本發(fā)明屬于旋翼飛行器安全降落領(lǐng)域，具體涉及一種旋翼飛行器安全捕獲裝置及捕獲方法。

背景技術(shù)：

近幾年，小型旋翼飛行器已經(jīng)逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其具備控制簡便、成本低廉、機(jī)動(dòng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)監(jiān)管、航拍測量、應(yīng)急搜救等方面。然而，旋翼飛行器自主起飛或降落(回收)，尤其是在多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(船舶)上，仍然存在這一些問題。公告號(hào)為CN205131676U的專利公開了一種車載飛行裝置，它包括艙室內(nèi)可垂直升降的升降板，升降板上通過電磁吸附裝置吸附安裝載有遙控?cái)z像頭的無人機(jī)。當(dāng)不需要無人機(jī)工作時(shí)，控制無人機(jī)落在升降板上,然后升降板上的兩塊電磁鐵通電,牢固的吸住無人機(jī),以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的回收。該專利雖然能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的回收，但其操作困難，無人機(jī)回收難度大，安全系數(shù)低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種旋翼飛行器安全捕獲裝置及捕獲方法，該裝置和方法操作簡單，能方便回收旋翼飛行器，提高回收安全率。

本發(fā)明所采用的方案是：

一種旋翼飛行器安全捕獲裝置，至少包括：

光學(xué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，用于引導(dǎo)旋翼飛行器進(jìn)入降落區(qū)域，并使進(jìn)入降落區(qū)域的旋翼飛行器處于懸停狀態(tài)；

自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，置于運(yùn)動(dòng)載體上，用于升降電磁吸附機(jī)構(gòu)；當(dāng)旋翼飛行器進(jìn)入懸停狀態(tài)時(shí)，升降電磁吸附機(jī)構(gòu)，使電磁吸附機(jī)構(gòu)與懸停狀態(tài)的旋翼飛行器接觸；當(dāng)旋翼飛行器與電磁吸附機(jī)構(gòu)發(fā)生接觸之后，升降機(jī)才停止上升；

電磁吸附機(jī)構(gòu)，用于捕獲鎖定旋翼飛行器，實(shí)現(xiàn)旋翼飛行器的回收。

按上述方案，所述光學(xué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)至少包括位于旋翼飛行器上的機(jī)載光學(xué)相機(jī)和位于自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的降落臺(tái)上的標(biāo)識(shí)參考物，通過標(biāo)識(shí)參考物在機(jī)載光學(xué)相機(jī)中的成像特征來判斷旋翼飛行器相對(duì)于標(biāo)識(shí)參考物的位姿，以此來引導(dǎo)旋翼飛行器進(jìn)入降落區(qū)域，并使進(jìn)入降落區(qū)域的旋翼飛行器處于懸停狀態(tài)。光學(xué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)主要依據(jù)已知的機(jī)載相機(jī)的焦距、圓的半徑和小孔成像模型，(將相機(jī)當(dāng)作小孔成像模型，降落臺(tái)上的特殊標(biāo)識(shí)(同心圓)被該模型投影在像平面上，呈現(xiàn)的特征(形狀、大小、位置)會(huì)隨著相機(jī)(飛行器)的觀察方位變化而改變，形狀即曲率半徑?jīng)Q定著飛行器的姿態(tài)，大小決定著飛行器的高度，位置決定著飛行器的相對(duì)水平位置。而相機(jī)的焦距屬于相機(jī)的固有參數(shù)，內(nèi)在地決定著成像模型。)對(duì)旋翼飛行器相對(duì)位姿進(jìn)行估算，既可以由操作人員遙控完成，也可以通過圖像處理自動(dòng)完成。

按上述方案，所述自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)至少包括升降機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、萬向鎖扣、降落臺(tái)；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于運(yùn)動(dòng)載體上，并與升降機(jī)連接；所述升降機(jī)通過萬向鎖扣與降落臺(tái)連接，降落臺(tái)與萬向鎖扣活鏈接，能任意轉(zhuǎn)動(dòng)；升降機(jī)受驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制可自由上升和下降，升降機(jī)可達(dá)的最大高度定為旋翼飛行器的捕獲范圍；升降機(jī)帶動(dòng)降落臺(tái)上下升降。當(dāng)且僅當(dāng)旋翼飛行器與降落臺(tái)發(fā)生接觸之后，升降機(jī)停止上升。

按上述方案，所述電磁吸附機(jī)構(gòu)至少包括吸附控制電路、位于旋翼飛行器上的金屬導(dǎo)通支架、位于降落臺(tái)上的電磁鐵陣列；所述吸附控制電路采用接觸開關(guān)導(dǎo)通，當(dāng)且僅當(dāng)旋翼飛行器上的金屬導(dǎo)通支架與降落臺(tái)上的電磁鐵陣列中的某個(gè)電磁鐵單元發(fā)生接觸時(shí),對(duì)應(yīng)該電磁鐵的電路導(dǎo)通，產(chǎn)生電磁吸附作用力，將旋翼飛行器吸附在降落臺(tái)上。吸附控制電路不僅負(fù)責(zé)電磁鐵支路的導(dǎo)通，也承擔(dān)著升降機(jī)的關(guān)閉，兩者的工作保持一致，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

按上述方案，機(jī)載光學(xué)相機(jī)的攝像頭被固定在旋翼飛行器的重心位置，光軸方向與旋翼飛行器機(jī)體水平方向相互垂直且朝下，即機(jī)載光學(xué)相機(jī)參考坐標(biāo)系與旋翼飛行器機(jī)體坐標(biāo)系一致；所述標(biāo)識(shí)參考物附在降落臺(tái)上，是一張由多個(gè)同心圓構(gòu)成的黑白相間圖形，其中每個(gè)圓的絕對(duì)半徑為已知信息；機(jī)載光學(xué)相機(jī)利用第一視角觀測該標(biāo)識(shí)參考物，依據(jù)其在視野當(dāng)中的位置和所占面積大小判斷當(dāng)前旋翼飛行器相對(duì)降落臺(tái)的高度和水平位置，以準(zhǔn)確引導(dǎo)旋翼飛行器進(jìn)入降落區(qū)域。飛行器當(dāng)前的高度與圖像中目標(biāo)的尺寸大小相關(guān)，姿態(tài)與其形狀(橢圓的曲率半徑參數(shù))相關(guān)，具體計(jì)算公式為：

其中，H代表飛行器高度，f_c為相機(jī)焦距，A_real代表實(shí)際目標(biāo)面積大小，A_image代表圖像中目標(biāo)面積大小，r_real代表實(shí)際目標(biāo)的半徑，r_1,image和r_2,image分別代表圖像中橢圓的長軸和短軸的長度，roll和pitch代表飛行器的滾動(dòng)角和傾斜角，K₁和K₂為比例因子。

按上述方案，所述萬向鎖扣至少包括底座、球體和支撐彈簧；所述底座與升降機(jī)連接；所述球體置于底座的圓弧型凹槽內(nèi)；所述支撐彈簧有多個(gè)，其一端與球體連接，其另一端與降落臺(tái)固定連接，降落臺(tái)在萬向鎖扣上可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，與地面或船體等環(huán)境平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分離，使降落臺(tái)與其他運(yùn)動(dòng)載體之間的運(yùn)動(dòng)互相不受干擾。

按上述方案，電磁鐵陣列包括并列設(shè)置的電磁鐵，每個(gè)電磁鐵分別串聯(lián)一個(gè)開關(guān)控制模塊；每個(gè)開關(guān)控制模塊獨(dú)立工作，互不影響；每一個(gè)電磁鐵分別采用接觸開關(guān)接觸導(dǎo)通；只有當(dāng)旋翼飛行器的金屬支架與某個(gè)接觸開關(guān)接觸時(shí)，與該接觸開關(guān)連接的電磁鐵支路導(dǎo)通，電磁鐵得電吸附旋翼飛行器；其它電磁鐵支路不導(dǎo)通。

本發(fā)明中，所述升降機(jī)也可通過手動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下升降。

本發(fā)明還提供一種采用上述旋翼飛行器安全捕獲裝置進(jìn)行旋翼飛行器捕獲的方法，包括如下步驟：

旋翼飛行器飛行到降落區(qū)域，保持懸停狀態(tài)；

降落臺(tái)在升降機(jī)的帶動(dòng)下上升，直至貼近上空的旋翼飛行器；

當(dāng)旋翼飛行器與降落臺(tái)上的某個(gè)電磁鐵支路的接觸開關(guān)接觸時(shí)，該電磁鐵支路導(dǎo)通，電磁鐵將旋翼飛行器吸附固定在降落平臺(tái)上，完成回收。

本發(fā)明的有益效果在于：

利用旋翼飛行器現(xiàn)有的設(shè)備，不給旋翼飛行器增加新的負(fù)載，易于實(shí)現(xiàn)；降低旋翼飛行器的降落和捕獲(回收)階段的操作復(fù)雜性；可操作性強(qiáng)，既可以全自動(dòng)化，也可以人為操作參與；

自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)處于主動(dòng)地位，主動(dòng)地去接觸空中懸停的旋翼飛行器，從而避免旋翼飛行器遙控或自主降落時(shí)控制狀態(tài)不穩(wěn)定而發(fā)生的事故，確保了旋翼飛行器的降落、回收安全；

當(dāng)旋翼飛行器與降落臺(tái)上分布的任一電磁鐵發(fā)生接觸，就會(huì)觸發(fā)與該電磁鐵連接的支路導(dǎo)通，使電磁鐵產(chǎn)生一定磁力對(duì)旋翼飛行器的金屬導(dǎo)通支架進(jìn)行“鎖定”，從而使旋翼飛行器在捕獲(回收)過程中不離開降落臺(tái)；捕獲非常方便、準(zhǔn)確；

自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)主動(dòng)上升去接觸處于懸停狀態(tài)的旋翼飛行器，一定程度上避免了旋翼飛行器自身降落的動(dòng)作，確保了旋翼飛行器的回收安全；

電磁鐵陣列均勻嵌置在降落臺(tái)上，從而增大旋翼飛行器降落的金屬導(dǎo)通支架與電磁鐵發(fā)生接觸的概率，確保了對(duì)旋翼飛行器的有效捕獲；

所有電磁鐵為并聯(lián)連接，每個(gè)電磁鐵的開關(guān)獨(dú)立工作，互不影響，從而有效降低能耗；

旋翼飛行器的金屬導(dǎo)通支架屬于電磁鐵導(dǎo)通電路的一部分，能夠?qū)㈦姶盆F支路的接觸開關(guān)導(dǎo)通，使電磁鐵導(dǎo)電，結(jié)構(gòu)合理，便于實(shí)現(xiàn)；

采用萬向鎖扣將升降機(jī)與降落臺(tái)連接，從而隔離開降落臺(tái)與運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，屬于“軟”連接，降落臺(tái)無受力作用保持水平狀態(tài)，受力可自由靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，保障旋翼飛行器的安全捕獲。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明旋翼飛行器安全捕獲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是降落臺(tái)的平面示意圖；

圖3是萬向鎖扣的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是電磁吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理圖。

其中：1、運(yùn)動(dòng)載體，2、旋翼飛行器，3、金屬導(dǎo)通支架，4、機(jī)載光學(xué)相機(jī)，5、降落臺(tái)，6、萬向鎖扣，6-1、底座，6-2、球體，6-3、支撐彈簧，6-4、圓弧型凹槽，7、升降機(jī)，8、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，9、標(biāo)識(shí)參考物，10、電磁鐵，11、開關(guān)控制模塊，12、接觸開關(guān)，13、開關(guān)電源，14、供電電源。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參見圖1-圖4，一種旋翼飛行器安全捕獲裝置，至少包括光學(xué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、電磁吸附機(jī)構(gòu)。

光學(xué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)用于引導(dǎo)旋翼飛行器2進(jìn)入降落區(qū)域，并使進(jìn)入降落區(qū)域的旋翼飛行器2處于懸停狀態(tài)；它至少包括位于旋翼飛行器2上的機(jī)載光學(xué)相機(jī)4和位于自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的降落臺(tái)5上的標(biāo)識(shí)參考物9，通過標(biāo)識(shí)參考物9在機(jī)載光學(xué)相機(jī)4中的成像特征來判斷旋翼飛行器2相對(duì)于標(biāo)識(shí)參考物9的位姿，以此來引導(dǎo)旋翼飛行器2進(jìn)入降落區(qū)域，并使進(jìn)入降落區(qū)域的旋翼飛行器2處于懸停狀態(tài)。本發(fā)明中，光學(xué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)主要依據(jù)已知的機(jī)載光學(xué)相機(jī)4的焦距、圓的半徑和小孔成像模型，對(duì)旋翼飛行器2相對(duì)位姿進(jìn)行估算，該估算既可以由操作人員遙控完成，也可以通過圖像處理自動(dòng)完成。在較佳實(shí)施例中，機(jī)載光學(xué)相機(jī)4的攝像頭被固定在旋翼飛行器2的重心位置，光軸方向與旋翼飛行器2機(jī)體水平方向相互垂直且朝下，即機(jī)載光學(xué)相機(jī)4參考坐標(biāo)系與旋翼飛行器2機(jī)體坐標(biāo)系一致，即機(jī)載光學(xué)相機(jī)的位姿與旋翼飛行器2保持一致；標(biāo)識(shí)參考物9附在降落臺(tái)5上，是一張由多個(gè)同心圓構(gòu)成的黑白相間圖形，其中每個(gè)圓的絕對(duì)半徑為已知信息，機(jī)載光學(xué)相機(jī)4在不同的視角下觀察標(biāo)識(shí)參考物9，標(biāo)識(shí)參考物9呈現(xiàn)不同比率的橢圓形狀，根據(jù)其在圖像的位置和大小，推測旋翼飛行器相對(duì)降落臺(tái)的方位和高度，不同的橢圓率也可以反映當(dāng)前旋翼飛行器的穩(wěn)定狀況，以準(zhǔn)確引導(dǎo)旋翼飛行器2進(jìn)入降落區(qū)域。

自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)置于運(yùn)動(dòng)載體1上，用于升降電磁吸附機(jī)構(gòu)的電磁鐵10；當(dāng)旋翼飛行器2進(jìn)入懸停狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)升降電磁吸附機(jī)構(gòu)的電磁鐵10，使電磁吸附機(jī)構(gòu)的電磁鐵10與懸停狀態(tài)的旋翼飛行器2接觸，因電磁吸附機(jī)構(gòu)的接觸開關(guān)12置于電磁鐵10旁，所以當(dāng)電磁鐵10與旋翼飛行器2接觸時(shí)，接觸開關(guān)12也與旋翼飛行器2接觸。自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)至少包括升降機(jī)7、驅(qū)動(dòng)電機(jī)8、萬向鎖扣6、降落臺(tái)5；驅(qū)動(dòng)電機(jī)8置于運(yùn)動(dòng)載體1上，被設(shè)置在升降機(jī)附近，通過絞盤的形式控制升降機(jī)的上升和下降；升降機(jī)7通過萬向鎖扣6與降落臺(tái)5連接，降落臺(tái)5與萬向鎖扣6活鏈接，能任意轉(zhuǎn)動(dòng)。萬向鎖扣6至少包括底座6-1、球體6-2和對(duì)稱設(shè)置的支撐彈簧6-3；底座6-1與升降機(jī)7連接；球體6-2置于底座6-1的圓弧型凹槽6-4內(nèi)；支撐彈簧6-3有多個(gè)，其一端與球體6-2連接，其另一端與降落臺(tái)5固定連接，降落臺(tái)5在萬向鎖扣6上可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，使降落臺(tái)5與運(yùn)動(dòng)載體1之間的運(yùn)動(dòng)互相不受干擾，以便降落臺(tái)5始終能夠保持近似水平狀態(tài)。升降機(jī)7受驅(qū)動(dòng)電機(jī)8控制可自由上升和下降，升降機(jī)7可達(dá)的最大高度為旋翼飛行器2的捕獲范圍；升降機(jī)7帶動(dòng)降落臺(tái)5上下升降。當(dāng)且僅當(dāng)旋翼飛行器2與降落臺(tái)5上的電磁鐵10(接觸開關(guān)12)發(fā)生接觸之后，升降機(jī)7才停止上升，該方式可以通過手動(dòng)控制，也可以通過電磁吸附機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

電磁吸附機(jī)構(gòu)，用于捕獲鎖定旋翼飛行器2，實(shí)現(xiàn)旋翼飛行器1的回收；至少包括吸附控制電路、位于旋翼飛行器2上的金屬導(dǎo)通支架3、位于降落臺(tái)5上的電磁鐵陣列；吸附控制電路采用接觸開關(guān)導(dǎo)通，當(dāng)且僅當(dāng)旋翼飛行器2上的金屬導(dǎo)通支架3與降落臺(tái)5上的電磁鐵陣列(接觸開關(guān)12)發(fā)生接觸時(shí),與電磁鐵陳列連接的電路導(dǎo)通，電磁鐵陣列產(chǎn)生電磁吸附作用力，將旋翼飛行器2吸附在降落臺(tái)5上。吸附控制電路不僅能負(fù)責(zé)電磁鐵支路的導(dǎo)通，也承擔(dān)著升降機(jī)7的關(guān)閉，兩者的工作保持一致，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。電磁鐵陣列為并列設(shè)置的電磁鐵10。吸附控制電路包括供電電源14、開關(guān)電源13、開關(guān)控制模塊11，每個(gè)電磁鐵10分別串聯(lián)一個(gè)開關(guān)控制模塊11，每個(gè)開關(guān)控制模塊11分別與供電電源14、接觸開關(guān)12連接；開關(guān)電源13的一端接地，開關(guān)電源13的另一端與旋翼飛行器2的金屬導(dǎo)通支架3連接，當(dāng)旋翼飛行器接觸其中一個(gè)電磁鐵時(shí)，此時(shí)旋翼飛行器2的金屬導(dǎo)通支架3也會(huì)與該電磁鐵10旁的接觸開關(guān)12接觸。當(dāng)旋翼飛行器2的金屬支架3與某個(gè)接觸開關(guān)12(電磁鐵10)接觸時(shí)，與該接觸開關(guān)12(電磁鐵10)連接的電磁鐵支路導(dǎo)通，電磁鐵10得電吸附旋翼飛行器2；其它電磁鐵支路不導(dǎo)通。本發(fā)明中，吸附控制電路采用分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一部分(供電電源、開關(guān)控制模塊、電磁鐵、接觸開關(guān)等)安設(shè)在降落臺(tái)；另一部分(開關(guān)電源等)安設(shè)在旋翼飛行器上，由一個(gè)安全范圍以內(nèi)的開關(guān)電源和金屬導(dǎo)通支架組成，金屬導(dǎo)通支架起到導(dǎo)通作用，以小電壓的電源去控制開關(guān)控制模塊的導(dǎo)通和關(guān)閉，能夠有效降低該裝置的功耗。

本發(fā)明還提供一種采用上述旋翼飛行器安全捕獲裝置進(jìn)行旋翼飛行器捕獲的方法，包括如下步驟：

旋翼飛行器飛行到降落區(qū)域(捕獲區(qū)域)，保持懸停狀態(tài)；此時(shí)，圖像處理系統(tǒng)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)信號(hào)，觸發(fā)升降機(jī)自動(dòng)上升(以恒定速度上升)；

降落臺(tái)在升降機(jī)的帶動(dòng)下上升，貼近上空的旋翼飛行器；

當(dāng)旋翼飛行器與降落臺(tái)上的某個(gè)電磁鐵支路的接觸開關(guān)接觸時(shí)，升降機(jī)停止上升，該電磁鐵支路導(dǎo)通，電磁鐵將旋翼飛行器吸附固定在降落平臺(tái)上，完成回收。

在整個(gè)捕獲(回收)過程中，旋翼飛行器的控制系統(tǒng)無需做出復(fù)雜指令，也不需要增加任何多余的負(fù)載設(shè)備，只需要保持懸停狀態(tài)即可。

本發(fā)明可在有人或無人干預(yù)的情況下，依據(jù)光電信號(hào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了飛行器在不規(guī)則的地面(不平整或斜面)或處于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的載體(船舶)上安全捕獲(回收)，保證了飛行器的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。