一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法与流程

1.本发明属于无人机回收技术领域，更具体地，涉及一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法。


背景技术：

2.海上平台无人机使用分析：目前，用于海上的无人机大部分均为旋翼与混合翼无人机，可垂直起降，具备悬停功能，但由于其抗风干扰的能力较弱，且续航时间短，导致其在海上的任务完成能力较弱。而固定翼无人机根据其机动性强、续航时间长、载荷大而备受关注，但由于缺乏悬停能力且海上平台的回收较难，一直未能成功解决固定翼无人机在海上平台上着陆的问题。
3.无人机回收方式分析：当前较为成熟可靠的固定翼无人机的回收方式为撞线回收与撞网回收两种。撞线回收方式主要是在一根倾斜放置的杆首端垂放一个挂钩，无人机通过识别挂钩的位置进行撞线回收，但该方式对无人机的导航精度要求过高，且受一定的环境因素影响；撞网回收较撞线回收，其对导航精度的要求相对较低，主要是通过无人机识别到回收网的位置，控制无人机直接飞入回收网。撞网回收方式是一种比较理想的精确定点回收方式，几乎可以实现零距离回收，其关键在于准确引导无人机飞入回收网，并在触网后柔和地吸收无人机的动能，从而平稳、准确地实现回收。但是由于海上平台受风浪影响较大姿态会持续变化，且回收网受海上平台移动的影响其位置也会发生变化，导致无人机回收时无法准确定位回收网位置，从而降低回收效率。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，充分利用无人机搭载的光电设备，通过光谱自适应技术，双向引导无人机撞网回收，从而提升海上平台固定翼无人机的降落成功率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，其中，无人机搭载光电设备，且海上平台搭载撞网式回收架，并在回收架上安装助降灯，所述方法包括：
6.在无人机准备降落时，由无人机控制台计算回收架中心点，并拟定无人机下滑点，从而生成期望下滑引导线；
7.由海上平台上的光电设备识别无人机实际位置，无人机控制台根据无人机实际位置计算无人机与期望下滑引导线的偏离情况，并控制助降灯向无人机实际位置方向发射不同颜色的灯光；
8.无人机在下降过程中，机载光电设备识别灯光，修正姿态，不断靠近期望下滑引导线飞行。
9.在一些可选的实施方案中，所述由无人机控制台计算回收架中心点，并拟定无人机下滑点，从而生成期望下滑引导线，包括：
10.由无人机控制台结合海上平台的横摇、纵摇及航行速度来计算回收架的中心点，并结合实际情况拟定无人机下滑点，通过回收架中心点指向无人机下滑点的射线作为无人机期望下滑引导线，并将期望下滑引导线的航点信息发送给无人机。
11.在一些可选的实施方案中，所述无人机在下降过程中，机载光电设备识别灯光，修正姿态，不断靠近期望下滑引导线飞行，包括：
12.无人机在下降过程中，无人机控制台基于无人机的实际位置与期望下滑引导线在垂直方向与水平方向上的偏离情况，控制回收架上对应的垂直助降灯与水平助降灯点亮不同颜色的光线，并向无人机实际位置方向发射，无人机检测到对应颜色的光线后，对无人机姿态进行修正。
13.在一些可选的实施方案中，所述对无人机姿态进行修正，包括：
14.首先考虑垂直方向：当无人机的实际下滑引导线高于期望下滑引导线第一预设角度时，垂直助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第一颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第一颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机降高，当无人机高度与期望下滑引导线一致时，第一颜色光束消失；当无人机的实际下滑引导线低于期望下滑引导线第二预设角度时，垂直助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第二颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第二颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机升高，当无人机在垂直方向上与期望下滑引导线的偏差在控制精度要求范围内时，第二颜色光束消失；
15.在垂直方向满足要求时，再考虑水平方向：当无人机的实际下滑引导线水平偏离期望下滑引导线第三预设角度时，水平助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第三颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第三颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机向水平偏离方向的反向偏向，当无人机水平方向与期望下滑引导线一致时，第三颜色光束消失；当无人机的实际下滑引导线水平偏离期望下滑引导线第四预设角度时，水平助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第四颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第四颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机向水平偏离方向的反向偏向，当无人机在水平方向上与期望下滑引导线的偏差在控制精度要求范围内时，第四颜色光束消失。
16.在一些可选的实施方案中，当无人机的实际飞行轨迹与期望下滑引导线在垂直方向与水平方向上的偏差在控制精度要求范围内时，垂直方向与水平方向的助降灯关闭，起降助降灯发出允许降落指示，无人机沿期望下滑引导线进行回收撞网。
17.在一些可选的实施方案中，当无人机进行助降灯引导降落时，无人机与海上平台的水平距离达到预设范围内，若无人机与期望下滑引导线的位置偏差仍不满足控制精度要求范围，则起降助降灯发出禁止降落指示，无人机进行复飞，绕飞一圈后，重新生成期望下滑引导线并以重新生成的期望下滑引导线为目标进行降落。
18.在一些可选的实施方案中，助降灯采用的是菲涅尔透镜，能够将光源发出的光反射成一道光束，助降灯布置可根据海上平台的实际情况安装在回收网两侧，也可以安装在直升机平台两侧。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
20.(1)结合海上平台未能适配固定翼无人机的现状，本发明提出一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，使用固定翼无人机及撞网回收方式，引入一种由“菲
涅尔”透镜(能够将光源发出的光反射成一道光束)构成的助降灯对无人机进行回收引导，不依赖于无人机本身的导航设备，而是通过控制垂直助降灯与水平助降灯的不同颜色的灯源，为无人机在垂直方向与水平方向上提供其与期望下滑引导线的位置偏差，从而提高固定翼无人机在海上平台的回收效率，使无人机能够更好地适配海上平台。
21.(2)充分利用无人机搭载的光电设备，通过光谱自适应技术，双向引导无人机撞网回收，从而提升海上平台固定翼无人机在海上平台降落的成功率。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的一种无人机降落过程原理图；
23.图2是本发明实施例提供的一种无人机回收引导流程示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。
26.在本发明实例中，第一预设角度、第二预设角度、第三预设角度及第四预设角度可以根据实际需要确定，本发明及以下实施例不做唯一性限定。
27.在本发明实例中，第一颜色、第二颜色、第三颜色及第四颜色可以根据实际需要确定，本发明及以下实施例不做唯一性限定。
28.本发明提供的一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，分为三个技术要点。一、期望下滑引导线计算；二、禁止/允许降落指示；三、无人机姿态修正。
29.(1)期望下滑引导线计算：无人机返航时，海上平台上的无人机控制台结合海上平台的横摇、纵摇及航行速度来计算回收架的中心点，并结合实际情况拟定无人机下滑点，通过回收架中心点指向无人机下滑点的射线作为无人机期望下滑引导线，并将期望下滑引导线的航点信息发送给无人机；
30.(2)禁止/允许降落指示：当海上平台具备降落条件时，无人机控制台控制回收架上的负责起降的助降灯点亮绿灯，并向无人机发射，表明无人机可开始下滑降落，否则点亮红灯；
31.(3)无人机姿态修正：无人机降落过程中，无人机控制台基于无人机的实际位置与期望下滑引导线在垂直方向与水平方向上的偏离情况，控制回收架上对应的垂直助降灯与水平助降灯点亮不同颜色的光线，并向无人机实际位置方向发射，无人机检测到对应颜色的光线后，对其姿态进行修正，其过程涉及水平方向与垂直方向上的姿态调整，详细步骤如下：
32.1)首先考虑垂直方向：当无人机的实际下滑引导线高于期望下滑引导线一定程度时(例如下滑角相差3度)，垂直助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射黄色光束，无人机上的光电设备检测并识别该光束后，由无人机上的控制系统控制其降高，当其高度与期望
下滑引导线一致时，黄色光束消失；同理，当无人机的实际下滑引导线低于期望下滑引导线时(例如下滑角相差-3度)，垂直助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射粉色光束，无人机上的光电设备检测并识别该光束后，由无人机上的控制系统控制其升高，当其在垂直方向上与期望下滑引导线的偏差在控制精度要求范围内时，粉色光束消失。
33.2)垂直方向满足要求时，再考虑水平方向：当无人机的实际下滑引导线水平偏离期望下滑引导线一定程度时(例如左偏3度)，水平助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射蓝色光束，无人机上的光电设备检测并识别该光束后，由无人机上的控制系统控制其右偏，当其水平方向与期望下滑引导线一致时，蓝色光束消失；同理，当无人机的实际下滑引导线水平偏离期望下滑引导线一定程度时(例如右偏-3度)，水平助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射紫色光束，无人机上的光电设备检测并识别该光束后，由无人机上的控制系统控制其左偏，当其在水平方向上与期望下滑引导线的偏差在控制精度要求范围内时，紫色光束消失。
34.3)当无人机的实际飞行轨迹与期望下滑引导线在垂直方向与水平方向上的偏差在控制精度要求范围内时，垂直方向与水平方向的助降灯关闭，起降助降灯点亮绿灯，无人机沿期望下滑引导线进行回收撞网。
35.4)当无人机进行助降灯引导降落时，其与海上平台的水平距离达到一定范围内(如100米)，若其与期望下滑引导线的位置偏差仍较大，则起降助降灯点亮红灯，无人机进行复飞，绕飞一圈后，重新生成期望下滑引导线并以其为目标进行降落。
36.其中，虚拟的无人机期望下滑引导线：海上平台上的无人机控制台需要结合平台的横摇、纵摇及航行速度，通过滤波算法计算来确定相对稳定的回收架中心点，并结合实际情况拟定距回收架中心点一定距离与高度的无人机下滑点，以回收架中心点指向无人机下滑点的射线作为无人机期望下滑引导线。期望下滑引导线信息(包括引导线起点位置与终点位置信息)由无人机控制台单方面实现。
37.其中，助降灯发射降落指示灯光：助降灯采用的是“菲涅尔”透镜，能够将光源发出的光反射成一道光束，其布置可根据海上平台的实际情况安装在回收网两侧，也可以安装在直升机平台两侧。当平台、回收网以及助降灯无异常时，表示平台具备无人机的降落条件，在期望下滑引导线计算完毕后，无人机可随时降落，在无人机返航时，无人机控制台可控制回收架上的起降助降灯点亮。助降灯发射降落指示灯光由海上平台单方面实现。传统“菲涅尔”灯助降主要是在大型有人驾驶飞机的降落过程中使用，通过人肉眼识别光束，进而由人操控飞机进行姿态调整。考虑到海上固定翼无人机降落的导航精度问题，本专利不依托无人机的导航信息，而是利用“菲涅尔灯”的特点，由无人机机载光电设备来识别灯光颜色，修正下滑轨迹使其沿着期望下滑轨迹降落，从而提高降落精度。
38.其中，无人机降落过程原理图如图1所示，由于风浪及海上平台的航行影响，回收网会存在一定的位置变化，无人机控制台可结合平台的姿态变化，通过滤波算法计算回收网的中心位置，生成一条期望下滑引导线，同时根据平台上搭载的光电设备识别无人机的位置，计算无人机偏离期望下滑引导线的情况，并控制助降灯向无人机实际位置方向发射不同颜色的光束。无人机则根据识别的光束颜色自主调整下滑姿态，从而实现无人机的自适应双向引导降落。该过程由无人机控制台与无人机双向实现。
39.其中，无人机回收引导流程如图2所示，无人机与海上平台上的无人机控制台之间
仅初始下降时进行信息交互，交互内容包括降落指令及期望下滑引导线位置信息，而在无人机下降过程中，平台上光电设备识别无人机位置，进行通过助降灯的颜色给出姿态调整信号，而无人机则通过识别助降灯颜色，在以期望下滑引导线为目标轨迹飞行时，对其姿态进行修正(或补偿)。
40.其中，图1中给出了一种在回收架上的五排助降灯的布置方式，该方式不唯一。通过无人机控制台计算期望下滑引导线，并发送给无人机，使其以期望下滑引导线为目标轨迹进行飞行。并通过平台上搭载的光电设备识别无人机的位置信息，进而以不同颜色的光线的形式给出合适的无人机位置修正信号，从而引导无人机降落。图1中，l1和r1、
…
、l5和r5为两组助降灯，其中，l1和r1为起降助降灯，l2和r2、l3和r3为垂直助降灯(分别在高于期望下滑引导线与低于期望下滑引导线时点亮)，l4和r4、l5和r5为水平助降灯(分别在左偏于期望下滑引导线与右偏于期望下滑引导线时点亮)。
41.本发明提供的一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，通过：1、使用搭载光电设备的无人机、海上平台搭载撞网式回收架，并在回收架上安装助降灯；2、在无人机准备降落时，配套的无人机控制台通过滤波算法计算回收网中心点，并结合实际情况拟定无人机下滑点，从而生成期望下滑引导线；3、由海上平台上的光电设备识别无人机准确位置；4、无人机控制台根据无人机的位置计算无人机与期望下滑引导线的偏离情况，并控制助降灯向无人机实际位置方向发射不同颜色的灯光；5、无人机在下降过程中，机载光电设备识别灯光，修正姿态，不断靠近期望下滑引导线飞行。
42.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
43.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，其特征在于，无人机搭载光电设备，且海上平台搭载撞网式回收架，并在回收架上安装助降灯，所述方法包括：在无人机准备降落时，由无人机控制台计算回收架中心点，并拟定无人机下滑点，从而生成期望下滑引导线；由海上平台上的光电设备识别无人机实际位置，无人机控制台根据无人机实际位置计算无人机与期望下滑引导线的偏离情况，并控制助降灯向无人机实际位置方向发射不同颜色的灯光；无人机在下降过程中，机载光电设备识别灯光，修正姿态，不断靠近期望下滑引导线飞行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由无人机控制台计算回收架中心点，并拟定无人机下滑点，从而生成期望下滑引导线，包括：由无人机控制台结合海上平台的横摇、纵摇及航行速度来计算回收架的中心点，并结合实际情况拟定无人机下滑点，通过回收架中心点指向无人机下滑点的射线作为无人机期望下滑引导线，并将期望下滑引导线的航点信息发送给无人机。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述无人机在下降过程中，机载光电设备识别灯光，修正姿态，不断靠近期望下滑引导线飞行，包括：无人机在下降过程中，无人机控制台基于无人机的实际位置与期望下滑引导线在垂直方向与水平方向上的偏离情况，控制回收架上对应的垂直助降灯与水平助降灯点亮不同颜色的光线，并向无人机实际位置方向发射，无人机检测到对应颜色的光线后，对无人机姿态进行修正。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对无人机姿态进行修正，包括：首先考虑垂直方向：当无人机的实际下滑引导线高于期望下滑引导线第一预设角度时，垂直助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第一颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第一颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机降高，当无人机高度与期望下滑引导线一致时，第一颜色光束消失；当无人机的实际下滑引导线低于期望下滑引导线第二预设角度时，垂直助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第二颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第二颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机升高，当无人机在垂直方向上与期望下滑引导线的偏差在控制精度要求范围内时，第二颜色光束消失；在垂直方向满足要求时，再考虑水平方向：当无人机的实际下滑引导线水平偏离期望下滑引导线第三预设角度时，水平助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第三颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第三颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机向水平偏离方向的反向偏向，当无人机水平方向与期望下滑引导线一致时，第三颜色光束消失；当无人机的实际下滑引导线水平偏离期望下滑引导线第四预设角度时，水平助降灯点亮，向无人机实际位置方向发射第四颜色光束，无人机上的光电设备检测并识别第四颜色光束后，由无人机上的控制系统控制无人机向水平偏离方向的反向偏向，当无人机在水平方向上与期望下滑引导线的偏差在控制精度要求范围内时，第四颜色光束消失。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当无人机的实际飞行轨迹与期望下滑引导线在垂直方向与水平方向上的偏差在控制精度要求范围内时，垂直方向与水平方向的助降灯关闭，起降助降灯发出允许降落指示，无人机沿期望下滑引导线进行回收撞网。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当无人机进行助降灯引导降落时，无人机与海上平台的水平距离达到预设范围内，若无人机与期望下滑引导线的位置偏差仍不满足控制精度要求范围，则起降助降灯发出禁止降落指示，无人机进行复飞，绕飞一圈后，重新生成期望下滑引导线并以重新生成的期望下滑引导线为目标进行降落。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，助降灯采用的是菲涅尔透镜，能够将光源发出的光反射成一道光束，助降灯布置可根据海上平台的实际情况安装在回收网两侧，也可以安装在直升机平台两侧。

技术总结
本发明公开了一种基于光谱自适应的固定翼无人机海上回收引导方法，属于无人机回收技术领域，通过光谱自适应技术，海上平台通过滤波算法生成期望下滑轨迹，船载光电设备识别无人机准确位置，通过助降灯光指示无人机与期望下滑轨迹的位置偏差，无人机通过机载光电设备识别助降灯光颜色不断修正下降轨道，使其实际下滑轨迹向期望下滑轨迹靠近，从而达到双向引导无人机撞网回收的目的。考虑到无人机导航精度问题，本发明不依赖于被动接收的无人机本身导航设备的导航信息，而是在近距离下，依赖海上平台与无人机搭载的光电设备的双向主动探测识别，提高导航精度，从而提升海上平台固定翼无人机的降落成功率。翼无人机的降落成功率。翼无人机的降落成功率。


技术研发人员：程垦 谭亮 李宙恒 李锦峰 王奕霖
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/4