一种集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法及系统与流程

本发明属于无人机集群表演，具体涉及一种集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法及系统。

背景技术：

1、无人机集群表演中，越来越多的无人机搭载激光模组，通过云台控制激光指向，在表演中投射光束以增强视觉效果。激光亮度和指向的一致性直接影响表演质量。

2、目前激光载荷通常在出厂时进行一次标定，此后即反复使用。实际运营中存在三个突出问题：第一，激光器输出功率随使用次数增加而衰减，不同无人机因使用频次不同，衰减程度差异明显；第二，运输颠簸和震动导致云台机械结构产生微小偏移，使激光实际指向偏离标定值；第三，云台在不同方位角下的机械特性不一致，出厂时在某一角度下做的标定，不能准确反映其他角度下的真实表现。

3、现有补偿手段主要包括出厂一次性标定和纯软件补偿。出厂标定无法反映运输后和使用后的真实状态。软件补偿依赖使用次数估算衰减曲线，没有实测数据支撑，精度有限。此外，如果使用单个光电传感器在地面测量光强，只能获取亮度信息，无法判断激光指向是否准确，光斑偏离传感器时光强也会下降，系统可能误判为功率不足而错误修正。因此，需要一种能够在表演前于现场快速完成、并能同时修正激光亮度和指向偏差的闭环校准方案。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对现有集群无人机激光载荷出厂一次性标定和纯软件补偿无法反映运输、使用后真实状态，以及单点光电传感器无法区分功率偏差和指向偏差的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，包括以下步骤：在集群机场中心铺设地面校准毯，所述地面校准毯设有二维光敏传感器阵列，并架设差分定位基准站和通信设备，建立地面站与所述地面校准毯、所述差分定位基准站以及集群无人机之间的通信链路；控制集群无人机起飞至设定高度，均匀分布于以所述地面校准毯中心的地面投影为圆心的圆形平面上，并将各无人机云台调至预设校准角度；所述预设校准角度大于正式表演所需最大云台角度且小于云台最大可转动角度；在第一方位下，各无人机保持位置并依次点亮激光器；所述二维光敏传感器阵列采集光斑图像，经第一通信链路上传至地面站；所述地面站根据所述光斑图像的光斑质心位置相对传感器几何中心的位置偏差计算指向误差，根据光斑有效区域的积分光强计算功率误差，并将所述指向误差换算为云台角度修正量、将所述功率误差换算为激光驱动参数修正量，经第二通信链路下发至当前无人机；当前无人机执行修正后重新发射激光，所述地面站重新计算，闭环迭代至光斑落入允许误差范围；完成第一方位校准后，控制圆形编队整体旋转至下一方位； 重复上述采集、计算、下发和闭环迭代过程，直至完成全部方位校准，得到多方位校准参数；将所述多方位校准参数存储至飞行控制器，形成多方位校准参数表；正式表演时根据云台方位角从所述多方位校准参数表中插值获取补偿参数，俯仰方向按固定偏置套用。

4、第二方面，本发明提供一种集群无人机激光载荷的天地闭环校准系统，包括地面校准毯、地面站、通信设备和无人机端；所述地面校准毯用于铺设在集群机场中心，包括二维光敏传感器阵列、窄带滤光片、mcu和wifi模块；所述窄带滤光片设置于所述二维光敏传感器阵列前方，用于过滤环境光；所述mcu用于读取所述二维光敏传感器阵列的光斑图像，并通过所述wifi模块上传；所述通信设备包括gnss差分链路、wifi数据上传链路和lora指令下发链路；所述无人机端搭载差分定位模块、激光模组、双轴云台和指令接收模块；所述地面站通过所述wifi数据上传链路接收所述光斑图像，根据所述光斑图像的光斑质心位置相对传感器几何中心的位置偏差计算指向误差，根据光斑有效区域的积分光强计算功率误差，并将所述指向误差换算为云台角度修正量、将所述功率误差换算为激光驱动参数修正量，通过所述lora指令下发链路下发至无人机端；所述无人机端执行修正后重新发射激光，闭环迭代至光斑落入允许误差范围；所述地面站还用于控制圆形编队整体旋转至下一方位，并重复上述测量、计算和闭环迭代，直至完成全部方位校准，形成多方位校准参数表；正式表演时根据云台方位角从所述多方位校准参数表中插值获取补偿参数，俯仰方向按固定偏置套用。

5、本发明的有益效果在于：通过二维光敏传感器阵列一次测量同时获得光斑质心位置和光斑有效区域积分光强，将云台指向偏差与激光器功率偏差分离，避免单点传感器因光斑偏离导致的光强下降被误判为功率不足；采用闭环反馈使光斑归中，校准结果不依赖无人机绝对定位精度，风扰漂移直接反映为光斑偏移并被闭环修正；通过多方位旋转校准形成参数表，以插值覆盖表演中的全部方位角，解决云台方位依赖性问题；窄带滤光片、逐帧背景扣除和参考led状态确认共同抑制环境光影响，保证现场校准可靠性；校准过程快速，可在表演前规定时间内完成。

1.一种集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，所述地面站根据所述光斑图像的光斑质心位置相对传感器几何中心的位置偏差计算指向误差，根据光斑有效区域的积分光强计算功率误差，包括：

3.根据权利要求2所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，在所述以所述净灰度峰值的一定比例作为阈值中，所述一定比例为所述净灰度峰值的10%至20%；

4.根据权利要求1所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，在所述控制集群无人机起飞至设定高度，均匀分布于以所述地面校准毯中心的地面投影为圆心的圆形平面上，并将各无人机云台调至预设校准角度之前，还包括：

5.根据权利要求1所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，在所述完成第一方位校准后，控制圆形编队整体旋转至下一方位中，采用4方位方案或8方位方案：4方位方案每次旋转90°，8方位方案每次旋转45°；在每一方位下，各无人机依次点亮激光器，当前无人机闭环迭代完成后再点亮下一架无人机。

6.根据权利要求1所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，在所述第一方位下，各无人机保持位置并依次点亮激光器时，若所述二维光敏传感器阵列未捕获到某一无人机发射激光所形成的光斑信号，则将该无人机标记为问题无人机，并执行以下处理：

7.根据权利要求1所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准方法，其特征在于，在所述建立地面站与所述地面校准毯、所述差分定位基准站以及集群无人机之间的通信链路中，所述通信链路包括gnss差分链路、wifi数据上传链路和lora指令下发链路；

8.一种集群无人机激光载荷的天地闭环校准系统，其特征在于，包括地面校准毯、地面站、通信设备和无人机端；

9.根据权利要求8所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准系统，其特征在于，所述地面校准毯还包括已知功率的参考led，所述参考led用于在每次校准前后测量传感器响应，以判断传感器是否处于热稳态及校准过程中是否发生异常；所述窄带滤光片的中心波长与激光波长匹配，半高宽为10nm至20nm。

10.根据权利要求8所述的集群无人机激光载荷的天地闭环校准系统，其特征在于，在所述地面站根据所述光斑图像的光斑质心位置相对传感器几何中心的位置偏差计算指向误差，根据光斑有效区域的积分光强计算功率误差中，所述地面站包括背景扣除单元、阈值分割单元、质心计算单元、光强计算单元和修正量换算单元；