無人機船載著陸系統的制作方法

本發明涉及無人機船載著陸系統，屬于無人機著陸技術領域。

背景技術：

目前，艦載無人機主要裝備在航空母艦、戰列艦、驅逐艦、護衛艦和兩棲艦等軍艦上，然而，大排水量的軍艦體隱蔽性較差，且無法到達一些特殊區域。因此研究無人機在小排水量的船舶上的應用是一個十分有現實意義課題。當無人機在小噸位的船舶上進行著陸時，船舶將面臨著特殊的操作和技術問題，其中，解決無人機著陸設備在船舶上的合理布局問題具有重要意義。例如，可以在船舶上鋪設跑道，無人機可以直接在跑道上完成著陸、滑行和制動任務，然而，為了尋找鋪設跑道所需要的空間，在多數情況下會引起船舶外部結構的巨大變化，如，船舶上層建筑，導航設備以及負載等位置的變化，一般情況下這將很難被船舶設計人員所接受。

基于翼傘的著陸方法是無人機在船舶上進行著陸的已有方案之一。例如，翼傘由一個4.5米長的橫梁支撐，該橫梁固定在4.5米高的垂直桿上。為了保證飛行器的速度下降至18-35km/h，在飛行器飛向船舶的最終段將面積為18m²的降落傘展開。當翼傘打開失敗時無人機無法進行二次著陸是基于翼傘的無人機著陸系統的主要缺點，其結果是，無人機的機械部件和電子器件因海水腐蝕作用而損壞，這將需要很大資金支出。

基于安裝在船舷上的梁式吊車的“吊索”著陸方法也是無人機在船舶上進行著陸的已有方案之一。相對于甲板垂直安裝的運動鎖固定在橫梁的終端。當無人機飛近著陸設備時從其內部自動彈出一條繩索，在彈簧鉤的幫助下該繩索完成與運動鎖的連接任務，連接任務完成后，無人機的發動機自動關閉。

環境監測無人機的著陸設備包括固定在基座上的旋轉橫梁，該基座安裝在船舷上。捕獲裝置是一個帶有彈簧鉤的封閉框架，固定在旋轉橫梁的末端。無人機上安裝一條長度約為1.5米的升降索，在升降索的末端固定著一個帶有金屬網面的球。無人機著陸方式如下：借助于機載的自主制導系統，無人機飛向捕獲設備的導標方向；無人機飛過導標上空時，無人機的繩索進入捕獲裝置的捕獲區域，進而完成球和鎖的連接任務；然后，關閉無人機的發動機，并將無人機懸掛在船舷外側；最后，將水平橫梁旋轉90-180°，從連接鎖上取下無人機。

上述兩種著陸裝置的優點是無人機沿著船舶外側通道飛向捕獲備。因此，在無人機著陸失敗的情況下，如果無人機上有足夠的燃料，那么順利進行二次機動著陸。繩索的長度以及捕獲裝置的部分區域的角度由無人機自主制導系統的精度確定。著陸設備的安裝位置的選擇必須考慮船體機構特性。為了確定無人機相對于著陸設備的位置坐標，船載著陸系統至少包括兩個信號指示標志，其中的一個安裝在船尾，作為下滑信號指示標志；而另外一個安裝在著陸裝置的梁式吊車上靠近船體中間的位置，作為航向信號指示標志。

無人機的著陸設備沿著船舷安放，航向指示標和下滑指示標的連線必須平行于著陸下滑航跡線。航向指示標和下滑指示標的連線與著陸下滑航跡線之間的距離可以修正，且在飛行之前輸入到飛行任務中。信號標志間的距離由著陸設備的安放和著陸系統可靠性的保障條件確定。必須精確地測量信號標志間的距離，且在飛行前必須輸入到無人機的機載計算裝置中。為了在著陸階段進行視覺監控，夜晚在航向指示標和下滑指示標的連線上必須安裝補充的照明設備。

在無人機飛向船舶的階段，著陸過程的控制在視覺監測下自動進行。沿著通信線路進行校正信號的發送和來自于無人機的視頻信息的獲取。按照從無人機傳來的信號標志的電視圖像和對無人機的視覺觀測，操作員測定無人機相對于船舶的位置，并將校正信息傳送給無人機的空間運動控制系統。

在船舶處于搖晃狀態時，利用安裝在船甲板上的電視攝像機對無人機進行著陸控制，無法保證無人機飛向捕獲設備的導引精度，這是該無人機著陸控制方法的主要缺點。

基于攔截網的著陸方法是無人機在船舶上進行著陸的已有方案之一。該無人機著陸裝置包括安裝船舷上的攔截網和安裝在攔截網后面的攝像機。攝像機的光軸對準捕獲裝置的瞄準點。基座安裝在距離船的縱向對稱面相同距離的船舷上，捕獲機構和攝像機安裝在該基座上。電視攝像機與安裝在無人機控制臺上的視頻監視器相連接。將著陸軌跡偏離瞄準點的誤差信號輸入到控制指令生成裝置，進而生成軌跡補償信號，例如“向左-向右”、“向上-向下”，借助無線電信號發射器將軌跡補償信號發送給無人機。無線電信號接收器安裝在無人機的機體上，且與無人機運動控制系統相連接。無人機運動控制系統對輸入的數據進行處理，同時生成控制信號。控制信號被傳遞給執行機構，舵機和副翼，進而實現對無人機飛行軌跡的校正。著陸時為了減輕對無人機頭部的撞擊，需要安裝專業的減震設備。

該著陸方法的主要缺點是，在船舶搖晃時無人機飛向瞄準點的制導精度不高，且由于無人機不具備二次機動著陸的能力，所以當著陸失敗時，無人機可能會與船體發生碰撞或者落入水中。

現有的無人機著陸技術的主要缺點是：第一要求具有足夠大的著陸空間，這對于小排水量的船舶來說是很難滿足的；第二在著陸失敗的情況下，無法進行二次機動著陸，這將導致無人機與船體發生碰撞或者掉落水中；第三在船舶處于搖晃狀態時，現有的無人機著陸技術無法保證無人機飛向著陸設備的導引精度。

技術實現要素：

本發明目的是為了解決無人機在船舶上著陸時，由于船舶搖晃造成著陸設備的導引精度低的問題，提供了一種無人機船載著陸系統。

本發明所述無人機船載著陸系統，它包括捕獲裝置和電視攝像機，它還包括船體傾斜傳感器和船體搖晃修正計算單元，

捕獲裝置用于與無人機的可伸縮彈簧鉤連接，完成無人機的制動任務；捕獲裝置和電視攝像機分別借助于延伸橫梁安裝在船舷外側，電視攝像機的光軸對準捕獲裝置的瞄準點；船體傾斜傳感器用于采集船舶的船體傾斜信號，船體搖晃修正計算單元接收船體傾斜傳感器采集的船體傾斜信號，并計算獲得相應伺服裝置的控制信號、電視攝像機繞自身光軸的轉動信號、捕獲裝置和電視攝像機分別所在的延伸橫梁在垂直平面內的轉動信號及捕獲裝置和電視攝像機在水平面內的轉動信號。

本發明的優點：本發明提出的無人機船載著陸系統，將無人機著陸裝置安放在船體外側，大大降低了著陸設備占據的甲板空間，且在著陸失敗的情況下可以進行二次機動著陸，避免了無人機與船體發生碰撞或跌落水中。本發明的船體搖晃修正計算單元根據船體當前的傾斜情況進行計算，輸出控制信號，實現了對相應伺服裝置的控制，減弱了船體搖晃作用對著陸設備的影響，具有在船體大幅度搖晃時完成無人機著陸任務的優勢。

附圖說明

圖1是本發明所述無人機船載著陸系統的結構示意圖；圖中11是固定電視攝像機的鉸鏈機構；

圖2是無人機與捕獲裝置進行連接的結構示意圖；

圖3是無人機的彈性制動裝置的結構示意圖；

圖4是電視攝像機在攝像延伸橫梁上的安裝結構示意圖；

圖5是電視攝像機安裝的鉸鏈機構的結構示意圖；

圖6是圖4的A-A視圖；

圖7是在視頻監測器的屏幕上的觀測區域圖像示意圖；

圖8是電視攝像機光軸和捕獲裝置瞄準點的穩定運動示意圖；

圖9是L＝5m,γ₀＝15°,R₁＝3m,R₂＝1.5m，φ₀＝0°時，角φ₁，φ₂和φ₃對船體橫傾斜角γ的依賴關系曲線圖；

圖10是L＝5m,γ₀＝15°,R₁＝3m,R₂＝1.5m，φ₀＝10°時，角φ₁，φ₂和φ₃對船體橫傾斜角γ的依賴關系曲線圖。

具體實施方式

具體實施方式一：下面結合圖1至圖10說明本實施方式，本實施方式所述無人機船載著陸系統，它包括捕獲裝置1和電視攝像機2，它還包括船體傾斜傳感器3和船體搖晃修正計算單元4，

捕獲裝置1用于與無人機的可伸縮彈簧鉤連接，完成無人機的制動任務；捕獲裝置1和電視攝像機2分別借助于延伸橫梁安裝在船舷外側，電視攝像機2的光軸對準捕獲裝置1的瞄準點；船體傾斜傳感器3用于采集船舶的船體傾斜信號，船體搖晃修正計算單元4接收船體傾斜傳感器3采集的船體傾斜信號，并計算獲得相應伺服裝置的控制信號、電視攝像機2繞自身光軸的轉動信號、捕獲裝置1和電視攝像機2分別所在的延伸橫梁在垂直平面內的轉動信號及捕獲裝置1和電視攝像機2在水平面內的轉動信號。

它還包括操作控制臺5，操作控制臺5包括視頻監測器5-1和控制指令生成單元5-2，

視頻監測器5-1用于監測電視攝像機2采集的視頻信號，控制指令生成單元5-2根據視頻監測器5-1監測的視頻信號，獲得控制指令信號傳遞給船載無線電通信發射機。

捕獲裝置1剛性的固定在船舶船體的捕獲延伸橫梁6-1的末端，捕獲延伸橫梁6-1的首端通過第一上鉸鏈機構7-1與捕獲裝置1的捕獲支柱1-1連接，第一上鉸鏈機構7-1與第一上伺服裝置8-1連接，捕獲延伸橫梁6-1在第一上伺服裝置8-1的帶動下，可相對于船舶甲板在垂直平面內轉動；

電視攝像機2安裝在船舶船體的攝像延伸橫梁6-2的末端，攝像延伸橫梁6-2的首端通過第二上鉸鏈機構7-2與電視攝像機2的攝像支柱2-1連接，第二上鉸鏈機構7-2與第二上伺服裝置8-2連接；第二上鉸鏈機構7-2與電視攝像機伺服裝置9連接，在電視攝像機伺服裝置9的帶動下，電視攝像機2可繞自身光軸轉動；攝像延伸橫梁6-2在第二上伺服裝置8-2的帶動下，可相對于船舶甲板在垂直平面內轉動；

捕獲支柱1-1的支撐終端通過第一下鉸鏈機構7-3安裝在第一基座10-1上，攝像支柱2-1的支撐終端通過第二下鉸鏈機構7-4安裝在第二基座10-2上；第一基座10-1和第二基座10-2剛性的固定在船舶甲板上；

第一下鉸鏈機構7-3連接第一下伺服裝置8-3，第二下鉸鏈機構7-4連接第二下伺服裝置8-4；在第一下伺服裝置8-3的帶動下，捕獲延伸橫梁6-1可相對于船舶甲板在水平面內轉動；在第二下伺服裝置8-4的帶動下，攝像延伸橫梁6-2可相對于船舶甲板在水平面內轉動。

船體搖晃修正計算單元4的第一輸出端連接第一上伺服裝置8-1與第二上伺服裝置8-2的控制輸入端，該第一輸出端輸出捕獲延伸橫梁6-1和攝像延伸橫梁6-2在垂直平面內轉動信號；

船體搖晃修正計算單元4的第二輸出端連接第一下伺服裝置8-3和第二下伺服裝置8-4的控制輸入端，該第二輸出端輸出捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1在水平面內轉動信號；

船體搖晃修正計算單元4的第三輸出端連接電視攝像機伺服裝置9的控制輸入端，該第三輸出端輸出電視攝像機2繞自身光軸轉動信號。

捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1均垂直于船舶甲板沿著船體長度的方向安裝，捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1之間的距離為a：a＝5-10m。

本發明提出了一種無人機船載著陸系統，它的捕獲裝置和電視攝像機分別安裝在相應延伸橫梁的末端，相應延伸橫梁通過上鉸鏈分別與捕獲裝置和電視攝像機的支柱相連，上鉸鏈與相應的伺服機構相連。捕獲裝置和電視攝像機的支柱終端通過下鉸鏈與固連在甲板上的基座相連，下鉸鏈與相應的伺服機構相連。

無人機著陸設備包括無人機的機載設備和安裝在船舶上的船載著陸控制系統；無人機的機載設備包括運動控制系統，運動控制系統主要包括舵機傳動裝置，該舵機傳動裝置用于保證無人機的空間運行姿態。運動控制系統的控制輸入與接收無人機運動控制指令的機載無線電通信接收設備的輸出相連。此外，在無人機上安裝了可伸縮的彈簧鉤和信號指示燈。信號指示燈可以提高著陸過程中對無人機的視覺觀測效果。捕獲裝置1可以保證完成其與無人機的可伸縮彈簧鉤的連接任務，同時完成相應的制動任務。標準的無線通信設備可以作為無線電通信發射與接收的實現方案，例如，Wi-Fi或遙控設備。

捕獲延伸橫梁6-1和攝像延伸橫梁6-2與捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1的線性尺寸和位置彼此相近，他們之間的不同之處在于橫截面的尺寸不同。捕獲延伸橫梁6-1和捕獲支柱1-1是承載結構，可以承載無人機和捕獲裝置的重量，以及無人機制動過程中產生的沖擊力。攝像延伸橫梁6-2和攝像支柱2-1只是為了支撐電視攝像機以及他的鉸鏈機構和伺服裝置，使其保持在船體外側，即，作用在結構上的力，相比之下會低一個數量級。

瞄準點是在通過垂直平面的瞬間無人機允許位置區域的中心，且該垂直平面經過捕獲延伸橫梁軸。電視攝像機的光軸經過捕獲設備的瞄準點。從電視攝像機出發經過捕獲設備的瞄準點，且平行于船舶縱向中心面的水平直線是著陸過程中無人機和船舶接近的理想軌跡的延長線。該水平直線距離船舷的距離為b＝(1.5-3)m。為了避免無人機與船舷以及捕獲支柱1-1發生碰撞，b的數值必須大于無人機寬度與連接區域寬度之和的一半。在所采用的坐標系中，縱向坐標原點選在捕獲設備的瞄準點處，且X軸的方向指向無人機。

捕獲裝置可行的設計方案的結構為：捕獲裝置1有一個細長的圓柱形殼體1-11，在圓柱形殼體1-11上安裝了放置無人機14的托架1-12和帶有弓形吊鉤1-13的彈性制動裝置1-10。當臨近船舶時從無人機內被彈射出彈簧鉤12，進而彈簧鉤12將與弓形吊鉤1-13進行連接。捕獲裝置的瞄準點與無人機信號指示燈13的位置重合。在制動過程結束后，無人機14完成在捕獲裝置1上的安置。

電視攝像機2在攝像延伸橫梁6-2上的安裝結構方案如圖4所示，該結構只有一個自由度，即，繞著攝像機的光軸轉動。攝像機安裝在由彎曲的金屬板做成的起到導引作用的第二基座10-2上。鉸鏈機構包括安裝在攝像機的兩側的四個徑向軸承36和安裝在上部起到擠壓作用的軸承37，如圖5所示。為了防止攝像機沿著光軸移動，在攝像延伸橫梁6-2上剛性安裝了兩個組合支架38。第二基座10-2的兩個端面抵接在支架38上，從而確保攝像機可以帶有一定的軸間間隙旋轉。借助于伺服裝置攝像機2可以實現旋轉運動，伺服驅動電機39通過一個扇形齒輪40將運動傳遞給基座。電視攝像機鏡頭的光軸的位置設定是為了便于觀測捕獲設備和從著陸機動開始到無人機鉤住捕獲設備過程中無人機可能位置。

無人機的船載著陸控制系統的功能如下：無人機14的機載運動控制系統可以保證沿著指定的規劃軌跡以幾十或幾百米的精度引導無人機飛到船舶所處的區域。所提出的無人機著陸系統不提供機載自主制導系統。在此之后，無人機進入攝像機的視野觀測區域，即視頻監視器屏幕上顯示的區域。操作人員借助控制指令生成單元5-2對無人機運動軌跡控制進行補償：向左-向右，向上-向下。控制指令通過鍵盤或其他的遙控機構進行傳輸。

在視頻監測器5-1的屏幕上的觀測區域圖像如圖7所示。該觀測圖像可以說明在觀測的電視信號的基礎上無人機和捕獲設備的運動軌跡偏差測定過程。

在視頻監測器5-1的屏幕上可以觀測到安裝在捕獲延伸橫梁6-1上的捕獲裝置1，帶有第一上鉸鏈機構7-1的捕獲支柱1-1的上部以及部分船舷和水平面。無人機14的瞄準點處在無人機和捕獲設備連接區域的中心。在電視攝像機安裝和校準的過程中形成了該標識的位置。瞄準點是在垂直和水平面內的零位。

圖7中，符號Θ_ψ和Θ_θ分別是電視攝像機接收系統在水平和垂直面內的視角；ψ_A和θ_A分別是在水平和垂直面內無人機14距離瞄準點的角偏差。

當著陸設備的部件在電視屏幕上對比度良好的觀測條件下，不需要補充的照明設備，操作人員通過預先調節捕獲設備的輪廓和特征點就可以觀測到瞄準點。在夜晚等較差的觀測條件下，在視頻監測器5-1屏幕上可以觀測到安裝在無人機上且距離彈簧鉤的距離已知的信號指示燈13發出的光。

在船舶搖晃時瞄準點和電視攝像機在水平和垂直平面內發生震動位移。通過捕獲延伸橫梁6-1和攝像延伸橫梁6-2分別借助于第一上伺服裝置8-1和第二上伺服裝置8-2相對捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1的轉動，以及借助于第一下伺服裝置8-3和第二下伺服裝置8-4，捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1分別相對船舶甲板的轉動，可以實現瞄準點和電視攝像機的空間穩定。

在所提出的系統中，伺服裝置的設計是為了著陸設備的瞄準點和電視攝像機的光軸的線性坐標X和Y在垂直平面內穩定。

伺服裝置的原理可以用圖8中的捕獲設備的瞄準點和電視攝像機的光軸穩定的運動方案來解釋。在圖8中使用以下符號：

–在船體不搖晃時，用加粗的線表示橫梁和支柱的位置；

–在船體的橫傾角為γ時，用中等粗的線表示橫梁和支柱的位置；

–R₁是從瞄準點到鉸鏈接頭H₂即上鉸鏈機構的距離，鉸鏈接頭H₂是橫梁相對支柱轉動的軸；

–R₂是從鉸鏈接頭H₂到鉸鏈接頭H₁即下鉸鏈結構的距離，鉸鏈接頭H₁是支柱相對船舶甲板轉動的軸；

–船舶甲板的位置用矩形陰影來標記；

–Y和Z分別是垂直軸和水平軸；

–L是從鉸鏈接頭H₁到船體滾轉搖晃軸的距離；

–γ₀是船體縱向中心面和L之間的夾角；

–γ是船體橫傾斜角；

–ΔY和ΔZ是當船體的橫傾角為γ時鉸鏈接頭H₁在垂直和水平方向上的位置偏移；

–α是當船體的橫傾角為γ時，橫梁R₁在垂直平面內位置相對于船體不存在傾角時橫梁R₁在垂直平面內位置的偏移的角；

–β是當船體的橫傾角為γ時，支柱R₂在垂直平面內位置相對于船體不存在傾角時支柱R₂在垂直平面內位置的偏移的角；

–φ₀是船體靜止時橫梁R₁與船舶甲板之間的夾角；

–φ₁是當船體的橫傾角為γ時橫梁R₁相對于支柱R₂的轉角；

–φ₂是當船體的橫傾角為γ時支柱R₂相對于船甲板的轉角。

如圖8所示，船體的橫角γ將導致橫梁R₁必須相對支柱R₂轉動角φ₁＝π/2-β+α，即相對于初始的水平面轉動角φ₁＝α+β，同時導致支柱R₂必須相對初始的垂直面轉動角φ₂＝γ+β。

為了保持電視攝像機相對其在船體不搖晃時的位置的空間方位，電視攝像機必須轉動角φ₃＝-α。

角α和β的值可以用以下的幾何關系確定：

設計參數L,γ₀,R₁,R₂是常數。

在船體不搖晃時橫梁和支柱的位置取在零位，且認為逆時針轉動是旋轉的正方向，如圖8所示。在船體的橫傾角為γ時，為了讓瞄準點和電視攝像機的光軸保持在固定的位置，捕獲延伸橫梁6-1和攝像延伸橫梁6-2必須相對捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1轉動角度φ₁，捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1必須相對船體甲板轉動角度φ₂，以及必須將電視攝像機相對于延伸橫梁旋轉角度φ₃。此時

φ₁(γ)＝α(γ)+β(γ)

φ₂(γ)＝γ(γ)+β(γ)

φ₃(γ)＝-α(γ).

角α和β的值定義為方程組的根：

利用船體搖晃修正計算單元4可以實現方程的求解，船體搖晃修正計算單元4將船體傾斜角分別轉化為捕獲延伸橫梁6-1和攝像延伸橫梁6-2相對捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1的轉角φ₁，捕獲支柱1-1和攝像支柱2-1相對于船甲板的轉角φ₂以及電視攝像機相對其光軸的轉角φ₃。

在電視攝像機伺服裝置9的控制信號φ₃(γ)作用下，電視攝像機可以繞其光軸轉動，在監視器屏幕上的掃描圖像維持在其原來的位置，而不受船體晃動影響。這相當于，監視器屏幕上的Y軸和Z軸保留其在地理坐標系內的原有位置。在船體搖晃時，操作人員僅能觀測到船體的可觀測部分、捕獲支柱1-1和捕獲延伸橫梁6-1間的相對轉動以及他們相對瞄準點的轉動。因此，操作人員觀測到的無人機和瞄準點之間的角度偏差ψ_A和θ_A與船體傾斜角無關。

操作人員根據對監視器屏幕的觀測確定無人機14在水平面和垂直平面內相對于瞄準點的角位置偏差信號ψ_A和θ_A，如圖7所示。

如果監視器屏幕沿水平和垂直方向的分辨率為N×M，電視信號沿水平和垂直方向的視野角分別為Θ_ψ和Θ_θ，則：

ψ_A＝nΘ_ψ/N,

θ_A＝mΘ_θ/M，

其中n和m是監視器屏幕上捕獲設備的瞄準點和無人機彈簧鉤的位置之間的屏幕分辨率。

操作人員可以借助控制指令生成單元對相應工作機構實現控制，例如，借助于周期性發送的繼電器指令信號“向左”-“向右”和“向上”-“向下”。這些指令的發送時長與ψ_A和θ_A的值成比例，在彈簧鉤12連接上捕獲設備1的弓形吊鉤之前，可以保證無人機14與船舶15的接近軌跡控制比較平滑。連接結束后，開始對無人機進行制動。在制動過程中，無人機沿著捕獲設備的殼體1-11推進，且最終停放在托架1-12上。最后兩個延伸橫梁均轉動90°，并且沿著船舷固定在合適的位置上。

經仿真實驗的結果可知，當無風且船體不搖晃時引導無人機飛向瞄準點的動態誤差不超過0.1m，當存在側風的情況下動態誤差增大至0.15-0.2m，這就決定了彈簧鉤和弓形吊鉤的設計尺寸，以及捕獲設備殼體的橫截面尺寸。船體搖晃時，要求連接的可行區域大小增加ΔZ和ΔY，例如在γ＝15°時，ΔZ和ΔY為1.2m，這在結構設計上是不可實現的。因此，在船舶搖晃時無人機著陸設備——梁式吊車的工作能力是受限的，船體搖晃最大的幅值不超過2.5°。

本發明系統保證了瞄準點誤差的穩定精度不低于0.05m，伺服裝置角偏差的精度達到1°，增加了必要的連接區域，船體的搖晃角度最大可以增加到大約15°。