基于紫外信标的无人机高精度助降装置及应用

2019-09-28任德建赵嘉睿赵思哲高雪芹赵太飞

天津科技 2019年9期

任德建，赵嘉睿，赵思哲，高雪芹，赵太飞

(1.中南大学交通运输工程学院湖南长沙410083；2.中南大学计算机学院湖南长沙410004；3.西安理工大学自动化与信息工程学院陕西西安710048)

0 引言

在无人机使用过程中，辅助降落系统能够引导无人机安全降落。目前无人机在电磁干扰大的场景和不便于远程操作控制的复杂地形中，定位偏移量高达10m[1]，不能满足高精度定位降落需求[2]。能否在复杂环境中安全、精准地实现自动回收降落成为评价无人机发展的重要技术特征。

现有的无人机助降引导系统主要采用惯性引导技术(Inertial Navigation System，INS)、GPS引导技术以及基于机器视觉的引导技术(Machine Vision，MV)等。在雾霾天气、复杂地形、电磁干扰等特殊环境下，常见的助降引导系统存在一定的定位不精确问题。惯性导航引导系统误差随着时间的推移而不断加大，引导系统累计误差较大；GPS引导系统受电磁干扰影响大，在局部地域内受地形影响比较大；机器视觉引导图像数据处理量巨大，由于计算需要一定的时间，导致实时性较差[3-7]。本文提出并研发了基于紫外信标的无人机高精度助降引导系统，充分利用无线紫外光在日盲区抗干扰能力强、具有全天候非视距通信的能力，以及宽视场、保密通信能力强；适用于特殊通信场合的特有优势，使定位精度明显提高。

1 系统工作流程

本文利用紫外光通信及多维阵列信标相融合来构建基于紫外信标的高精度无人机降落引导系统，其总体工作流程如图1所示。系统包含2个主要部分，分别是放置在地面的紫外光LED阵列信标和无人机挂载接收装置。

紫外光LED阵列信标中的信标调至控制系统进行空间坐标的标定和信号的调制，将空间坐标信息编译成经编码和纬编码，再由信标调制控制系统产生的控制信号驱动信标紫外光LED阵列工作。

无人机挂载接收装置中的紫外光接收设备捕捉紫外光编码信号，对信号进行解调，经A/D转换获取方位角、相对距离等定位信息，嵌入式控制系统将接收到的信标信息与无人机的速度、高度等信息进行比较、判断，计算出偏移量信息，最后生成控制信息以引导无人机精准降落。

图1 系统工作流程Fig.1 System workflow

2 系统实现及测试验证

本文在无线紫外光链路模型的基础上，结合无人机助降与飞行引导的背景，采用STC系列单片机构建嵌入式单板，并基于C语言开发了实时处理控制软件，以此搭建了基于紫外信标无人机高精度降落引导系统装置。图2(a)为紫外光LED阵列信标俯视图，图2(b)为PCB板，是焊接在图2(a)信标半球形底部的印制电路板，图2(c)为无人机挂载接收装置实物图，放置在无人机上。

图2 系统硬件Fig.2 System hardware

为验证本辅助降落系统的可靠性，分别在晴朗天气(PM2.5浓度为50μg/m3)和雾霾天气(PM2.5浓度为375μg/m3)下进行无线紫外光测距实验。信标发出的紫外光波长为385nm，选取0～80m范围进行测距实验。结果如图3所示，雾霾天气和晴朗天气下系统均能发挥优良性能；随着距离的不断减小，系统的测试精度不断提高，能够满足无人机在复杂天气下近低空飞行中精准定位引导的需要。

图4为信标引导无人机降落过程演变图，其中右上角为无人机挂载接收装置显示屏上方位的变化，右下角为信标指示灯不断的变化，确定方位和距离后，如图4左边所示，最终无人机实现精准降落在降落点上。参考相关文献[8]，图5为在电磁干扰条件下，GPS定位方式、GPS与惯性导航结合定位方式、北斗定位方式与基于紫外光信标定位方式的误差对比。在距离15m时用不同的系统导航，GPS定位误差为4.5～14.5m，GPS与惯性导航结合定位误差为4～10m，北斗定位误差为4～4.5m，本系统定位误差仅为0.05～0.15m[9]。