空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法，解决了无人机导航信号易受干扰，回收时损耗大的问题。系统的飞行控制子系统以相机和激光雷达的信息为输入，导航无人机到达平台下方，回收装置两机械臂末端合拢，夹住无人机顶端的伸缩杆，实现无人机回收。方法有设计空中飞行平台自动化无人机回收系统；系统初始化；回收中无人机自主导航；无人机在平台下进行定位和位置校准；回收装置抓取无人机。本发明专利技术在导航期间以视觉信息和激光雷达为输入，根据无人机与平台间距离选择不同的模式，减小了信号干扰。嵌有压力传感器的抓手设计，减小了回收时的损耗。应用于无人机空中回收。收。收。

【技术实现步骤摘要】
空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法


[0001]本专利技术属于无人机
，特别是涉及空中无人机的自动化回收，具体是空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法，可用于降低无人机回收时收到的干扰和减轻无人机在空中回收时的损耗。

技术介绍

[0002]传统的卫星导航方式具有局部信号弱、容易受到干扰等局限，在无人机的战时回收中可靠性较弱。而无人机视觉导航利用计算机视觉的相关技术对相机获取的图像信息进行处理，结合无人机其他传感器获取的数据可以计算得到无人机当前位置等信息，在不依赖于GPS的情况下即可完成无人机自主导航。
[0003]目前常见的无人机回收技术主要有常规跑道回收、伞降回收、撞网回收和天钩回收等。常规跑道回收是模仿有人舰载机回收过程，利用大型舰船或者航空母舰甲板上的跑道进行回收的。此种回收方式要求根据无人机的性能设计合理的着舰轨迹线,要求无人机具有良好的轨迹跟踪能力,要求无人机具有较强的抗干扰能力。目前来看，此项回收技术仅仅只有美国掌握，用于“X
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47B”无人机的回收。伞降回收是通过无人机带着降落伞在指定降落区域和合适的高度实行开伞来实现减速缓冲的回收方式，英国的“Phocnix”无人机、美国的“Hunter"无人机都采用此种方式回收。但是开伞之后，无人机完全处于无控状态，降落位置完全由降落伞系统控制，极易受到风的影响，由此也会带来不确定的回收误差。撞网回收是通过无人机引导系统，将无人机引导至拦阻网实现拦阻减速回收的回收方式，美国的“杀人蜂”、“银狐”“苍鹰”等无人机均已成功使用撞网回收技术进行过回收，但是撞网回收极易损坏无人机。天钩回收技术是在撞网回收技术的基础上发展起来的。天钩回收系统通常主要由捕获装置、吸能缓冲装置和导引装置组成。导引装置将无人机引导至捕获装置附近，当无人机机翼撞到回收绳后，回收绳沿着机翼滑行至翼尖，翼尖小钩勾住并锁定回收绳，此时发动机停车，之后无人机会绕回收绳做回旋减速运动，当摆动幅度降低到一定程度后人工取下完成回收。目前通过天钩回收技术实现无人机舰上回收的有美国的“扫描鹰”无人机、“整合者”(RQ
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21)无人机等。天钩回收技术对于导航、控制系统和回收装置均有着很高的要求。
[0004]目前已有的无人机回收技术，往往依赖卫星导航技术或惯性导航系统或跑道或降落伞，均难以实现自主导航回收，并且对无人机或者回收装置有着很高的要求，否则会对无人机造成损耗。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种回收时对无人机损伤小，导航时不易受干扰的空中飞行平台自动化无人机回收系统和方法，以快速高效地在空中回收无人机。
[0006]本专利技术是一种空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回
收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；其特征在于，无人机两侧机翼的对称中心处垂直向上安装有伸缩杆，伸缩杆顶端设有定位卡扣；所述回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收。
[0007]本专利技术还是一种空中飞行平台自动化无人机回收方法，在权利要求1
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4所述的空中飞行平台自动化无人机回收系统上实现，其特征在于，通过无人机自主导航和回收装置回收相结合的方式实现自动化无人机回收，包括有如下步骤：
[0008](1)设计空中飞行平台自动化无人机回收系统：空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；自动化无人机回收系统中的无人机两侧机翼的对称中心处垂直向上安装有伸缩杆；回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，回收装置通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收；
[0009](2)空中飞行平台自动化无人机回收系统初始化：在无人机起飞前设定无人机回收时自主导航的目标点；设定无人机导航模式从远端模式切换到近端模式所需的阈值1；设定无人机导航模式从近端模式切换到中距离导航所需的激光雷达检测范围；空中飞行平台建立无线通信网络；无人机在完成任务或任一不属于空中飞行平台自动化无人机回收系统的探测器出现故障后，进行无人机回收，进入回收过程中的无人机自主导航；
[0010](3)回收过程中的无人机自主导航：无人机通过自主导航到达空中飞行平台下方预定位置，回收过程中自主导航根据无人机与空中飞行平台之间的距离分为远距离导航、中距离导航和平台下定位和校准；其中的远距离导航分为远端模式和近端模式，其中远端模式为单目估距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，近端模式为双目测距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，通过远距离导航到达激光雷达检测范围，进入中距离导航；中距离导航完成后，无人机到达空中飞行平台下方的导航目标点，进入平台下定位和校准；
[0011](4)在空中飞行平台下进行定位和位置校准：无人机进入平台下方后，无人机通过伸缩杆顶端的相机获取靶标的图像信息，计算无人机相对靶标的位置信息，根据该定位信息进行无人机位置校准，在空中飞行平台下进行定位和位置校准，校准完成后发送校准完成指令编码给空中飞行平台；
[0012](5)回收装置抓取无人机：回收装置收到校准完成指令编码后，通过控制液压缸，
使柱塞向内收缩，驱动两侧活动臂向中间靠拢夹住无人机顶部的伸缩杆；当两侧活动臂抓手结构内的压力传感器均响应时，停止控制液压缸，飞行平台向无人机发送停止飞行指令编码；无人机收到停止飞行指令编码后关闭旋翼，停止飞行；将无人机转送至空中飞行平台内部，完成无人机的回收。
[0013]本专利技术解决了无人机导航时易受干扰和空中回收时无人机损耗大的问题。
[0014]与现有技术对比，本专利技术的技术优势是：
[0015]导航抗干扰能力强：传统的无人机导航方式依赖卫星定位，容易受到电磁干扰和信号欺骗，本专利技术提出的空中飞行平台自动化无人机回收方法中的无人机自主导航在远距离导航阶段采用视觉定位，无需信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；其特征在于，无人机两侧机翼的对称中心处垂直向上安装有伸缩杆，伸缩杆顶端设有定位卡扣；所述回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，回收装置通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收。2.根据权利要求1所述的空中飞行平台自动化无人机回收系统，无人机飞行控制子系统，包括定位模块、飞行控制模块、无线通信模块，其特征在于，所述定位模块包括有根据无人机与空中飞行平台之间的距离远近划分的远距离定位模块、中距离定位模块和平台下定位与校准模块，根据无人机与空中飞行平台间的距离不同，选择使用不同的定位模块计算回收过程中无人机的实时位置信息；所述远距离定位模块，用于在无人机距离空中飞行平台远距离时即超出激光雷达的检测范围获取无人机的位置信息，以安装在无人机左右两侧机翼上的相机获取的视觉信息为输入；包括单目估距子模块、双目测距子模块、目标检测子模块；在无人机导航模式的远端模式时选择单目估距子模块和目标检测子模块的组合，在无人机导航模式的近端模式时选择双目测距子模块和目标检测子模块的组合；计算回收过程中无人机的远距离位置信息，并将其传输给飞行控制模块；所述中距离定位模块，用于在无人机处于激光雷达的检测范围内时获取无人机的位置信息；在无人机导航模式的中距离模式时，以激光雷达实时获取的环境信息为输入，使用雷达目标检测算法计算无人机的中距离位置信息，并通过无线通信模块将该中距离位置信息传输给飞行控制模块；所述平台下定位与校准模块，用于在无人机处于空中飞行平台下方时获取无人机的位置信息；在无人机进行平台下定位和校准时，以安装在伸缩杆顶端的相机获取的靶标图像信息为输入，使用靶标检测算法将其转化为无人机到靶标的实时位置信息并传输给飞行控制模块。3.根据权利要求1所述的空中飞行平台自动化无人机回收系统，其特征在于，所述定位靶标图像由三个半径不同的相离的圆环组成。4.根据权利要求1所述的空中飞行平台自动化无人机回收系统，所述回收装置内部的液压缸外壳分为上下两部分，外壳上部分为方形，外壳下部分为倒U形；柱塞处于液压缸下方；短臂一端与柱塞活动铆接，短臂另一端与长臂一端活动铆接，长臂中部的连接点与液压缸外壳倒U形下端活动铆接，该连接点的具体连接位置应根据短臂与长臂的长度而定，使通过柱塞的驱动能保证两个活动臂的抓手结构实现收口；两个活动臂相对于柱塞轴中心对称安装。5.一种空中飞行平台自动化无人机回收方法，在权利要求1
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4所述的空中飞行平台自动化无人机回收系统上实现，其特征在于，通过无人机自主导航和回收装置回收相结合的
方式实现自动化无人机回收，包括有如下步骤：(1)设计空中飞行平台自动化无人机回收系统：空中飞行平台自动化无人机回收系统，包括有空中飞行平台和被回收的无人机，空中飞行平台下方安装有回收装置，激光雷达安装在空中飞行平台上，无人机上安装有飞行控制子系统和相机；自动化无人机回收系统中的无人机两侧机翼间的中点处垂直向上安装有伸缩杆；回收装置是由带有柱塞的液压缸和两个对称结构的活动臂组成的抓取装置，通过液压缸外壳上部与空中飞行平台连接，活动臂的短臂和长臂配合进行抓取，长臂抓取端安装有抓手结构，抓手结构为扇形结构，在扇形内侧装有压力传感器，总体形成一个有收口的抓取装置；柱塞的下端端面部贴有定位靶标图像；所述相机分别安装在无人机两侧机翼和伸缩杆顶端；飞行控制子系统以多个相机和激光雷达的信息为输入，控制无人机到达空中飞行平台的回收装置下方的预定位置，通过液压缸控制柱塞驱动活动臂抓取伸缩杆，实现无人机回收；(2)空中飞行平台自动化无人机回收系统初始化：在无人机起飞前设定无人机回收时自主导航的目标点；设定无人机导航模式从远端模式切换到近端模式所需的阈值1；设定无人机导航模式从近端模式切换到中距离导航所需的激光雷达检测范围；空中飞行平台建立无线通信网络；无人机在完成任务或任一不属于空中飞行平台自动化无人机回收系统的探测器出现故障后，进行无人机回收，进入回收过程中的无人机自主导航；(3)回收过程中的无人机自主导航：无人机通过自主导航到达空中飞行平台下方预定位置，回收过程中自主导航根据无人机与空中飞行平台之间的距离分为远距离导航、中距离导航和平台下定位和校准；其中的远距离导航分为远端模式和近端模式，其中远端模式为单目估距子模块、目标检测子模块和飞行控制模块的组合，近端模式为双目...

【专利技术属性】
技术研发人员：李甫，付博勋，冯柏沄，王冲，晁伟兵，尚旭东，钱若浩，李旭超，张鹏博，冀有硕，李阳，石光明，张利剑，陈远方，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
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