可重构无人机三阶段对接控制方法技术

本发明专利技术提供一种可重构无人机三阶段对接控制方法，将无人机单元的对接过程分为远端接近阶段、近端调整阶段和捕获对接阶段三个阶段，能使无人机单元之间迅速实现对接重构，满足复杂空中环境下无人机自主对接需求，且能够保证对接过程安全、可靠。在远端接近阶段采用视觉加GPS融合导航方式缩短两架无人机单元间的距离；在近端捕获阶段，主动对接机进行姿态判断与位置判断，确定重构过程中由远端接近阶段向捕获对接阶段的切换时机；在捕获对接阶段，两架无人机单元实现对接固连，建立物质流

【技术实现步骤摘要】
可重构无人机三阶段对接控制方法


[0001]本专利技术涉及一种无人机重构方法，具体涉及一种可重构无人机三阶段拓扑重构方法，属于无人机


技术介绍

[0002]无人机在民用领域可自主执行物流、运输、配送、巡逻等任务，在军用领域可执行协同作战、电子对抗、救援等任务，是智慧城市建设和未来战场环境中的核心要素。随着智慧城市和战场环境内涵的扩展，无人机的发展面临着执行任务繁杂多变、运行环境立体多维、功能需求不断拓展、载体构型单一局限等重大挑战。显然，传统固定构型的无人机已难以应对上述挑战，受到尺寸灵活性和功能多样性难以兼得的矛盾，无法满足无人机大载重、高功率、长续航的需要。
[0003]可重构无人机由多个无人机单元组成，通过自主对接装置实现多个无人机单元的组合或解体，实现无人机机械层面、信息层面和能量层面的多层次重构，以改善负载能力、续航能力以及多机协作能力。可重构无人机技术全面拓展无人机的功能任务执行边界，赋予无人机更加灵活的使用方式，提供无人机发展的新思路、新方向，有望成为未来颠覆性创新技术。
[0004]无人机的自主对接是可重构无人机实现的基础，各个可重构无人机之间可以通过对接机构形成物质流
‑
信息流
‑
控制流通道，满足可重构无人机多层次重构的需求。但由于空中环境复杂多变，无人机受气流干扰大、运动自由度多等影响，实现自主对接难度极高。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种可重构无人机三阶段对接控制方法，将无人机单元的对接过程分为远端接近阶段、近端调整阶段和捕获对接阶段三个阶段，能使无人机单元之间迅速实现对接重构，满足复杂空中环境下无人机自主对接需求，且能够保证对接过程安全、可靠。
[0006]所述可重构无人机三阶段对接控制方法，具体为：1、可重构无人机三阶段对接控制方法，其特征在于，所述可重构无人机具有两个以上无人机单元；两个以上所述无人机单元通过对接机构实现无人机的重构；
[0007]所述三阶段对接控制方法将两个无人机单元的对接过程分为：远端接近阶段、近端调整阶段及捕获对接阶段；
[0008]两架无人机单元对接时，其中一架无人机单元为主动对接机，另一架无人机单元为被动对接机；
[0009]当两架无人机单元收到对接指令后，进入远端接近阶段；在所述远端接近阶段，被动对接机在空中保持悬停，主动对接机向被动对接机靠近直至两者距离小于设定值，然后进入近端调整阶段；
[0010]所述近端调整阶段采用近端判别条件确定由远端接近阶段向捕获对接阶段的切
换时机；所述近端判别条件包括：位置判断和姿态判断，当两个判断条件同时满足时，进入捕获对接阶段；否则，则对主动对接机的位置、姿态进行调整直到满足位置判断条件与姿态判断条件；
[0011]所述捕获对接阶段，主动对接机控制其对接机构与被动对接机对接机构进行对接，使两个无人机单元完成拓扑重构。
[0012]作为本专利技术的一种优选方式，在所述远端接近阶段，采用视觉加GPS融合导航方式控制主动对接机向被动对接机靠近，包括：GPS主导远距离跟踪阶段、信息过渡阶段和视觉信息引导的近距离跟踪阶段；
[0013]令主动对接机向被动对接机靠近时所使用的两架无人机单元间的相对位姿信号为r，GPS反馈的位姿信号为r1，视觉信息反馈的位姿信号为r2：
[0014]在GPS主导远距离跟踪阶段：
[0015]r＝r1
ꢀꢀ
(d＞d1)
[0016]式中：d为主动对接机上激光测距传感器所实时测量的两架无人机单元之间的距离，d1为设定的视觉信息权重为零的阈值；
[0017]在信息过渡阶段：
[0018]r＝r1
×
(1
‑
(d1
‑
d)/(d1
‑
d2))+r2
×
((d1
‑
d)/(d1
‑
d2))
ꢀꢀ
(d2≤d≤d1)
[0019]式中：d2为设定的GPS信息权重为零的阈值；
[0020]在视觉信息引导的近距离跟踪阶段：
[0021]r＝r2
ꢀꢀ
(d＜d2)。
[0022]作为本专利技术的一种优选方式，所述近端调整阶段，主动对接机首先进行位置判断，位置判断条件如下：采用单目视觉特征识别或激光测距的方法来得到两架无人机单元之间的相对位置，当测得的距离小于设定值时认为满足位置判断条件，则进入姿态判断；若不满足，则主动对接机进行位置调整，直至满足位置判断条件；
[0023]主动对接机进行姿态判断时：
[0024]令主动对接机测得的自身航向角为俯仰角为θ
a
、滚转角为γ
a
，被动对接机测得的自身航向角为俯仰角为θ
b
、滚转角为γ
b
；所述被动对接机将测得的自身姿态发送给主动对接机，所述主动对接机依据如下姿态判断条件进行姿态判断：
[0025][0026][0027][0028]当满足上述关系式时认为满足姿态判断条件，否则进一步调整姿态，直至满足姿态判断条件；其中，θ
max
、γ
max
分别为两架无人机单元能够实现捕获的极限相对航向角、俯仰角、滚转角，为设定值。
[0029]作为本专利技术的一种优选方式，所述主动对接机进行位置判断时：采用单目视觉特征识别和激光测距的方法来得到两架无人机单元之间的相对位置，当两种方法测得的距离均小于设定值时认为满足位置判断条件。
[0030]作为本专利技术的一种优选方式，所述主动对接机采用视觉特征识别的方法获得与被
动对接机的相对姿态：
[0031]在无人机单元的每个侧面的设定位置均设置特征图像作为视觉特征识别的靶标，所述特征图像为正方形且该正方形内部具有呈非对称分布黑色区域和白色区域；所述主动对接机通过对特征图像的识别，确定特征图像在三维坐标下的位置与姿态，进而获得被动对接机相对主动对接机的位置与姿态。
[0032]作为本专利技术的一种优选方式，所述对接机构包括：抓取部和被抓取部，所述无人机单元的对接面上分别设置有抓取部和被抓取部；两架无人机单元对接时，其中一架无人机单元对接面上的抓取部和被抓取部分别与另一架无人机单元对接面上的被抓取部和抓取部配合，实现两架无人机单元的对接；
[0033]所述抓取部包括：外壳、动力单元、钩爪和活动圆盘；
[0034]所述活动圆盘同轴安装在外壳内部，与外壳内圆周面滑动配合；所述动力单元用于驱动所述活动圆盘沿外壳的轴线移动；沿活动圆盘的周向均匀间隔铰接有三个以上钩爪，外壳中部与每个钩爪对应的位置设置有用于使钩爪的爪端伸出外壳的开口槽；所述开口槽所在位置通过销轴连接有限位块；当需要对接时，所述动力单元驱动活动圆盘沿轴向向外移动，带动钩爪向外移动，所述钩爪向外移动过程中，挤压对应开口槽处的限位块，使限位块绕销轴转动，进而使钩爪绕本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可重构无人机三阶段对接控制方法，其特征在于，所述可重构无人机具有两个以上无人机单元；两个以上所述无人机单元通过对接机构实现无人机的重构；所述三阶段对接控制方法将两个无人机单元的对接过程分为：远端接近阶段、近端调整阶段及捕获对接阶段；两架无人机单元对接时，其中一架无人机单元为主动对接机，另一架无人机单元为被动对接机；当两架无人机单元收到对接指令后，进入远端接近阶段；在所述远端接近阶段，被动对接机在空中保持悬停，主动对接机向被动对接机靠近直至两者距离小于设定值，然后进入近端调整阶段；所述近端调整阶段采用近端判别条件确定由远端接近阶段向捕获对接阶段的切换时机；所述近端判别条件包括：位置判断和姿态判断，当两个判断条件同时满足时，进入捕获对接阶段；否则，则对主动对接机的位置、姿态进行调整直到满足位置判断条件与姿态判断条件；所述捕获对接阶段，主动对接机控制其对接机构与被动对接机对接机构进行对接，使两个无人机单元完成拓扑重构。2.如权利要求1所述的可重构无人机三阶段对接控制方法，其特征在于，在所述远端接近阶段，采用视觉加GPS融合导航方式控制主动对接机向被动对接机靠近，包括：GPS主导远距离跟踪阶段、信息过渡阶段和视觉信息引导的近距离跟踪阶段；令主动对接机向被动对接机靠近时所使用的两架无人机单元间的相对位姿信号为r，GPS反馈的位姿信号为r1，视觉信息反馈的位姿信号为r2：在GPS主导远距离跟踪阶段：r＝r1(d＞d1)式中：d为主动对接机上激光测距传感器所实时测量的两架无人机单元之间的距离，d1为设定的视觉信息权重为零的阈值；在信息过渡阶段：r＝r1
×
(1
‑
(d1
‑
d)/(d1
‑
d2))+r2
×
((d1
‑
d)/(d1
‑
d2))(d2≤d≤d1)式中：d2为设定的GPS信息权重为零的阈值；在视觉信息引导的近距离跟踪阶段：r＝r2(d＜d2)。3.如权利要求1所述的可重构无人机三阶段对接控制方法，其特征在于，所述近端调整阶段，主动对接机首先进行位置判断，位置判断条件如下：采用单目视觉特征识别或激光测距的方法来得到两架无人机单元之间的相对位置，当测得的距离小于设定值时认为满足位置判断条件，则进入姿态判断；若不满足，则主动对接机进行位置调整，直至满足位置判断条件；主动对接机进行姿态判断时：令主动对接机测得的自身航向角为俯仰角为θ
a
、滚转角为γ
a
，被动对接机测得的自身航向角为俯仰角为θ
b
、滚转角为γ
b
；所述被动对接机将测得的自身姿态发送给主动对接机，所述主动对接机依据如下姿态判断条件进行姿态判断：
|θ
a
‑
θ
b
|<θ
max
|γ

【专利技术属性】
技术研发人员：倪俊，郑泽浩，杨芃芊，黄珂，赖虹羽，朱俊帆，袁昊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：