[发明专利]一种舰面无线紫外光的无人机助降系统及其助降引导方法

权利要求书

1.一种舰面无线紫外光的无人机助降引导方法，其特征在于：采用一种舰面无线紫外光的无人机助降系统，包括信息处理中心，信息处理中心分别连接收发一体装置、环境传感器及状态传感器，收发一体装置分别安装在甲板允降区域边角和无人机底部；

信息处理中心包括微处理器模块；

收发一体装置包括信号发送机和信号接收机，信号发送机内部包含调制器、驱动电路以及紫外LED阵列光源；调制器采用PPM调制电路，调制器对输入的数字电信号进行调制得到窄脉冲信号，窄脉冲信号经过驱动电路的电流放大作用后通过紫外LED阵列光源发送到大气信道内，完成电/光转换的任务；

信号接收机内部包含光电转换模块、功率测量模块以及运算模块，信号接收机内光电转换模块的作用是将接收到的光信号转换成电信号，通过功率测量模块测出接收信号的光功率，将光功率输入运算模块内即可计算出该无人机与甲板上各个信号发送机的距离；

步骤1，助降准备；

在甲板允降区域的四个角落和每架无人机底部分别安装一个收发一体装置，在甲板上安装环境传感器和状态传感器各两个，并对紫外LED阵列光源进行调试和校准工作，检查信号发送机是否正常工作，为无人机降落做好准备；

步骤2，信息收集；

甲板上的信号接收机不断的探测是否有无人机发送的紫外光信号，环境传感器和状态传感器也实时将捕捉到的甲板数据发送给信息处理中心，当检测到紫外光信号时，信号接收机会对该信号进行分析得出无人机当前高度、速度、航向状态信息并发送给信息处理中心；

所述步骤2中信号接收机对接收到的紫外光信号进行分析的过程如下：

步骤A，信号接收机中的光电转化模块将接收到的紫外光信号转化成电信号，功率测量模块记录接收到的光信号所对应紫外LED阵列光源的俯仰角θ₁和θ₂；

步骤B，t时刻，在紫外光非直视条件，信号接收机内部的运算模块按公式(1)可以计算出无人机与甲板上四个信号发送机之间的距离r₁，r₂，r₃，r₄，由于无人机接收到甲板上四个信号发送机所发送光信号的功率P_r、俯仰角θ₁和θ₂信息的数值不同，所以r₁，r₂，r₃，r₄的值也有所差异；

公式(1)的推导过程如下：

紫外光直视链路功率在大气自由空间中呈指数衰减，大气衰减可表示为自由空间路径损耗和r²成反比信号接收机的接收增益为直视条件下紫外光通信的接收光功率，如式(2)所示：

式(2)中，r为直视条件下无人机与信号接收机的通信距离；P_t是发送功率；P_r是接收光功率；A_r是光电转化模块上接收孔径的面积；表示大气衰减；

无人机通过功率测量模块计算信号接收机非直视光功率，如式(3)所示：

式(3)中，r表示非直视情况下无人机与信号接收机的通信距离；

由非直视条件下紫外光接收光功率式(3)和lambertw函数，可得直视条件下无人机与信号接收机的通信距离r，如式(4)所示：

将式(3)代入式(4)中，得到直视情况下无人机与信号接收机的距离r，如式(1)所示：

式(1)中，lambertw函数是f(w)＝w*exp(w)的反函数，即w＝lambertw(f(w))，其中exp(w)是指数函数，w是任意复数；

式(2)、式(3)和式(4)中，P_t是发送功率；P_r是接收光功率；A_r是光电转换模块上接收孔径的面积；K_s为散射系数；P_s是散射相函数；φ₁是发射光束孔径角；φ₂是信号接收机的接收视场角；K_e为大气衰减系数，由散射系数K_s和大气吸收系数K_a组成K_e＝K_s+K_a；θ₁是信号发送机的仰角；θ₂是信号接收机的仰角；

式(1)中，所述P_t，A_r，K_e，P_s，φ₁，φ₂及K_s均为已知量，接收光功率P_r通过功率测量模块得出，θ₁、θ₂通过安装于功率测量模块测得，r₁，r₂，r₃，r₄通过将公式(1)导入运算模块进行计算；

步骤C，根据t时刻的下一个时刻t₁的测量结果计算出r₁′，r₂′，r₃′，r₄′；

步骤D，甲板上信号接收机内部的运算模块可以对两个连续时刻计算出的与无人机间距离进行分析得出无人机当前位置、速度、航向；

步骤3，生成导航指令：

环境传感器收集甲板周围风速、温度、大气压强和湍流信息，状态传感器收集甲板姿态和运动趋势信息，当无人机进入备降区域时，信息处理中心内部的微处理器模块会以信号接收机发送来的信息为主，并结合环境传感器、状态传感器捕捉到的甲板附近信息生成导航指令；

步骤4，降落阶段；

当无人机接收到由指挥中心通过信号发送机发送的引导指令时，会不断调整自身飞行状态直至满足降落状态要求，当满足要求时继续降落，不满足要求时无人机抬高高度重新降落，当无人机安全降落在甲板上预先设定的降落区域内并由工作人员回收后，降落工作完成；

所述步骤D的具体过程如下：

步骤a，以舰艇航向为前，甲板右前方的收发一体装置a为坐标原点，以正东方向为x轴，正南方向为y轴，正上方为z轴建立一个坐标系，则甲板上的四个收发一体装置a、b、c、d的坐标分别为a(x_a,y_a,z_a),b(x_b,y_b,z_b),c(x_c,y_c,z_c),d(x_d,y_d,z_d)；

步骤b，假设无人机的当前时刻坐标为A(x₁,y₁,z₁),它距甲板上四个收发一体装置的距离分别为r₁，r₂，r₃，r₄，则无人机的位置可由下列方程式计算：

其中，r₁，r₂，r₃，r₄为已知量，易求得无人机当前时刻的坐标；

设无人机下个时刻的坐标为B(x₂,y₂,z₂)，由于下个时刻的r₁′，r₂′，r₃′，r₄′已知，则分别将公式(5)～(8)中的A(x₁,y₁,z₁)替换为B(x₂,y₂,z₂)，同时将公式(5)～(8)中的r₁，r₂，r₃，r₄分别替换为r₁′，r₂′，r₃′，r₄′，即可求得无人机下个时刻的坐标B(x₂,y₂,z₂)；

步骤c，将连续两个时刻无人机的坐标代入公式(9)可算出无人机的速度：

连接两个相连时刻的始坐标与末坐标，即可测出无人机的航向。