[发明专利]四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统。在第一阶段，母机/子机以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；在第二阶段，子机在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，具体为先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落。本发明方法不需要依赖于高精度的传感器，不需要搭载高性能的机载计算机，有效减轻无人机的负载，提高无人机续航能力，具备重量轻、高可靠性、高精度的优点。

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，具体涉及四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统。

背景技术

目前四旋翼无人机充电的方式大多为固定充电桩的形式，无人机任务结束返回充电桩进行充电或更换电池。此方式无法提高单架次的续航能力，并且在森林、海域等无人机不具备降落条件时，充电桩的充电方式无法进行无人机充电作业。为了提高单架次无人机的续航能力，以及破除森林、海域无人机无法降落充电的壁垒，有必要对子母无人机空中精准对接进行研究，以实现全地形无障碍无人机空中充电。

发明内容

发明目的：为实现四旋翼子母机空中精准对接，克服目前地面充电的缺点，本发明提供一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法及系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种四旋翼无人机空中充电子母机精准对接控制方法，包括：

子机/母机将GPS位置信息发送至地面控制站，地面控制站将子机/母机的动态位置转发给母机/子机；母机/子机以子机/母机的动态位置作为输入，采用动态位置控制器逼近子机/母机，飞行至子机/母机的下方/上方；

子机在母机上方进行悬停搜索母机上的地标后进行精准降落，包括：先锁定地标进行精准跟踪，当锁定地标次数大于设定阈值后再切换到降落模式；在降落过程中，通过视觉处理模块获取水平位置信息，激光测距仪获取高度信息，分别传入水平位置控制器与高度控制器，控制子机精准降落，使得搭载在子机下方的受电板与搭载在母机上方的充电板对接。

本发明提供的子母机精准对接控制方法，区别于单飞行器降落到地面充电平台控制方法，是一种多尺度子母机空中对接控制方法，分为两阶段：（1）第一阶段根据子机的实际任务需求进行实施。若需要母机逼近正在作业的子机，则母机由远距离朝子机飞行，并悬停在子机下方；若需要子机逼近母机，则子机停止作业由远距离朝母机飞行，并悬停在母机上方。针对传统充电平台无人机精准返回充电平台上方成功率低的问题，以及传统位置控制器无法适用本发明中子机位置实时变化场景，本发明提出动态位置控制器，子机的动态位置作为母机动态位置控制器的期望输入（以母机飞向子机的场景为例）。（2）第二阶段为子机精准降落到搭载对接平台的母机上，本阶段细分为两步，第一步为精准跟踪，即子机飞至母机上方如何由航线模式精准的判断并切到降落模式的过程；第二步为切换到降落模式后的精准降落过程，针对子母机空中对接的场景，考虑到所选传感器的特点，融合视觉和测距传感器，解耦无人机水平位置与高度位置分别进行控制。

作为优选，所述动态位置控制器以输入的动态位置作为期望位置采用串级PID控制算法，其中子机/母机期望速度首先由母机/子机实时位置与子机/母机实际位置做差乘以比例系数得到vel_sp，再结合子母机间水平距离d确定：

其中，vel_zi为子机/母机的速度，为飞机速度放大参数，取值范围(1,2]，为子母机安全距离阈值，取值范围[3,6]，单位为m，为飞机安全速度阈值，取值范围(0,5]，单位为m/s。