CN105222807B - 一种旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法 - Google Patents

Abstract

一种旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法。系统包括旋翼无人机载体和地面站；旋翼无人机载体包括无人机本体和安装在机身上的飞行控制器、定位计算机、激光传感器、GPS模块、数传模块、三轴增稳云台、前视摄像机、图传模块和下视摄像机；地面站包括地面监控站、图传基站和数传基站。本发明效果：具有高度自动化和自主性特点，能模拟真实飞机进近过程对PAPI灯进行检测；节省费用且测试精度很高；可满足对民航机场PAPI灯校验的各项指标测试，可替代传统的通过飞机校验的作业方式，可为机场节省大量开支和人员消耗，同时能适应PAPI灯检测周期性的要求，保证了PAPI灯指示的准确性，降低了飞行安全隐患。

Description

一种旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法

技术领域

本发明属于航道指示器技术领域，特别是涉及一种旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法。

背景技术

目视进近坡度指示系统是为进近着陆中的飞机提供正确下滑航道的助航灯光系统；其中精密进近航道指示器简称PAPI灯，其功能是在机场跑道进近坡度确定的情况下，向实施着陆作业的飞行员提供一个正确的进近航道指示和四个不同的偏离指示，为飞行员提供了一种目视判断进近着陆的角度，为飞行员最终修正飞机进近着陆姿态提供了一种可靠的保证，弥补了仪表着陆系统由于设备故障而造成的着陆安全隐患。不按照PAPI灯的指示降落会有安全隐患。

目前对于PAPI灯的校验都是通过采用真实的飞机和相应的设备进行校飞，整个校飞过程复杂，须进行报有关部门审批，调配飞机和安排飞行校验机组，申请航线，制定飞行计划，落实飞行校验各项勤务保障等一系列工作，并且需要飞行校验机组和地面人员密切配合；虽然这种方法对于校飞来说结果是比较精确可靠的，但是整个校验过程成本昂贵，费时费力，而且PAPI灯有周期性检查的要求，因此很难满足。目前现有的进近航道指示器测试系统都是通过物理手段模拟飞机进近航道，采用摄像机和图像采集卡将图像传输给计算机，然后人为去判断当前PAPI灯的组合模式是否满足要求，整个系统非常复杂笨重，操作繁杂，需要多人协同配合才能完成整个测试任务；并且该测试系统的自动化程度非常低，而且因为很多设备需要手动调节，增加了人为因素对测试精度的影响。

所以现有的测试系统虽然能对PAPI灯进行测试和调整，并节省费用，但其测量精度不高，人为因素对系统精度影响大，测试方法复杂，测试时对人力消耗较大，且设备的布置和调整非常不便，从而影响校验的效率和准确度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法。

为了达到上述目的，本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统包括：旋翼无人机载体和地面站；

所述的旋翼无人机载体包括：无人机本体和安装在机身上的飞行控制器、定位计算机、激光传感器、GPS模块、数传模块、三轴增稳云台、前视摄像机、图传模块和下视摄像机；其中：飞行控制器分别与定位计算机、激光传感器、GPS模块、数传模块和三轴增稳云台相连接，定位计算机与下视摄像机连接，前视摄像机安装在三轴增稳云台之上，图传模块与前视摄像机的视频输出端相连接；

所述的地面站包括：地面监控站、图传基站和数传基站；其中：地面监控站分别与图传基站和数传基站相连接，图传基站通过无线的方式与旋翼无人机载体上的图传模块连接，数传基站通过无线的方式与旋翼无人机载体上的数传模块连接。

所述的无人机本体的机身为六旋翼无人机，飞行控制器为基于STM32F407微控制器的飞行控制系统。

所述的激光传感器为单点激光传感器，通过串行通讯口与飞行控制器进行通讯，GPS模块通过串行通讯口与飞行控制器进行连接。

所述的下视摄像机为数字摄像机，安装在机身底面上，定位计算机为嵌入式计算机，下视摄像机通过USB接口与定位计算机相连接。

所述的地面监控站包括：图像采集卡、监控计算机和显示器；其中：监控计算机分别与显示器和数传基站连接，图传基站通过图像采集卡与监控计算机相连接。

本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统所采用的校验方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)使用激光传感器测量PAPI灯的固定脚架到光窗中心的高度，以便系统修正激光传感器发送回地面站的高度数据；

步骤2)为整个系统上电，测试系统各个功能单元的工作是否正常，各个功能单元工作正常后再进行下一步测试；

步骤3)将旋翼无人机载体转换到平衡飞行模式，手动轻推油门，观察无人机本体的电机和螺旋桨是否都工作正常，系统状态显示是否正常，全部正常才后进入下一步测试；

步骤4)将旋翼无人机载体移动到指定起飞区域，再次检查飞控系统及各模块的电源及工作状态指示是否正常，所有状态指示全部正常则可以进行下一步操作；

步骤5)通过监控地面站发送自主起飞的控制指令，旋翼无人机载体执行自主起飞的动作，并飞抵指定目标区域，然后通过下视摄像机将采集到的地面特征图像信息输入到定位计算机，定位计算机运用相应的视觉定位算法得到局部精准定位信息，之后传送给飞机控制器，飞机控制器融合GPS模块获得的GPS全局定位数据后得到精准的定位数据，飞机控制器通过其上的位置控制回路以及姿态控制回路的双回路控制器控制旋翼无人机载体1实现稳定的飞行；

步骤6)激光传感器将其测得的高度数据传送给飞机控制器，飞机控制器通过相应的算法并融合飞控系统IMU加速度数据实现旋翼无人机载体的定高控制；并通过控制旋翼无人机载体的高度以及下降速率，并通过三轴增稳云台挂载的前视摄像机实时采集PAPI灯的图像信息；

步骤7)图传模块将前视摄像机采集到的PAPI灯的图像信息实时传送回地面站上的图传基站，图传基站再传送给地面站上的图像采集卡，之后图像采集卡将上述图像数据输入给主控计算机，主控计算机通过运行相应的计算机视觉算法实时检测当前PAPI灯的颜色组合，综合当前旋翼无人机载体的高度数据和水平距离信息计算得到每个PAPI灯的安装角度结果，以指导PAPI灯的安装与维护；

步骤8)执行完PAPI灯的校验任务，最后由地面站向旋翼无人机载体发送自主返航降落的指令，旋翼无人机载体自主返航并降落在指定降落区域。

本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法的有益效果：

本系统采用的技术方案有高度自动化和自主性的特点，能够模拟真实飞机进近的过程对PAPI灯进行检测；节省了很大的费用且测试精度很高；通过旋翼无人机模拟真实飞机的进近过程，通过机身携带的云台和摄像机将拍摄的画面通过图传模块远程实时传送回地面站，通过图像采集卡将采集的图像输入监控计算机进行处理，通过高精度GPS进行无人机定位，高精度激光传感器进行定高，提高了测试精度，其精度可达±1′设备轻便方便携带，系统集成度高，自动化程度高，简化了测试程序，只需一人操作即可完成全部测试校验任务，测试更加方便快捷，可以对测试的数据和结果进行存储，以供后续查询分析使用；该系统可满足对民航机场PAPI灯校验的各项指标测试，可以替代传统的通过飞机校验的作业方式，可以为机场节省大量开支和人员消耗，具有高度自动化和智能性，同时能够适应PAPI灯检测周期性的要求，保证了PAPI灯指示的准确性，降低了飞行安全隐患，对民航机场的现代化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统结构示意图。

图2为本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统中旋翼无人机构成框图。

图3为本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统中地面站构成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统包括：旋翼无人机载体1和地面站2；

如图2所示，所述的旋翼无人机载体1包括：无人机本体和安装在机身上的飞行控制器1.1、定位计算机1.2、激光传感器1.3、GPS模块1.4、数传模块1.5、三轴增稳云台1.6、前视摄像机1.7、图传模块1.8和下视摄像机1.9；其中：飞行控制器1.1分别与定位计算机1.2、激光传感器1.3、GPS模块1.4、数传模块1.5和三轴增稳云台1.6相连接，定位计算机1.2与下视摄像机1.9连接，前视摄像机1.7安装在三轴增稳云台1.6之上，图传模块1.8与前视摄像机1.7的视频输出端相连接；

如图3所示，所述的地面站2包括：地面监控站2.1、图传基站2.2和数传基站2.3；其中：地面监控站2.1分别与图传基站2.2和数传基站2.3相连接，图传基站2.2通过无线的方式与旋翼无人机载体1上的图传模块1.8连接，数传基站2.3通过无线的方式与旋翼无人机载体1上的数传模块1.5连接。

所述的飞行控制器1.1为旋翼无人机载体1的主控制器，定位计算机1.2为运行视觉定位算法的机载嵌入式计算机，激光传感器1.3为用于无人机定高控制的激光传感器，GPS模块1.4为用于旋翼无人机载体1定位的高精度GPS模块，数传模块1.5为用于与数传基站2.3实现无线连接的无线数据收发模块，三轴增稳云台1.6为用于操控前视摄像机1.7视角的三轴无刷云台，飞行控制器1.1通过其内部的控制通道控制三轴增稳云台1.6动作，前视摄像机1.7为用于PAPI灯图像采集的模拟摄像机，图传模块1.8为用于远程回传视频信息的微波图像传输模块，下视摄像机1.9为用于视觉定位的数字摄像机。

所述的无人机本体的机身为六旋翼无人机，飞行控制器1.1为基于STM32F407微控制器的飞行控制系统，无人机本体的机身携带两块电池，一块用于飞控系统和所携带传感器供电，另外一块用于无人机供电而为无人机提供动力，这样可以做到主控和功率单元的隔离，防止产生耦合效应，从而影响系统的工作稳定性。

所述的激光传感器1.3为单点激光传感器，通过串行通讯口与飞行控制器1.1进行通讯，GPS模块1.4通过串行通讯口与飞行控制器1.1进行连接。

所述的下视摄像机1.9为数字摄像机，安装在机身底面上，定位计算机1.2为嵌入式计算机，下视摄像机1.9通过USB接口与定位计算机1.2相连接，将采集到的地面特征标志图像输入到定位计算机1.2，定位计算机1.2运行相应的视觉定位算法并将得到的定位数据输入到飞行控制器1.1的位置控制回路。

所述的三轴增稳云台1.6可以通过飞行控制器1.1的三个辅助PWM输出通道进行控制。

所述的前视摄像机1.7能够将其采集的模拟视频信号输入图传模块1.8，图传模块1.8再将模拟视频信号传回地面站2。

所述的地面监控站2.1包括：图像采集卡、监控计算机和显示器；其中：监控计算机分别与显示器和数传基站2.3连接，图传基站2.2通过图像采集卡与监控计算机相连接。

图像采集卡用于图像信息的采集，其与监控计算机相连接，图像采集卡将采集到的图像信息输入给监控计算机。

监控计算机根据采集回来的图像信息，运用图像处理和机器视觉技术得到灯光识别的结果，综合旋翼无人机载体1当前的高度信息和水平距离信息计算出当前的进近角度与识别的灯光颜色组合是否匹配，得到PAPI灯安装设置角度的校验结果；通过旋翼无人机载体1上的GPS模块1.4引导旋翼无人机载体1到达指定目标区域，目标区域地面上敷设有预先设计好的特征标志图案，旋翼无人机载体1通过机载下视摄像机1.9采集地面特征标志图像并输入到定位计算机1.2，定位计算机1.2通过相应的视觉定位算法实现旋翼无人机载体1的局部精确定位，然后传给飞行控制器1.1，飞行控制器1.1再融合GPS模块1.4提供的GPS定位数据实现旋翼无人机载体1的精准定位，并通过控制旋翼无人机载体1以下降高度的方式利用前视摄像机1.7实时地采集PAPI灯3的图像数据，然后通过图传模块1.8发送回地面站2上的图传基站2.2，供地面监控站2.1处理识别；同时通过数传模块1.5将由激光传感器1.3采集的旋翼无人机载体1当前的高度和水平距离信息、姿态信息、定位信息传送回地面站2上的数传基站2.3，以供在地面监控站2.1上显示旋翼无人机载体1当前的状态和计算进近角度使用，同时地面站2将“自主起飞、自动巡航和自主返航降落”等控制指令通过数传模块1.5发送到旋翼无人机载体1，以使旋翼无人机载体1执行相应的动作。

所述的地面站2中的监控计算机为便携式计算机，图传基站2.2将接收到的视频信息输入图像采集卡，图像采集卡通过USB数据线与监控计算机的USB接口相连接，将采集回系统的图像输入监控计算机；监控计算机通过图像处理技术和相应的算法自动识别当前的灯光，并将识别的结果在显示器上显示输出。

所述的显示器为液晶显示器，监控计算机运行相应的算法运用图像处理及机器视觉技术自动检测识别当前灯光颜色组合，得到当前识别的结果，并综合旋翼无人机载体1的高度和水平距离信息(水平距离为已知的距离PAPI灯3的300m处)，计算得到当前的PAPI灯3的指示角度是否满足要求，并通过显示器输出匹配结果。

本发明提供的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统所采用的校验方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)使用激光传感器1.3测量PAPI灯3的固定脚架到光窗中心的高度，以便系统修正激光传感器1.3发送回地面站2的高度数据；

步骤2)为整个系统上电，测试系统各个功能单元的工作是否正常，各个功能单元工作正常后再进行下一步测试；

步骤3)将旋翼无人机载体1转换到平衡飞行模式，手动轻推油门，观察无人机本体的电机和螺旋桨是否都工作正常，系统状态显示是否正常，全部正常才后进入下一步测试；

步骤4)将旋翼无人机载体1移动到指定起飞区域，再次检查飞控系统及各模块的电源及工作状态指示是否正常，所有状态指示全部正常则可以进行下一步操作；

步骤5)通过监控地面站2.1发送自主起飞的控制指令，旋翼无人机载体1执行自主起飞的动作，并飞抵指定目标区域，然后通过下视摄像机1.9将采集到的地面特征图像信息输入到定位计算机1.2，定位计算机1.2运用相应的视觉定位算法得到局部精准定位信息，之后传送给飞机控制器1.1，飞机控制器1.1融合GPS模块1.4获得的GPS全局定位数据后得到精准的定位数据，飞机控制器1.1通过其上的位置控制回路以及姿态控制回路的双回路控制器控制旋翼无人机载体1实现稳定的飞行；

步骤6)激光传感器1.3将其测得的高度数据传送给飞机控制器1.1，飞机控制器1.1通过相应的算法并融合飞控系统IMU(惯导单元)加速度数据实现旋翼无人机载体1的定高控制；并通过控制旋翼无人机载体1的高度以及下降速率，并通过三轴增稳云台1.6挂载的前视摄像机1.7实时采集PAPI灯3的图像信息；

步骤7)图传模块1.8将前视摄像机1.7采集到的PAPI灯3的图像信息实时传送回地面站2上的图传基站2.2，图传基站2.2再传送给地面站2上的图像采集卡，之后图像采集卡将上述图像数据输入给主控计算机，主控计算机通过运行相应的计算机视觉算法实时检测当前PAPI灯3的颜色组合，综合当前旋翼无人机载体1的高度数据和水平距离信息计算得到每个PAPI灯3的安装角度结果，以指导PAPI灯3的安装与维护；

步骤8)执行完PAPI灯3的校验任务，最后由地面站2向旋翼无人机载体1发送自主返航降落的指令，旋翼无人机载体1自主返航并降落在指定降落区域。

本发明提供旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统及校验方法具有测试成本较低，测试精度非常高，测试方便，高度自主性和智能化的特点，省时省力，只需要一键操作，即可完成全部测试任务，并给出测试报告和指导调整PAPI灯角度的方案。

Claims (6)

1.一种旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统，其特征在于：所述的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统包括：旋翼无人机载体(1)和地面站(2)；

所述的旋翼无人机载体(1)包括：无人机本体和安装在机身上的飞行控制器(1.1)、定位计算机(1.2)、激光传感器(1.3)、GPS模块(1.4)、数传模块(1.5)、三轴增稳云台(1.6)、前视摄像机(1.7)、图传模块(1.8)和下视摄像机(1.9)；其中：飞行控制器(1.1)分别与定位计算机(1.2)、激光传感器(1.3)、GPS模块(1.4)、数传模块(1.5)和三轴增稳云台(1.6)相连接，定位计算机(1.2)与下视摄像机(1.9)连接，前视摄像机(1.7)安装在三轴增稳云台(1.6)之上，图传模块(1.8)与前视摄像机(1.7)的视频输出端相连接；

所述的地面站(2)包括：地面监控站(2.1)、图传基站(2.2)和数传基站(2.3)；其中：地面监控站(2.1)分别与图传基站(2.2)和数传基站(2.3)相连接，图传基站(2.2)通过无线的方式与旋翼无人机载体(1)上的图传模块(1.8)连接，数传基站(2.3)通过无线的方式与旋翼无人机载体(1)上的数传模块(1.5)连接。

2.根据权利要求1所述的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统，其特征在于：所述的无人机本体的机身为六旋翼无人机，飞行控制器(1.1)为基于STM32F407微控制器的飞行控制系统。

3.根据权利要求1所述的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统，其特征在于：所述的激光传感器(1.3)为单点激光传感器，通过串行通讯口与飞行控制器(1.1)进行通讯，GPS模块(1.4)通过串行通讯口与飞行控制器(1.1)进行连接。

4.根据权利要求1所述的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统，其特征在于：所述的下视摄像机(1.9)为数字摄像机，安装在机身底面上，定位计算机(1.2)为嵌入式计算机，下视摄像机(1.9)通过USB接口与定位计算机(1.2)相连接。

5.根据权利要求1所述的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统，其特征在于：所述的地面监控站(2.1)包括：图像采集卡、监控计算机和显示器；其中：监控计算机分别与显示器和数传基站(2.3)连接，图传基站(2.2)通过图像采集卡与监控计算机相连接。

6.一种如权利要求1所述的旋翼无人机精密进近航道指示器校验系统所采用的校验方法，其特征在于：所述的校验方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)使用激光传感器(1.3)测量PAPI灯(3)的固定脚架到光窗中心的高度，以便系统修正激光传感器(1.3)发送回地面站(2)的高度数据；

步骤2)为整个系统上电，测试系统各个功能单元的工作是否正常，各个功能单元工作正常后再进行下一步测试；

步骤3)将旋翼无人机载体(1)转换到平衡飞行模式，手动轻推油门，观察无人机本体的电机和螺旋桨是否都工作正常，系统状态显示是否正常，全部正常才后进入下一步测试；

步骤4)将旋翼无人机载体(1)移动到指定起飞区域，再次检查飞控系统及各模块的电源及工作状态指示是否正常，所有状态指示全部正常则可以进行下一步操作；

步骤5)通过监控地面站(2.1)发送自主起飞的控制指令，旋翼无人机载体(1)执行自主起飞的动作，并飞抵指定目标区域，然后通过下视摄像机(1.9)将采集到的地面特征图像信息输入到定位计算机(1.2)，定位计算机(1.2)运用相应的视觉定位算法得到局部精准定位信息，之后传 送给飞机控制器(1.1)，飞机控制器(1.1)融合GPS模块(1.4)获得的GPS全局定位数据后得到精准的定位数据，飞机控制器(1.1)通过其上的位置控制回路以及姿态控制回路的双回路控制器控制旋翼无人机载体(1)实现稳定的飞行；

步骤6)激光传感器(1.3)将其测得的高度数据传送给飞机控制器(1.1)，飞机控制器(1.1)通过相应的算法并融合飞控系统IMU加速度数据实现旋翼无人机载体(1)的定高控制；并通过控制旋翼无人机载体(1)的高度以及下降速率，并通过三轴增稳云台(1.6)挂载的前视摄像机(1.7)实时采集PAPI灯(3)的图像信息；

步骤7)图传模块(1.8)将前视摄像机(1.7)采集到的PAPI灯(3)的图像信息实时传送回地面站(2)上的图传基站(2.2)，图传基站(2.2)再传送给地面站(2)上的图像采集卡，之后图像采集卡将上述图像数据输入给主控计算机，主控计算机通过运行相应的计算机视觉算法实时检测当前PAPI灯(3)的颜色组合，综合当前旋翼无人机载体(1)的高度数据和水平距离信息计算得到每个PAPI灯(3)的安装角度结果，以指导PAPI灯(3)的安装与维护；

步骤8)执行完PAPI灯(3)的校验任务，最后由地面站(2)向旋翼无人机载体(1)发送自主返航降落的指令，旋翼无人机载体(1)自主返航并降落在指定降落区域。