[发明专利]一种基于三层品字形多色降落坪的旋翼无人机自主起降系统

权利要求书

1.一种基于三层品字形多色降落坪的旋翼无人机自主起降系统，其特征在于包括：小型旋翼无人机（1）、机载传感器（2）、机上数据处理单元（3）、飞行控制系统（4）、机载摄像头（5）、地面降落坪（6）、无线图像传输模块（7）、无线数据传输模块（8）和地面监控站（9）；机载传感器（2）、数据处理单元（3）、飞行控制系统（4）分别装载在无人机（1）上，地面监控站（9）由视觉处理单元（10）和显示终端（11）组成，其中： 

小型旋翼无人机（1）为机载传感器（2）、机上数据处理单元（3）及飞行控制系统（4）的载体，它是本自主起降系统的研究对象； 

机载传感器（2）主要由一些体积小、质量轻、满足微小型无人机载重要求的传感器组成，如惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（GPS）接收机、磁罗盘、气压高度计、超声等。IMU自主性强、短时间精度高，能连续的提供位置、速度及姿态信息，但是误差随时间积累；GPS信息具有全球、全天时、全天候的特点，但其更新频率低，易受障碍物遮挡；磁罗盘可以提供高精度的航向角信息，但容易受外界磁场影响；气压高度计在无下洗气流影响的情况下可以为无人机提供高度信息；超声在近地面区域之内可以给出无人机高度信息的精确测量，但超过测量范围后，超声信息不可用； 

机上数据处理单元（3）的硬件核心是DSP处理器，首先对 各传感器的量测信息进行野值剔除，坐标及单位统一等预处理，其次基于卡尔曼滤波等完成多个量测信息的融合，以给出高精度高可靠性的导航信息；在高度信息方面，本系统根据各种高度传感器的特性，基于自适应加权平均滤波模块，以提高高度测量的可靠性和准确性； 

飞行控制系统（4）根据无人机的导航信息及任务需求完成路径规划，基于自适应神经网络的方法完成高精度且稳定的降落控制； 

机载摄像头（5）固定在小型旋翼无人机（1）上，并且镜头垂直向下，无人机降落过程中，摄像头实时捕获地面降落坪（6）的图像，并通过无线图像传输模块（7）传输到地面监控站（9）； 

地面降落坪（6）作为旋翼无人机的视觉标志，由特殊设计的多层品字形多色图案组成，其鲜明的颜色及形状特征大大提高了地标识别的概率； 

无线图像传输模块（7）由图像发射端和接收端组成，均需12V直流供电，载波频率为1.2GHz，绕射能力较强，传输效果较好。发射端固定在旋翼无人机（1）上，接收端通过视频采集卡与地面监控站相连； 

无线数据传输模块（8）同样由数据发射端与数据接收端组成，均需5V直流供电，载波频率为900MHz，波特率为115200bps； 

地面监控站（9）主要完成监视与控制任务，它主要由视觉处理单元和显示终端组成。为了减轻机载负荷，本系统通过无线图 像传输模块（7）将机载摄像头（5）捕获的降落坪图像发送到地面监控站（9），并由地面监控站的视觉处理单元进行图像解算，得到视觉导航信息，再经过无线数据传输模块（8）发送到机载系统。同时，地面显示终端可以实时的显示SRUA的位置、姿态、速度等信息，以方便地面工作人员根据任务需求向无人机发送控制指令。 

2.根据权利要求1所述的一种基于三层品字形多色降落坪的旋翼无人机自主起降系统，其特征在于：所述的机上数据处理单元（3）在原有基于卡尔曼滤波的多种信息融合的基础上，针对本系统所采用的四种高度传感器的特性，设计了基于自适应加权平均的高度信息融合模块，不仅提高了高度测量的精度，还可在某一高度传感器信息不可靠的情况下自适应进行权值调节，保证了SRUA降落过程中的高度信息的可靠性。 

3.根据权利要求1所述的一种基于三层品字形多色降落坪的旋翼无人机自主起降系统，其特征在于：所述的地面降落坪（6）作为视觉标志，是综合考虑可实施性、易于与环境区分、方便视觉算法实现等而设计的。无人机多工作在灰度信息丰富的场所，为了防止周围环境引入噪声干扰，本系统中的视觉标志设计为特征鲜明的纯彩色；为了与可能存在的彩色信息进行区分，又将视觉标志设计为形状规则的品字形，以方便采用Hu不变矩对其进行二次识别；同时为了满足远近距离高精度视觉导航的需求，本文最终选用多层嵌套的品字形图案作为降落标志，远距离时，通过 提取外层大尺寸红色品字形特征信息进行视觉解算，近距离则提取内层小尺寸绿色品字形特征信息进行视觉解算。