任德建，趙嘉睿，趙思哲，高雪芹，趙太飛

(1.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 湖南長沙410083；2.中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 湖南長沙410004；3.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 陜西西安710048)

0 引 言

在無人機(jī)使用過程中，輔助降落系統(tǒng)能夠引導(dǎo)無人機(jī)安全降落。目前無人機(jī)在電磁干擾大的場(chǎng)景和不便于遠(yuǎn)程操作控制的復(fù)雜地形中，定位偏移量高達(dá)10m[1]，不能滿足高精度定位降落需求[2]。能否在復(fù)雜環(huán)境中安全、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回收降落成為評(píng)價(jià)無人機(jī)發(fā)展的重要技術(shù)特征。

現(xiàn)有的無人機(jī)助降引導(dǎo)系統(tǒng)主要采用慣性引導(dǎo)技術(shù)(Inertial Navigation System，INS)、GPS引導(dǎo)技術(shù)以及基于機(jī)器視覺的引導(dǎo)技術(shù)(Machine Vision，MV)等。在霧霾天氣、復(fù)雜地形、電磁干擾等特殊環(huán)境下，常見的助降引導(dǎo)系統(tǒng)存在一定的定位不精確問題。慣性導(dǎo)航引導(dǎo)系統(tǒng)誤差隨著時(shí)間的推移而不斷加大，引導(dǎo)系統(tǒng)累計(jì)誤差較大；GPS引導(dǎo)系統(tǒng)受電磁干擾影響大，在局部地域內(nèi)受地形影響比較大；機(jī)器視覺引導(dǎo)圖像數(shù)據(jù)處理量巨大，由于計(jì)算需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差[3-7]。本文提出并研發(fā)了基于紫外信標(biāo)的無人機(jī)高精度助降引導(dǎo)系統(tǒng)，充分利用無線紫外光在日盲區(qū)抗干擾能力強(qiáng)、具有全天候非視距通信的能力，以及寬視場(chǎng)、保密通信能力強(qiáng)；適用于特殊通信場(chǎng)合的特有優(yōu)勢(shì)，使定位精度明顯提高。

1 系統(tǒng)工作流程

本文利用紫外光通信及多維陣列信標(biāo)相融合來構(gòu)建基于紫外信標(biāo)的高精度無人機(jī)降落引導(dǎo)系統(tǒng)，其總體工作流程如圖1所示。系統(tǒng)包含2個(gè)主要部分，分別是放置在地面的紫外光LED陣列信標(biāo)和無人機(jī)掛載接收裝置。

紫外光LED陣列信標(biāo)中的信標(biāo)調(diào)至控制系統(tǒng)進(jìn)行空間坐標(biāo)的標(biāo)定和信號(hào)的調(diào)制，將空間坐標(biāo)信息編譯成經(jīng)編碼和緯編碼，再由信標(biāo)調(diào)制控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)信標(biāo)紫外光LED陣列工作。

無人機(jī)掛載接收裝置中的紫外光接收設(shè)備捕捉紫外光編碼信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換獲取方位角、相對(duì)距離等定位信息，嵌入式控制系統(tǒng)將接收到的信標(biāo)信息與無人機(jī)的速度、高度等信息進(jìn)行比較、判斷，計(jì)算出偏移量信息，最后生成控制信息以引導(dǎo)無人機(jī)精準(zhǔn)降落。

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試驗(yàn)證

本文在無線紫外光鏈路模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機(jī)助降與飛行引導(dǎo)的背景，采用STC系列單片機(jī)構(gòu)建嵌入式單板，并基于C語言開發(fā)了實(shí)時(shí)處理控制軟件，以此搭建了基于紫外信標(biāo)無人機(jī)高精度降落引導(dǎo)系統(tǒng)裝置。圖2(a)為紫外光LED陣列信標(biāo)俯視圖，圖2(b)為PCB板，是焊接在圖2(a)信標(biāo)半球形底部的印制電路板，圖2(c)為無人機(jī)掛載接收裝置實(shí)物圖，放置在無人機(jī)上。

圖2 系統(tǒng)硬件Fig.2 System hardware

為驗(yàn)證本輔助降落系統(tǒng)的可靠性，分別在晴朗天氣(PM2.5濃度為50μg/m3)和霧霾天氣(PM2.5濃度為375μg/m3)下進(jìn)行無線紫外光測(cè)距實(shí)驗(yàn)。信標(biāo)發(fā)出的紫外光波長為385nm，選取0～80m范圍進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖3所示，霧霾天氣和晴朗天氣下系統(tǒng)均能發(fā)揮優(yōu)良性能；隨著距離的不斷減小，系統(tǒng)的測(cè)試精度不斷提高，能夠滿足無人機(jī)在復(fù)雜天氣下近低空飛行中精準(zhǔn)定位引導(dǎo)的需要。

圖4為信標(biāo)引導(dǎo)無人機(jī)降落過程演變圖，其中右上角為無人機(jī)掛載接收裝置顯示屏上方位的變化，右下角為信標(biāo)指示燈不斷的變化，確定方位和距離后，如圖4左邊所示，最終無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)降落在降落點(diǎn)上。參考相關(guān)文獻(xiàn)[8]，圖5為在電磁干擾條件下，GPS定位方式、GPS與慣性導(dǎo)航結(jié)合定位方式、北斗定位方式與基于紫外光信標(biāo)定位方式的誤差對(duì)比。在距離15m時(shí)用不同的系統(tǒng)導(dǎo)航，GPS定位誤差為4.5～14.5m，GPS與慣性導(dǎo)航結(jié)合定位誤差為4～10m，北斗定位誤差為4～4.5m，本系統(tǒng)定位誤差僅為0.05～0.15m[9]。

圖3 不同天氣條件下測(cè)距誤差隨測(cè)量距離變化情況Fig.3 Range error as a function of measurement distance under different weather conditions

圖4 無人機(jī)降落演變Fig.4 UAV landing evolution

圖5 電磁干擾條件下不同定位方式誤差比較Fig.5 Comparison of errors of different positioning methods under electromagnetic interference

綜上認(rèn)為，基于紫外光對(duì)空編碼信標(biāo)的無人機(jī)助降系統(tǒng)具有較高的精度，可滿足無人機(jī)中近距離內(nèi)定位引導(dǎo)的需要。

3 結(jié) 論

本文對(duì)基于紫外信標(biāo)的無人機(jī)高精度助降引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與討論，相較于以往系統(tǒng)，本系統(tǒng)在中近距離定位中具有如下特點(diǎn)：

①首次提出將無人機(jī)無線信標(biāo)和紫外光通信技術(shù)的導(dǎo)引及降落結(jié)合。利用紫外光散射通信、無背景噪聲干擾的優(yōu)勢(shì)搭建無人機(jī)助降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高精度助降引導(dǎo)。

②無線紫外光通信系統(tǒng)采用LED為光源，實(shí)現(xiàn)了信標(biāo)光源的微小型化，利于移動(dòng)和攜帶，且光波的方向性比無線電波更易于控制，無線紫外光通信可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的保密通信。同時(shí)，本系統(tǒng)具有定位精度高、不受電磁波影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法易實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

無人機(jī)作為一種日益被廣泛使用的工具，在人民生活、災(zāi)難救援、農(nóng)業(yè)、巡檢等場(chǎng)景中發(fā)揮著越來越重要的作用，提升無人機(jī)降落的準(zhǔn)確度及安全性在各個(gè)方面都具有非常重要的意義。要將本系統(tǒng)實(shí)用化、產(chǎn)品化，還有很多關(guān)鍵理論和技術(shù)難點(diǎn)需要攻克，而這將是未來發(fā)展無人機(jī)降落引導(dǎo)技術(shù)的前進(jìn)方向。