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原文传递基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用

专利名称：	基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用
摘要：	本发明公开了一种基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用，包括：多个紫外光光源阵列信标；无人机挂载接收装置；无人机飞行控制中心。本系统的应用方法包括以下步骤：在指定降落地点安装至少一个紫外光LED信标；在无人机上安装挂载接收装置；进入引导状态；无人机飞行过程中信号接收装置模块将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；对信号进行解调获得编码信息，根据编码信息可获得距离和方向信息，即可产生飞控信号；飞控信号传入飞行控制中心，辅助无人机降落。本发明优点在于抗干扰能力强：全天候非视距通信；便携式、宽视场、保密通信能力强。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	赵嘉睿
发明人：	任德建;赵嘉睿;赵思哲;许迪雅;高雪芹
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910263838.2
公开号：	CN109911237A
代理机构：	长沙市和协专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	熊晓妹
分类号：	B64F1/18(2006.01);B;B64;B64F;B64F1
申请人地址：	410000 湖南省长沙市天心区中南大学铁道学院铁一舍
主权项：	1.一种基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统，其特征在于，包括：多个紫外光光源阵列信标，安装于指定降落地点的地面，所述的紫外光光源阵列信标包括紫外光光源阵列、驱动电路板、地磁传感器、障碍物传感器，驱动电路板令信标发出一定波段的紫外光，并发送编码信息，地磁传感器、障碍物传感器辅助输入无人机方向及障碍物位置坐标信息参数；无人机挂载接收装置，所述的无人机挂在接收装置是由紫外光接收部分、有效值检测部分和主控芯片构成，紫外光接收部分包括光电倍增管、光电倍增管管座、高压电源模块，高压电源模块为光电倍增管供电，接收装置将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；所述的挂载接收装置安装固定在无人机底部与无人机飞行控制中心通讯连接；有效值检测部分包括A/D转换装置，用于检测信号的有效值；主控芯片采用FPGA芯片；无人机飞行控制系统，接收无人机挂载接收装置电信号计算出距离、方位等着陆信息进行无人机降落控制。 2.根据权利要求1所述的助降与引导系统，其特征在于，所述紫外光光源阵列为半球型结构，阵列中每一层紫外光光源组成一条纬线，每一列紫外光光源组成一条经线，同一纵切面上的临近两个紫外光光源之间的夹角为18°，同一横切面上的临近两个紫外光光源之间的夹角为45°。 3.根据权利要求2所述的助降与引导系统，其特征在于，所述紫外光的光源应用大功率半导体紫外光光源，为发光二极管和半导体激光器中的一种。 4.根据权利要求1-3任一所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在指定降落地点安装至少一个紫外光LED信标；步骤2，在无人机上安装挂载接收装置；步骤3，进入引导状态；步骤4，无人机飞行过程中信号接收装置模块将光电倍增管探测到的光信号转换为电信号；步骤5，对信号进行解调获得编码信息，根据编码信息可获得距离和方向信息，即可产生飞控信号；步骤6，飞控信号传入飞行控制中心，辅助无人机降落。 5.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤1具体内容包括：1)对每个紫外光LED信标进行编号，每个紫外光LED信标直径至少200mm，各个信标之间安装距离至少为0.5米，并使这些LED信标所组成的形状从空中看具有方向性； 2)令LED信标中位于预计降落点之外的其中1个信标作为标志点信标，预计降落点范围大于所降落的无人机尺寸； 3)建立目标库，在目标库中预先储存各个LED信标的主要特征，输入的特征信息包括：LED信标数量、排列方式及位置信息、编号，标志点信标位置信息及编号，和预计降落点与标志点信标的位置关系； 4)将紫外光LED信标的行列进行经纬度划分，列编码表征相对于信标的方向信息，行编码表征相对于信标的距离信息； 5)设置好LED信标位置后，将所有方向编码初始化；并进行经-纬-经-纬方向扫描，每列/每行发送相应方向编码。 6.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤2的具体内容为： 1)将所属无人机挂载接收装置固定在无人机下方，将紫外光接收器方向保持下视方向，接通电源，并链入无人机飞行控制系统； 2)无人机挂载接收装置对接收到的信号进行处理、放大和解调，引导无人机准确降落。 7.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤3具体内容为：无人机在预定高度悬停，启动助降引导，将置信度初始化为0，目标跟踪标志初始化为0，潜在发光体目标个数即待识别的发光体数量初始化为0，进行紫外光信号搜索，捕捉到紫外光信号后，进入步骤4。 8.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤4具体内容为： 1)无人机挂载装置采用全向式紫外接收器，紫外接收部分负责接收编码信号，对信号进行处理，放大和解调后获得编码信息，接收到的信号需要分出一路做有效值检测，用来表征信号的功率信息，获得相对于信标的方位信息后，对无人机的运动做出决策； 2)紫外光通信NLOS链路中紫外光的功率是按指数衰减的，大气衰减系数表示为紫外光NLOS链路的接收光功率的表达式如下：其中，Pt为发送功率，Ps为散射相函数，r为通信距离，λ为波长，Ke为大气信道衰减系数Ke，Kɑ为大气吸收系数，Ks为大气散射系数；Ar为接收孔径，φ1为发射光束孔径角，φ2为接受视场角。 9.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤5具体内容如下： (1)主控芯片负责接收解调后的编码，并将该编码信息通过光电转换信号，转换为可被有效值检测电路检测到的电信号，电信号再经A/D转换信号和数据帧，并根据需求生成无人机运动指令； (2)以光电倍增管作为接收器件，通过其输出信号大致估算出入射光功率的大小，其信号以电流的形式输出，其输出电流表达式为：其中，N为接收到的入射光子数，ηd为光电倍增管对此波长入射光的光电转换效率，ηf为滤光片对该波长紫外光的透过率，G为光电倍增管增益，e为电子电荷量，T为时间，因此得到入射光子数量为： (3)单个光子的能量E＝hv，普朗克常数h＝6.62x10-34J·S，ν为频率，因此接收光功率为： (4)在NLOS通信中，由公式(4)可知在发射功率、大气吸收系数和接收孔径面积等参数一定的情况下，接收功率Pr是关于自变量为传输距离r的函数，此时求此函数的反函数，即：此公式中，朗伯W函数(Lambert W)是f(WX)＝WXexp(Wx)的反函数，其中exp(Wx)是指数函数，W是任意复数，朗伯函数是一个多值函数，在其他参数一定的情况下，如果已知接收端接收功率，利用公式可以计算得到LOS通信的接收端与发射端的距离r。 10.根据权利要求4所述的助降与引导系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤6具体内容包括： (1)无线紫外光接收器进行路场当中的紫外光信号搜索，捕信号之后开始测定目标方向和距离，引导无人机飞向着陆点；在无人机距离着陆点距离足够近时，紫外通讯链路建立，此时无人机挂载装备能够接收到无线紫外光信标发送的信息；利用基于三维坐标的无线紫外光测距定位算法求解出距离、方位等着陆信息； (2)并将着陆信息，与之前存储在数据库中的数据进行对比，判断是否为同一目标；所述LED信标数量及排列方式和位置信息；判断方法为：根据步骤4-5中接收到的信号源数目，及计算出的位置及距离信息，与目标库中预存的各个地面信标及进行对比，选择相匹配的地面信标作为待匹配目标；若没有信息相等的地面信标，则返回步骤2中重新搜索地面信标；若为同一目标，则根据目标库中预存的信息获得顶点灯编号及位置信息，即获得顶点灯的形心三维坐标，并获得各LED信标编号，且将目标跟踪位置设为1，置信度设为T；进而获得预定着陆点三维坐标；若不为同一目标，返回步骤2重新搜索地面紫外光LED信标； (3)将方位信息与数据库进行对比，如方向正确，向该方向运动，否则旋转机身方向，使其对正； (4)当运动到顶点灯位置正上方时，向飞行控制系统发出信号，无人机停止移动，进入悬停状态，后垂直降落；若未到达指定位置，继续向指定位置移动； (5)陆地上的紫外光信标发射地面障碍物信息，无人机挂载接收装置接收到信号后传递给主控芯片，主控芯片进行信号解调，将着陆信息与无人机的速度、高度等信息融合，生成控制命令引导无人机降落。
所属类别：	发明专利