一种无人机室外移动平台自主降落方法和系统与流程

1.本发明涉及无人机自主降落技术领域，具体而言涉及一种基于uwb定位和磁定位的无人机室外移动平台自主降落方法和系统。


背景技术：

2.随着科技进步，无人机越来越受到关注，由于其机动性强，在国防、农业、救援等诸多领域内得到广泛应用。高精度定位导航信息对提高无人机自主化、智能化具有重要意义。
3.一般情况下，无人机定位导航技术使用的是gps和基于视觉的导航方法。以上两种方法都存在各自的局限性，无法保证无人机的安全，gps是一种全球全天候定位导航方法，使用方便，但民用gps精度仅有10m，信号受环境影响较大，如天气、隧道等。视觉导航成本相对较低，但其定位范围小，且对目标的外形纹理，环境的光照条件等有一定要求。
4.此外，在中国专利202010044742.x“无人机多级接收式无线充电系统、无人机停机引导方法”中还存在利用多个无线充电线圈的不同线圈间的充电电压大小关系，来进行降落位置的判断。但是其缺陷是无人机启停台所用直流电源无法直接用于无线充电与引导无人机定位，需要额外增加复杂的高频逆变电路。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种无人机室外移动平台自主降落方法和系统，降落精度高，克服了gps和视觉定位导航技术的局限性，不受天气，外界光照条件的影响，在gps拒止、无光照的条件下，无人机均可精准降落。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提出了一种无人机室外移动平台自主降落方法，所述自主降落方法包括以下步骤：
8.s1，在室外降落平台的四角分布设置四个uwb基站，以室外降落平台上的降落目标点为圆心放置一圆形通电线圈，以降落目标点正上方的预设高度位置h为坐标系原点；
9.s2，在无人机支架底部安装n个霍尔传感器，n个霍尔传感器关于无人机中心点对称放置，无人机中心点与降落目标点相对应；n大于等于4；
10.s3，结合4个uwb基站，以坐标系原点为目标，引导无人机飞行；
11.s4，对n个霍尔传感器的输出电压进行检测，如果至少一个霍尔传感器的输出电压达到预定电压阈值，进入步骤s5，否则，返回步骤s3；
12.s5，对输出电压大于预定电压阈值的霍尔传感器数量进行统计，如果统计得到的霍尔传感器数量达到n，则切换至磁定位模式，通过霍尔传感器的输出电压计算得到无人机的实际位置信息，将无人机引导至降落目标点正上方后再使之垂直降落至室外降落平台；如果统计得到的霍尔传感器数量大于m但小于n，引导无人机垂直下降高度δh，返回步骤s4；否则，返回步骤s3；所述m的取值范围为2
‑
7，与预设高度位置h相关。
13.进一步地，步骤s3中，结合4个uwb基站，以坐标系原点为目标，引导无人机飞行的
过程包括：
14.采用tof算法测量位于无人机上的定位标签与各uwb基站之间的距离，采用最小二乘法解算得到无人机的位置坐标；
15.计算坐标系原点和无人机的位置之间的位置偏差，引导无人机飞行，以减小位置偏差。
16.进一步地，所述预设高度位置h为0.4m。
17.进一步地，在无人机支架底部安装8个霍尔传感器，两两分布在无人机的四个机翼上，且相对机翼上的霍尔传感器关于无人机中心点对称放置。
18.进一步地，步骤s5中，所述通过霍尔传感器的输出电压计算得到无人机的实际位置信息的过程包括以下步骤：
19.s51，根据下述公式计算得到第i个霍尔传感器的输出电压u
ih
：
[0020][0021][0022]
式中，r
ih
为第i个霍尔传感器的霍尔常数，k
h
为霍尔元件灵敏度，i为偏置电流，b
i
为霍尔传感器所处位置的磁感应强度，i为源电流，idθ是环形电流的微元，为电流元指向第i个霍尔传感器位置点的单位向量，r
i
为电流元指向第i个霍尔传感器位置点的的矢量，μ0为真空磁导率，μ0＝4π
×
10
‑7h/m；r为圆形线圈半径；d为霍尔传感器的半导体材料厚度，i＝1,2,
…
,n；
[0023]
s52，合并得到：
[0024][0025]
对合并公式进行求解，得到r
i
的模值，即从极坐标原点指向霍尔传感器i所处位置的向量长度；
[0026]
已知4个安装在无人机上的霍尔传感器与无人机机架中心的相对位置(x
i
,y
i
,z
i
)，设z轴方向的坐标值z
i
＝0，联立求解以下方程组：
[0027][0028]
根据以上四个方程可以得到无人机与降落目标点的相对位置(x
h
,y
h
,z
h
)，舍去z轴方向坐标值，得到直角坐标系下的无人机在水平方向上与降落目标点的相对位置(x
h
,y
h
)。
[0029]
第二方面，本发明实施例提出了一种无人机室外移动平台自主降落系统，所述自主降落系统包括：
[0030]
室外降落平台；
[0031]
分布设置在室外降落平台的四角的四个uwb基站；
[0032]
在无人机中心点安装的uwb标签；
[0033]
以室外降落平台上的降落目标点为圆心放置的圆形通电线圈；
[0034]
在无人机支架底部安装的n个霍尔传感器，n个霍尔传感器关于无人机中心点对称放置，无人机中心点与降落目标点相对应，n大于等于4；
[0035]
uwb定位系统，用于以降落目标点正上方的预设高度位置h为坐标系原点，根据无人机发送的降落请求，结合4个uwb基站，以坐标系原点为目标，引导无人机飞行；
[0036]
磁定位系统，用于通过霍尔传感器的输出电压计算得到无人机的实际位置信息，将无人机引导至降落目标点正上方后再使之垂直降落至室外降落平台；
[0037]
定位方式切换模块，用于实时统计输出电压大于预定电压阈值的霍尔传感器数量，如果统计得到的霍尔传感器数量达到n，则切换至磁定位模式，以室外降落平台为目标，采用磁定位系统继续引导无人机降落，否则，则根据统计结果引导无人机垂直下降高度δh或者继续以坐标系原点为目标，引导无人机飞行。
[0038]
本发明的有益效果是：
[0039]
1、克服了gps和视觉定位导航技术的局限性，不受天气，外界光照条件的影响，在gps拒止、无光照的条件下，无人机可精准降落。
[0040]
2、无人机使用本发明降落的精度比仅使用uwb定位进行降落的精度更高。
[0041]
3、本发明的无人机降落平台只需向环形线圈提供稳定的直流电源，无需在额外的复杂高频逆变电路。
附图说明
[0042]
图1是本发明实施例的无人机室外移动平台自主降落方法流程图。
[0043]
图2为本发明实施例的室外降落平台uwb基站的布置及通电线圈的布置示意图。
[0044]
图3为本发明实施例的无人机机架8个霍尔传感器的布置示意图。
[0045]
图4为本发明实施例的无人机定位方法切换流程图。
具体实施方式
[0046]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0048]
图1是本发明实施例的无人机室外移动平台自主降落方法流程图。参见图1，该自主降落方法包括以下步骤：
[0049]
s1，在室外降落平台的四角分布设置四个uwb基站，以室外降落平台上的降落目标点为圆心放置一圆形通电线圈，以降落目标点正上方的预设高度位置h为坐标系原点。
[0050]
s2，在无人机支架底部安装n个霍尔传感器，n个霍尔传感器关于无人机中心点对称放置，无人机中心点与降落目标点相对应；n大于等于4。
[0051]
s3，结合4个uwb基站，以坐标系原点为目标，引导无人机飞行。
[0052]
s4，对n个霍尔传感器的输出电压进行检测，如果至少一个霍尔传感器的输出电压达到预定电压阈值，进入步骤s5，否则，返回步骤s3。
[0053]
s5，对输出电压大于预定电压阈值的霍尔传感器数量进行统计，如果统计得到的霍尔传感器数量达到n，则切换至磁定位模式，通过霍尔传感器的输出电压计算得到无人机的实际位置信息，将无人机引导至降落目标点正上方后再使之垂直降落至室外降落平台；如果统计得到的霍尔传感器数量大于m但小于n，引导无人机垂直下降高度δh，返回步骤s4；否则，返回步骤s3。
[0054]
如图2所示，在室外降落平台上布置uwb四个基站(基站0、基站1、基站2和基站3)，以室外降落平台上的降落目标点为圆心放置半径为0.3m的圆形通电线圈。如图3所示，在无人机支架底部安装8个霍尔传感器(霍尔传感器1～8)。霍尔传感器1和霍尔传感器5关于图中半径为0.3m的虚线圆的圆心对称放置。同样地，霍尔传感器3和霍尔传感器7、霍尔传感器2和霍尔传感器6、霍尔传感器4和霍尔传感器8也是关于图中半径为0.3m的虚线圆的圆心对称放置。
[0055]
本实施例的自主降落方法分为两步进行，第一步，采用uwb定位引导，第二步，采用磁引导定位，从而实现高精度、可控距离远的定位方式。本实施例的重点在于如何实现两种定位方式的平稳衔接和有效融合。
[0056]
步骤一：首先使用uwb定位系统引导无人机飞行至位于室外降落平台的降落目标点的上方0.4m的位置，即uwb定位系统的坐标系的原点附近。此时由uwb定位系统得到的无人机位置坐标存在误差，无法精准降落于室外降落平台上的降落目标点。
[0057]
本实施例中的uwb定位系统的坐标系是以降落目标点正上方0.4m位置为坐标系原点，采用tof算法测量位于无人机上的定位标签与各基站之间的距离，采用最小二乘法解算得到无人机的位置坐标。
[0058]
步骤二：根据无人机与降落目标点的距离，切换至磁定位的方式，引导无人机降落至降落目标点。无人机在使用uwb定位方式切换至磁定位时，存在一个过渡地带。为保证定位信息的连续性和过渡的平滑性，采用如图4所示的基于霍尔输出电压阈值的定位算法。当无人机飞行至降落目标点上方，检测到存在霍尔传感器输出电压大于预定电压阈值，如存在则判断输出电压大于预定阈值的霍尔传感器个数number是否等于8，如不存在，则根据uwb定位信息判断是否到达目标点上方来决定是否下降高度提高霍尔传感器输出电压。如果number不等于8，但已经能够确认无人机处于降落点正上方附近，则同样下降高度提高霍尔传感器输出电压，直至满足number等于8；如果number等于8，则切换定位方式为磁定位，接收磁定位信息，同时不断判断number是否等8，如不满足，则返回接收uwb定位信息继续执行流程。
[0059]
应当理解，虽然理论上，在每个机翼侧各安装一个霍尔传感器就能够解算得到无人机在水平方向上与降落目标点的相对位置，但是考虑到磁定位的稳定性，增加定位系统的冗余度，在无人机机架上安装8个霍尔传感器，这样在4个传感器同时失效时，也能够提供定位；也可以提供更多的相对位置的定位参考电压完成位置匹配。
[0060]
磁定位的原理如下：
[0061]
根据毕奥萨伐定律，圆形通电线圈产生的环形对称磁场中，任意一点p的的磁场强度为：
[0062][0063][0064]
式中，i为源电流。l为积分路径，idl是环形电流的微元，e
r
为电流元指向p点的单位向量，r为电流元指向p点的矢量，μ0为真空磁导率，μ0＝4π
×
10
‑7h/μ。
[0065]
在环形磁场中以圆形通电线圈的圆心为原点建立极坐标系，由dl＝r
×
dθ推导可得：
[0066][0067]
无人机支架上的霍尔传感器放置于环形对称磁场中，霍尔电动势u
h
为：
[0068][0069]
式中r
h
为霍尔常数，k
h
为霍尔元件灵敏度，i为偏置电流，b为霍尔传感器所处位置的磁感应强度。
[0070]
根据式(3)和式(4)及无人机支架上8个霍尔传感器相对位置可知：
①
当无人机飞行至uwb定位系统的坐标系原点处，也即是降落目标点上方，室外降落平台上的圆形线圈通电产生稳定的环形磁场，无人机支架上的8个霍尔传感器检测磁场强度，霍尔传感器1、霍尔传感器3、霍尔传感器5、霍尔传感器7、的输出电压相等，以及霍尔传感器2、霍尔传感器4、霍尔传感器6、霍尔传感器8的输出电压相等时，表明无人机处于降落目标点的正上方，此时无人机降低电机功率进行降落，即可准确降落在降落目标点；
②
当无人机飞行至uwb定位系统的坐标系原点处，也即是降落目标点上方，室外降落平台上的圆形线圈通电产生稳定的环形磁场，无人机支架上的8个霍尔传感器检测磁场强度，霍尔传感器1、霍尔传感器3、霍尔传感器5、霍尔传感器7的输出电压不相等，以及霍尔传感器2、霍尔传感器4、霍尔传感器6、霍尔传感器8的输出电压不相等时，对8个霍尔传感器的输出电压值进行解算，得到无人机在水平方向上与降落目标点的相对位置，然后引导无人机飞行，直至霍尔传感器1、霍尔传感器3、霍尔传感器5、霍尔传感器7、的输出电压相等，以及霍尔传感器2、霍尔传感器4、霍尔传感器6、霍尔传感器8的输出电压相等，无人机此时处于降落目标点正上方，随后降低无人机电机功率进行降落。
[0071]
具体的，通过霍尔传感器的输出电压计算得到无人机的实际位置信息的过程包括以下步骤：
[0072]
s51，根据下述公式计算得到第i个霍尔传感器的输出电压u
ih
：
[0073]
[0074][0075]
式中，r
ih
为第i个霍尔传感器的霍尔常数，k
h
为霍尔元件灵敏度，i为偏置电流，b
i
为霍尔传感器所处位置的磁感应强度，i为源电流，idθ是环形电流的微元，为电流元指向第i个霍尔传感器位置点的单位向量，r
i
为电流元指向第i个霍尔传感器位置点的的矢量，μ0为真空磁导率，μ0＝4π
×
10
‑7h/m；r为圆形线圈半径；d为霍尔传感器的半导体材料厚度，i＝1,2,
…
,n。
[0076]
s52，合并得到：
[0077][0078]
对合并公式进行求解，得到r
i
的模值，即从极坐标原点指向霍尔传感器i所处位置的向量长度；
[0079]
已知4个安装在无人机上的霍尔传感器与无人机机架中心的相对位置(x
i
,y
i
,z
i
)，设z轴方向的坐标值z
i
＝0，联立求解以下方程组：
[0080][0081]
根据以上四个方程可以得到无人机与降落目标点的相对位置(x
h
,y
h
,z
h
)，舍去z轴方向坐标值，得到直角坐标系下的无人机在水平方向上与降落目标点的相对位置(x
h
,y
h
)。
[0082]
为了确保降落精度，本实施例只采用输出电压大于预定电压阈值的霍尔传感器进行磁定位引导。然而这里存在一种极限情况，假设无人机因为一些外界原因(室外环境复杂)误差问题，导致无人机偏离了降落点正上方区域，但又已经出现1
‑
2个霍尔传感器的输出电压大于预定电压阈值，当无人机偏移程度不多时，我们仍然可以通过逐步降低高度来促使所有霍尔传感器的输出电压大于预定电压阈值，但是当无人机偏移量较大时，一味采用降低高度的方式，有可能会使无人机以不正确的降落姿势过于接近降落平台，甚至定位失败。因此，本实施例提出，只有当输出电压大于预定电压阈值的霍尔传感器数量达到预定数量阈值时，再使无人机垂直下降，否则，继续以坐标原点为飞行目的地，引导无人机飞行。
[0083]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。