一种多旋翼无人机自适应降落方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多旋翼无人机自适应降落方法及系统，无人机起飞后，通过地面控制站(如平板电脑、手机等控制设备)选择要降落的区域大致范围；收到降落指令后，开启降落模式，并等待降落动作；检测降落区域的着陆面是否适合无人机的降落，若是则进行降落并结束所述降落模式，否则改变所述无人机位姿并继续降落。本发明专利技术能够安全、可靠的实现无人机的自主降落，并且对地形复杂的情况能够自适应的安全降落。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多旋翼无人机自适应降落方法及系统。
技术介绍
目前，多旋翼无人机(Multi-Rotor Unmanned Aerial Vehicle)作为无人机种类中发展最为迅速、应用比较广泛的一种飞行器，利用其搭载的各种电子设备，可以实现影像拍摄传输、空中预警、自然灾害监测、电力线路巡检、农药喷洒等功能；还可以通过加装主动作业装置(如机械臂)组成作业型飞行机器人系统。多旋翼无人机具有成本低、结构简单、易于操控、高度灵活、起降无需跑道、悬停控制以及可超低空飞行等优点。然而，多旋翼无人机为了实现更多的功能，需要搭载多种设备，有些机载设备兼具收集发送重要信息的功能但造价昂贵，所以在优化飞行控制的同时，保障无人机的飞行安全是一个需要重点考虑的问题。而多旋翼无人机的自主降落过程又是整个飞行控制中最容易发生故障的阶段。目前，有关无人机降落的安全性主要依赖操作者的视线或结合无人机拍摄的视频图像来保证，但这种方式有一些缺点，比如：1、降落过程中，需要操作者根据地面实际情况不断调整无人机的位置和姿态，直到其平稳降落，整个过程可能操作时间较长，易导致操作者眼睛疲劳或其他不适反应。2、人工操作加大了降落风险，稍有不慎就可能碰撞到障碍物，甚至引起摔机、炸机等现象。尤其是，当在超出操作者视距外进行无人机降落或者降落环境比较复杂时，人工操作的危险系数将进一步增加。为了解决多旋翼无人机安全降落的问题，现有技术中从无人机的起落架设计、自主降落方法等角度分别提出了几个不同的解决方案，其中较为典型的技术方案有中国专利CN201510278927.6和CN201520533005.0。前一个专利CN201510278927.6提及的技术方案是：获取飞行器的飞行信息，并基于拍摄的图像数据检测出降落目标点的降落位置；根据获得的飞行信息和降落位置，预测出飞行器向降落目标点降落的飞行控制策略；最后根据预测出的飞行控制策略控制飞行器飞行，使其降落到所述降落位置。该方案在飞行器降落的全过程中可以按照预测的飞行控制策略实现比较精准的自主降落，且对降落位置的锁定减弱了飞行器在降落过程中的震荡，使得降落更平滑、快速。但是，该方案存在以下三个问题：第一，无人机需不断地获取飞行状态信息并通过与降落位置标志(比如“H”字母)进行图像匹配来找到指定的降落位置点，这样需要事先设置好一个的降落标志(通常是“H”字母)；第二，该方案没有给出降落状态和正常飞行状态协调配合的控制算法或方法，一旦出现电量不足或者发生空中碰撞等情况，需要紧急迫降而无法找到预定的降落位置点时无人机就无法降落，即使无人机检测到降落目标点，但在飞往降落目标点的过程中也可能因电量不足而随时出现坠机事故；第三，该方案没有提供一种用于安全降落的可靠装置，尤其是当需要迫降而地面环境是崎岖不平的情况时(如救灾现场、山区搜索等场合)，问题更突出。后一个专利CN201520533005.0给出的技术方案是：提供一种通过纯机械方式优化多旋翼无人机降落动作、修正异常降落状态、保护整机和内部数据安全、减少摔机炸机风险的碳管阻尼减震起落架，该起落架利用气体压缩产生的阻尼，能够吸收无人机降落时产生的瞬间冲击能量，降低振动对无人机的损坏。但该方案存在以下问题：无人机的起落架只适应地面平坦的降落区域，在复杂环境下(比如有棱角的崎岖降落区域)的效果有限。此外，该方案可能因气体泄漏而失去减震作用。除了上述两种典型的技术方案外，其他的针对无人机安全降落问题无非是改进无人机的起落架使之具有更好的缓冲作用，或者仅增加一些降落保护装置，这些方案在一定程度上增加了结构设计的复杂度，而且其适用范围受限。目前，对于多旋翼无人机正常降落和紧急情况迫降的情况，仍然没有一套安全、可靠、智能的降落方法或系统。本专利技术中用到的名词解释如下：多旋翼无人机：采用多个旋翼作为飞行动力源的无人驾驶飞行器，可垂直起降。自适应降落：指无人机收到降落指令或者启动降落模式后，在预定的一个或者多个降落区域中选择出最佳的降落区域及路线进行自主降落，并且能根据地面实际情况调整起落架的伸缩长度实现平稳降落。飞行信息：指无人机在飞行过程中飞行状态的各种参数信息，包括无人机的姿态、经纬度坐标、高度、速度和加速度以及视觉信息等。数据融合处理：又称信息融合处理，指的是利用计算机和信息技术对从若干个信息源或传感器中获得的数据和信息进行观测、分析及综合处理，以实现任务目标的信息处理过程。本专利技术中是对从多种传感器获得的数据进行处理，并为控制器或地面站提供平滑可靠的无人机姿态、位置、速度/加速度等信息。降落区域：无人机可进行降落的某个区域范围，是预先设定的或者非设定的区域。本专利技术中是指由地面控制站(操作员)从无人机空中拍摄的地面图像中选择一个或几个区域设定为降落的目标区域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种多旋翼无人机自适应降落方法及系统。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种多旋翼无人机自适应降落方法，包括以下步骤：1)无人机起飞后，通过地面控制站选择要降落区域的范围；2)收到降落指令后，开启降落模式，并等待降落；3)检测降落区域的着陆面是否适合无人机的降落，若是则进行降落并结束降落模式，否则改变无人机位姿并继续降落。步骤1)的具体实现过程包括：1)无人机飞至预定空中区域，通过机载航拍设备多角度拍摄机身正下方的图像；2)发送图像信息及无人机飞行信息给地面控制站，地面控制站分析图像并选取该图像中适合无人机降落的若干降落区域；3)地面控制站根据分析的结果及所选取的若干降落区域确定降落区域的范围并提取该区域范围内的图像特征信息，发送给无人机并以特征矢量的形式存储起来。在执行步骤2)之前，进行如下操作：检测无人机是否失控，若失控则直接启动紧急模式；否则，进一步判断当前主电源电量是否低于总电量的20％，若是，则直接启动紧急模式；否则，执行步骤2)。在执行步骤3)之前，进行如下操作：通过无人机提供的信息，计算得到当前位置到选定的若干降落区域的最近降落区域和路径。计算得到当前位置到选定的若干降落区域的最近降落区域和路径的具体方法为：若机身正下方的图像是无人机飞至多个所选的降落区域上方所拍摄的，即能够获得所选取降落区域的位置信息，则采用下述代价函数计算最近降落区域： f ( x , y , z ) = [ ( x - x i ′ ) 2 + ( y - y i ′ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，包括以下步骤：1)无人机起飞后，通过地面控制站选择要降落区域的范围；2)收到降落指令后，开启降落模式，并等待降落；3)检测降落区域的着陆面是否适合无人机的降落，若是则进行降落并结束降落模式，否则改变无人机位姿并继续降落。

【技术特征摘要】
1.一种多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，包括以下步骤：1)无人机起飞后，通过地面控制站选择要降落区域的范围；2)收到降落指令后，开启降落模式，并等待降落；3)检测降落区域的着陆面是否适合无人机的降落，若是则进行降落并结束降落模式，否则改变无人机位姿并继续降落。2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，步骤1)的具体实现过程包括：1)无人机飞至预定空中区域，通过机载航拍设备多角度拍摄机身正下方的图像；2)发送图像信息及无人机飞行信息给地面控制站，地面控制站分析图像并选取该图像中适合无人机降落的若干降落区域；3)地面控制站根据分析的结果及所选取的若干降落区域确定降落区域的范围并提取该区域范围内的图像特征信息，发送给无人机并以特征矢量的形式存储起来。3.根据权利要求1所述的多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，在执行步骤2)之前，进行如下操作：检测无人机是否失控，若失控则直接启动紧急模式；否则，进一步判断当前主电源电量是否低于总电量的20％，若是，则直接启动紧急模式；否则，执行步骤2)。4.根据权利要求2所述的多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，在执行步骤3)之前，进行如下操作：通过无人机提供的信息，计算得到当前位置到选定的若干降落区域的最近降落区域和路径。5.根据权利要求4所述的多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，计算得到当前位置到选定的若干降落区域的最近降落区域和路径的具体方法为：若机身正下方的图像是无人机飞至多个所选的降落区域上方所拍摄的，即能够获得所选取降落区域的位置信息，则采用下述代价函数计算最近降落区域： f ( x , y , z ) = [ ( x - x i ′ ) 2 + ( y - y i ′ ) 2 ] + α ( z - z i ′ ) 2 ; ]]>其中，(x,y,z)为无人机收到降落指令后的当前位置信息；(x′i,y′i,z′i)为降落区域的位置信息，i表示所选取的降落区域的个数，i＝1,2…n；α∈(0,1)为可调参数。6.根据权利要求4所述的多旋翼无人机自适应降落方法，其特征在于，计算得到当前位置到选定的若干降落区域的最近降落区域和路径的具体方法为：若机身正下方的图像不是无人机飞至多个所选的降落区域上方所拍摄的，即不知所选取降落区域的位置信息，则：1)对当前无人机拍摄的图像与事先存储的若干目标降落区域的图像进行匹配，获得同一目标的特征点像素坐标；2)采用下列公式计算出所匹配的图像特征点的地面坐标： ( m 1 t i - m 0 ) r 31 - f x r 11 ( m 1 t i - m 0 ) r 32 - f x r 12 ( m 1 t i - m 0 ) r 33 - f x r 13 ( n 1 t i - n 0 ) r 31 - f y r 21 ( n 1 t i - n 0 ) r 32 - f y r 22 ( n 1 t i - n 0 ) r 33 - f y r 23 ( m 2 t i - m 0 ) r 31 ′ - f x r 11 ′ ( m 2 t i - m 0 ) r 32 ′ - f x r 12 ′ ( m 2 t i ...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭冠政，刘西亚，陈佳庆，王汐，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43