车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统及导引控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统及导引控制方法，属 于遥控模型（无人）多旋翼直升机的自主飞行控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 多旋翼无人直升机是一种结构简单、易于操控、可垂直起降、悬停状态稳定的无人 飞行器。多旋翼无人直升机根据支臂数不同大致可以分为：三轴、四轴、六轴及八轴，除三轴 结构以外，其他结构每个支臂可以采用单层旋翼布局或双层旋翼布局。多旋翼飞行器不同 的支臂数和旋翼数量，可以实现不同的负载能力。多旋翼无人直升机有极高的可控性、机动 性和稳定性，并且具有低噪声、无污染、携带方便、安全危害性小等特点，非常适合于执行中 短距离的飞行任务。其在军事和民用领域均具有广阔的应用前景，如侦察监视、通信中继、 搜索救援、目标跟踪、电力检修、航拍成像等。
[0003] 目前多旋翼无人直升机的自主着陆方式大多采用定点着陆的方式。这导致多旋翼 无人直升机只能在地面或者固定不可移动的物体上进行降落，从而大大限制了多旋翼无人 直升机的回收方式和应用范围。
[0004] 因此，实现多旋翼无人直升机在移动目标上着陆的技术是迫切需要的。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系 统及导引控制方法，用于解决多旋翼无人直升机在移动目标汽车上自主着陆的工程问题。
[0006] 技术方案：一种车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统，包括车载导引子系统 和机载控制子系统；
[0007] 所述车载导引子系统包括两套视觉处理系统、导航计算机、第一无线数传模块；其 中，所述每套视觉处理系统包括摄像头、两轴云台、两台步进电机驱动器以及数据处理芯 片；在每套视觉处理系统中，摄像头安装在两轴云台上，并连接导航计算机；两轴云台的两 个电机分别连接一台步进电机驱动器；所述数据处理芯片连接导航计算机，同时连接两台 步进电机驱动器；所述两套视觉处理系统分别安装在车辆上降落目标区域的两侧；
[0008] 所述机载控制子系统包括多旋翼飞行平台、飞行控制器、第二无线数传模块；其 中，所述飞行控制器包括飞行控制计算机，以及连接所述飞行控制计算机的传感器模块；所 述的传感器模块包括超声波高度计、六轴姿态传感器以及电子罗盘；所述多旋翼飞行平台 包括对称的机架和执行机构，所述执行机构的控制端连接飞行控制计算机；所述第二无线 数传模块连接飞行控制计算机，并能够通过无线链路连接第一无线数传模块。
[0009] 车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统的导引控制方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤（1)，车载导引子系统的两个摄像头不断地将实时拍摄的图像传输给车载导 引子系统的导航计算机，导航计算机对图像进行识别处理，当粘贴有识别标志图像的多旋 翼无人直升机进入摄像头视野后，导航计算机即识别到多旋翼无人直升机；
[0011] 步骤（2)，所述导航计算机基于双目立体视觉技术计算得到多旋翼无人直升机与 每个摄像头的相对位置关系，然后不断调整两个两轴云台的转角，使得多旋翼无人直升机 总是位于每个摄像头视野的中心；
[0012] 步骤（3)，在多旋翼无人直升机总是位于摄像头视野的中心的前提下，导航计算机 根据视觉处理系统得到的每个两轴云台两台电机的旋转次数计数值，计算出多旋翼无人直 升机相对于基准摄像机的相对位置（ X(l，％，Ztl)，具体为：
[0013] 设其中一套视觉处理系统中的摄像头为原点0,另一套视觉处理系统中的摄像头 为点O1，以叫为X轴，竖直向上为y轴建立右手直角坐标系，若原点0处摄像头的云台偏航 角为a i、俯仰角为β i，点O1处摄像头的云台偏航角为α 2、俯仰角为β 2,〇〇1= s，则得到：
[0014]
【主权项】
1. 一种车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统，其特征在于：包括车载导引子系统 和机载控制子系统； 所述车载导引子系统包括两套视觉处理系统、导航计算机、第一无线数传模块；其中， 所述每套视觉处理系统包括摄像头、两轴云台、两台步进电机驱动器以及数据处理芯片；在 每套视觉处理系统中，摄像头安装在两轴云台上，并连接导航计算机；两轴云台的两个电机 分别连接一台步进电机驱动器；所述数据处理芯片连接导航计算机，同时连接两台步进电 机驱动器；所述两套视觉处理系统分别安装在车辆上降落目标区域的两侧； 所述机载控制子系统包括多旋翼飞行平台、飞行控制器、第二无线数传模块；其中，所 述飞行控制器包括飞行控制计算机，以及连接所述飞行控制计算机的传感器模块；所述的 传感器模块包括超声波高度计、六轴姿态传感器以及电子罗盘；所述多旋翼飞行平台包括 对称的机架和执行机构，所述执行机构的控制端连接飞行控制计算机；所述第二无线数传 模块连接飞行控制计算机，并能够通过无线链路连接第一无线数传模块。
2. 如权利要求1所述车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统的导引控制方法，其特 征在于，包括如下步骤： 步骤（1)，车载导引子系统的两个摄像头不断地将实时拍摄的图像传输给车载导引子 系统的导航计算机，导航计算机对图像进行识别处理，当粘贴有识别标志图像的多旋翼无 人直升机进入摄像头视野后，导航计算机即识别到多旋翼无人直升机； 步骤（2)，所述导航计算机基于双目立体视觉技术计算得到多旋翼无人直升机与每个 摄像头的相对位置关系，然后不断调整两个两轴云台的转角，使得多旋翼无人直升机总是 位于每个摄像头视野的中心； 步骤（3)，在多旋翼无人直升机总是位于摄像头视野的中心的前提下，导航计算机根据 视觉处理系统得到的每个两轴云台两台电机的旋转次数计数值，计算出多旋翼无人直升机 相对于基准摄像机的相对位置（χ〇, y。，Ztl)，具体为： 设其中一套视觉处理系统中的摄像头为原点0,另一套视觉处理系统中的摄像头为点 O1，以OO1S X轴，竖直向上为y轴建立右手直角坐标系，若原点0处摄像头的云台偏航角为 a i、俯仰角为β ,，点O1处摄像头的云台偏航角为α 9、俯仰角为β 2, OO1= s，则得到：
根据所述位置信息（χ〇, y。，Ztl)得到无人机相对车辆着陆点的位置信息（X，y， z):
然后将所述位置信息（X，y，Z)通过无线传输设备发送给无人机的机载控制子系统； 步骤（4)，多旋翼无人直升机的机载控制子系统接收到所述无人机相对车辆着陆点的 位置信息（x，y，z)后，通过飞行控制计算机控制多旋翼无人直升机降落在车辆上的目标区 域，包括如下步骤： (41) ，多旋翼无人直升机的传感器模块实时采集超声波高度计、六轴姿态传感器以及 电子罗盘的检测数据，飞行控制计算机解算得到多旋翼无人直升机的高度数据、姿态数据， 并根据所述位置信息（X，y，z)的实时数据解算得到多旋翼无人直升机相对车辆的速度数 据； (42) ，将所述高度数据、姿态数据、相对位置数据以及相对车辆的速度数据与期望数据 进行比较，得到误差数据； (43) ，根据所述误差数据和无人机控制律计算出执行机构的控制量，并发送到多旋翼 无人直升机的执行机构；所述无人机控制律包括姿态控制律、高度控制律、水平方向控制 律；其中，所述姿态控制律包括俯仰角控制率、滚转角控制率、偏航角控制率； 所述高度控制律为： - Kik Δζ + K1ik z +K； z+ K： I ζ + Κ：； 其中，Δζ是高度误差数据，i是高度方向速度，f是高度方向加速度，Λ δ。为高度通道 控制量，^表示对f的求导^T和#是控制参数； 多旋翼无人直升机水平X方向着陆控制是以水平X方向的跟踪控制律为外回路，所述 俯仰角控制率为内回路；其中，所述水平X方向的跟踪控制律为：
多旋翼无人直升机水平y方向着陆控制是以水平y方向的跟踪控制律为外回路，所述 滚转角控制率为内回路；其中，所述水平y方向的跟踪控制律为：
其中，Λ δ 0、Λ δ φ分别为X、y方向控制量，i、j〈分别为X、y方向相对车辆的速率 数据，ΛΧ、ΛΧ'为X轴方向的位置误差和误差变化律，Ay、Ay'为y轴方向的位置误差 和误差变化律，夂 A、&、^和^是X轴方向的控制参数，\\^和&是y轴方 向的控制参数，e为设定的固定误差值。
【专利摘要】本发明公开了一种车载多旋翼无人直升机着陆导引控制系统及导引控制方法，控制系统包括车载导引子系统和机载控制子系统，车载导引子系统主要包括两套视觉处理系统和导航计算机。基于该导引控制系统，采用双目视觉的导引方法，通过对两套视觉处理系统的数据解算，实现对多旋翼无人直升机的精确定位，通过飞行控制计算机控制多旋翼无人直升机降落在车辆上的目标位置，提高了多旋翼无人直升机的实用性和应用范围。
【IPC分类】G05D1-10
【公开号】CN104656664
【申请号】CN201510083934
【发明人】孙一力, 甄子洋, 王硕, 王新华, 李康伟, 李晨辉
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月16日