串口发送给云台装置32的中心处理单元（图中未示出），如图5所述，中心处理单元将偏移量数据与其内部预设的图像偏移量数值进行比较得到图像偏移误差值。图像偏移误差值经pid控制器进行运算处理，输出速度环的预设值，速度环的预设值与云台装置的三轴角速度进行比较运算得到速度误差值，速度误差值再经pid控制器运算处理后，输出电流环的预设值，电流环的预设值与电机相电流进行比较运算得到电流环误差值，电流环误差值经云台装置的pid控制器运算生成控制信号，控制电机旋转，从而带动云台相机转动，直至在采集的图像内停机坪中心位置处的“h”型标识103距离采集的图像中心位置的偏移量为零。其中，云台装置32的控制器可采用工程常用的pid控制器或带校正网络的pid控制器，也可采用智能控制器。由于云台装置响应快，可保证停机坪中心位置处的“h”型标识103总是处于采集的图像中心位置处。

智能导引装置34从综合处理装置30获取云台装置32的三轴（偏航、横滚和俯仰）相对惯性空间的姿态角度和三轴视线角速度数据进行运算处理，生成横向飞行速度控制指令和纵向飞行速度控制指令，指引无人机继续飞行，使无人机保持在停机坪的正上方位置处。

具体的，智能导引装置从综合处理装置获取云台装置的三轴（偏航、横滚和俯仰）相对惯性空间的姿态角度和三轴视线角速度数据，其中，云台垂直下视的时候，云台的横滚变化对应飞机的横滚变化，飞机横滚姿态变化产生横向速度，云台的俯仰对应飞机的前后运动，故将云台装置的横滚轴相对惯性空间的姿态角度与0度值作为比较器输入，经比较器输出横滚姿态角度误差值，然后经过比例积分微分控制器pid的控制计算，形成无人机横向飞行速度控制指令,即控制无人机左右方向的飞行；将云台俯仰姿态角度与90度值作为比较器输入，经比较器输出俯仰姿态角度误差值，然后经过pid控制器的控制计算，形成无人机俯仰纵向飞行速度控制指令，即控制无人机前后方向的飞行。其中，云台装置32的三轴（偏航、横滚和俯仰）相对惯性空间的姿态角数据和三轴视线角速度数据是由惯性测量单元进行检测获得的，并通过内部接口发送至综合处理装置。智能导引装置34从综合处理装置30获取无人机相对停机坪10的高度数据进行运算处理，生成无人机垂向下降速度，控制无人机下降直至停在停机坪10上表面。在基于视觉的导引阶段中，无人机高度的下降控制是独立进行的。在无人机的支撑脚架展开时，无人机机体底部距离停机坪10高度为125cm，在检测到高度为125cm±5cm时，无人机着陆至停机坪10上表面。其中，垂向下降速度的控制表示式为：

其中，v表示无人机垂向下降速度，h表示无人机距离停机坪的高度。

在基于视觉的导引阶段中，无人机实时跟踪停机坪10中心点位置处的“十”字标识，并生成飞行控制指令，分别在水平方向和竖直方向控制无人机的速度，指引无人机飞行直至停机坪充满采集的图像中的整个视场。

当云台装置32的云台相机采集的图像中，停机坪10充满整个视野时，开始进入末端精细导引阶段。在末端精细导引阶段，图像跟踪转入跟踪停机坪10内“十”字标志104的跟踪，即由大目标跟踪转为小目标跟踪，即主要跟踪停机坪10的“十”字标志104。在末端精细导引阶段，除跟踪的目标由停机坪的“h”型标识变为“十”字标识外，其处理流程与上述基于视觉的粗导引阶段处理流程相同，此处不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。