基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统及方法；它包括：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；本发明专利技术的有益效果：依靠计算机视觉技术“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。

Ground guided unmanned aerial vehicle landing system and method based on LED dot matrix

The invention discloses a LED lattice based on ground guided UAV flight landing system and method; it includes: UAV and UAV landing station; the UAV landing station comprises a stage, the stage is installed above the three axis tilt, the three axis PTZ camera mounted on the camera. In the same three axis tilt control to maintain the lens upward direction, and the camera is connected with the ground computer; photo camera control the computer on the ground; the invention has the advantages that rely on the recognition algorithm of computer vision technology \color + shape\, using multi PID control technology, realizes the multi rotor all-weather cm level precision landing man-machine function.

【技术实现步骤摘要】
基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统及方法
本专利技术属于无人机控制
，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。
技术介绍
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MacOS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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，降落本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，其特征是，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；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。...

【技术特征摘要】
1.基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，其特征是，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；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。2.如权利要求1所述的基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，其特征是，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。3.如权利要求1所述的基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，其特征是，所述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。4.如权利要求1所述的基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，其特征是，所述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；所述固定台的中部设置固定桩；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。5.如权利要求4所述的基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落系统，其特征是，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。6.基于LED点阵的地面引导式无人机飞行降落方法，其特征是，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马思乐，王军峰，丁为杰，赵月，陈祥海，丁为飞，陈远方，马晓静，孙文旭，张佰顺，李金刚，王勇，
申请(专利权)人：山东大学，济南华奥控制系统有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37