基于紫外信標的無人機高精度助降裝置及應用

任德建，趙嘉睿，趙思哲，高雪芹，趙太飛

(1.中南大學交通運輸工程學院 湖南長沙410083；2.中南大學計算機學院 湖南長沙410004；3.西安理工大學自動化與信息工程學院 陜西西安710048)

0 引 言

在無人機使用過程中，輔助降落系統(tǒng)能夠引導無人機安全降落。目前無人機在電磁干擾大的場景和不便于遠程操作控制的復雜地形中，定位偏移量高達10m[1]，不能滿足高精度定位降落需求[2]。能否在復雜環(huán)境中安全、精準地實現(xiàn)自動回收降落成為評價無人機發(fā)展的重要技術特征。

現(xiàn)有的無人機助降引導系統(tǒng)主要采用慣性引導技術(Inertial Navigation System，INS)、GPS引導技術以及基于機器視覺的引導技術(Machine Vision，MV)等。在霧霾天氣、復雜地形、電磁干擾等特殊環(huán)境下，常見的助降引導系統(tǒng)存在一定的定位不精確問題。慣性導航引導系統(tǒng)誤差隨著時間的推移而不斷加大，引導系統(tǒng)累計誤差較大；GPS引導系統(tǒng)受電磁干擾影響大，在局部地域內受地形影響比較大；機器視覺引導圖像數據處理量巨大，由于計算需要一定的時間，導致實時性較差[3-7]。本文提出并研發(fā)了基于紫外信標的無人機高精度助降引導系統(tǒng)，充分利用無線紫外光在日盲區(qū)抗干擾能力強、具有全天候非視距通信的能力，以及寬視場、保密通信能力強；適用于特殊通信場合的特有優(yōu)勢，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相融合來構建基于紫外信標的高精度無人機降落引導系統(tǒng)，其總體工作流程如圖1所示。系統(tǒng)包含2個主要部分，分別是放置在地面的紫外光LED陣列信標和無人機掛載接收裝置。

紫外光LED陣列信標中的信標調至控制系統(tǒng)進行空間坐標的標定和信號的調制，將空間坐標信息編譯成經編碼和緯編碼，再由信標調制控制系統(tǒng)產生的控制信號驅動信標紫外光LED陣列工作。

無人機掛載接收裝置中的紫外光接收設備捕捉紫外光編碼信號，對信號進行解調，經A/D轉換獲取方位角、相對距離等定位信息，嵌入式控制系統(tǒng)將接收到的信標信息與無人機的速度、高度等信息進行比較、判斷，計算出偏移量信息，最后生成控制信息以引導無人機精準降落。

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

2 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試驗證

本文在無線紫外光鏈路模型的基礎上，結合無人機助降與飛行引導的背景，采用STC系列單片機構建嵌入式單板，并基于C語言開發(fā)了實時處理控制軟件，以此搭建了基于紫外信標無人機高精度降落引導系統(tǒng)裝置。圖2(a)為紫外光LED陣列信標俯視圖，圖2(b)為PCB板，是焊接在圖2(a)信標半球形底部的印制電路板，圖2(c)為無人機掛載接收裝置實物圖，放置在無人機上。

圖2 系統(tǒng)硬件Fig.2 System hardware

為驗證本輔助降落系統(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)下進行無線紫外光測距實驗。信標發(fā)出的紫外光波長為385nm，選取0～80m范圍進行測距實驗。結果如圖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)的測試精度不斷提高，能夠滿足無人機在復雜天氣下近低空飛行中精準定位引導的需要。

圖4為信標引導無人機降落過程演變圖，其中右上角為無人機掛載接收裝置顯示屏上方位的變化，右下角為信標指示燈不斷的變化，確定方位和距離后，如圖4左邊所示，最終無人機實現(xiàn)精準降落在降落點上。參考相關文獻[8]，圖5為在電磁干擾條件下，GPS定位方式、GPS與慣性導航結合定位方式、北斗定位方式與基于紫外光信標定位方式的誤差對比。在距離15m時用不同的系統(tǒng)導航，GPS定位誤差為4.5～14.5m，GPS與慣性導航結合定位誤差為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 不同天氣條件下測距誤差隨測量距離變化情況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

綜上認為，基于紫外光對空編碼信標的無人機助降系統(tǒng)具有較高的精度，可滿足無人機中近距離內定位引導的需要。

3 結 論

本文對基于紫外信標的無人機高精度助降引導系統(tǒng)進行了詳細的闡述與討論，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：

①首次提出將無人機無線信標和紫外光通信技術的導引及降落結合。利用紫外光散射通信、無背景噪聲干擾的優(yōu)勢搭建無人機助降系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機高精度助降引導。

②無線紫外光通信系統(tǒng)采用LED為光源，實現(xiàn)了信標光源的微小型化，利于移動和攜帶，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現(xiàn)點到點的保密通信。同時，本系統(tǒng)具有定位精度高、不受電磁波影響、結構簡單、算法易實現(xiàn)、系統(tǒng)可靠性強等優(yōu)點。

無人機作為一種日益被廣泛使用的工具，在人民生活、災難救援、農業(yè)、巡檢等場景中發(fā)揮著越來越重要的作用，提升無人機降落的準確度及安全性在各個方面都具有非常重要的意義。要將本系統(tǒng)實用化、產品化，還有很多關鍵理論和技術難點需要攻克，而這將是未來發(fā)展無人機降落引導技術的前進方向。