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TWI652205B - 具有雷達導引降落功能的無人機、無人機系統及其降落方法 - Google Patents

具有雷達導引降落功能的無人機、無人機系統及其降落方法 Download PDF

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TWI652205B
TWI652205B TW105136757A TW105136757A TWI652205B TW I652205 B TWI652205 B TW I652205B TW 105136757 A TW105136757 A TW 105136757A TW 105136757 A TW105136757 A TW 105136757A TW I652205 B TWI652205 B TW I652205B
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Abstract

一種具有雷達導引降落功能的無人機，用以降落至降落站，無人機利用全球定位系統收發單元之定位，透過控制單元從外部接收飛行路徑向降落站位置行進，當靠近降落站時，控制單元從外部接收啟動訊號後啟動降落雷達持續發送掃頻雷達波，當掃頻雷達波接觸到降落站後產生反射雷達波，使降落雷達接收反射雷達波並傳遞給控制單元，控制單元依據反射雷達波之資料進行運算後控制無人機降落至降落站。

Description

具有雷達導引降落功能的無人機、無人機系統及其降落方法
本發明係有關於一種具有無人機、無人機系統及其降落方法，特別是一種具有雷達導引降落功能的無人機。
目前無人機降落定位方式是依靠影像辨識系統，而且需要廣大的腹地讓無人機降落，更甚者，需要在地面放置可供辨識的圖像或可供辨識的目標物，其影像辨識系統才可準確降落。如在天候不良環境或夜晚時，其降落精確度就會大大降低。
進一步地，無人機進行長距離飛行時，於飛行中途需要補充電力，需要在特地場合精準與充電裝置結合或固定；當無人機降落在小範圍降落站或平台時，如燈桿或特定建築物平台，常會受到天候或能見度影響其降落的精準度，導致降落後無人機無法與充電裝置結合，進而無法充電。
另外在預定之飛行路線過程中，如遇到突發障礙物，傳統配置的影像辨識系統在天候不良或夜晚光線不佳時，也無法讓無人機做出及時閃避，因此容易有無人機毀損之情況產生。
為改善上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種具有 雷達導引降落功能的無人機、無人機系統及其降落方法，藉此提高降落精準度以順利降落至降落站。
為達前述之目的，本發明提供一種具有雷達導引降落功能的無人機包含：全球定位系統(GPS)收發單元，用以接收及傳遞位置資訊；降落雷達裝置，用以在降落時開啟，作為定位及降落測量距離；控制單元，分別電連接全球定位系統收發單元、降落雷達；其中，無人機利用全球定位系統收發單元之定位，透過控制單元從外部接收一飛行路徑向降落站位置行進，當靠近降落站時，控制單元從外部接收啟動訊號後啟動降落雷達持續發送掃頻雷達波，當掃頻雷達波接觸到降落站後產生反射雷達波，使降落雷達接收反射雷達波並傳遞給控制單元，控制單元依據反射雷達波之資料進行運算後控制無人機降落至降落站。
為了達成前述另一目的，本發明提供一種具有雷達導引降落功能的無人機系統，包含：降落站，降落站持續向外產生啟動訊號；無人機，無人機包含：全球定位系統(GPS)收發單元，用以接收及傳遞位置資訊；降落雷達裝置，用以在降落時開啟，作為定位及降落測量距離；控制單元，分別電連接全球定位系統收發單元、降落雷達；其中，無人機利用全球定位系統收發單元之定位，透過控制單元從外部接收飛行路徑向降落站位置行進，當靠近降落站時，控制單元接收到啟動訊號後啟動降落雷達持續發送掃頻雷達波，當掃頻雷達波接觸到降落站後產生反射雷達波，使降落雷達接收反射雷達波並傳遞給控制單元，控制單元依據反射雷達波之資料進行運算後控制無人機降落至降落站。
為了達成前述另一目的，本發明提供一種無人機雷達導引降落方法，係包括：設定飛行路徑，其中該飛行路徑上包含至少降落站可供該無人機降落；利用全球定位系統收發單元引導無人機往降落站位置前進，其中降落站持續對外發射啟動訊號；當無人機接收到啟動訊號後進入定位模式並持續發射掃頻雷達波；當無人機接收到掃頻雷達波接觸到降落站所產生的反射雷達波時，則無人機執行降落模式降落至降落站上。
10‧‧‧無人機
12‧‧‧本體
14‧‧‧飛行機構
101‧‧‧無人機控制電路
102‧‧‧偵測模組
103‧‧‧電力模組
1011‧‧‧控制單元
1012‧‧‧全球移動通訊系統
1013‧‧‧全球定位系統收發單元
1014‧‧‧伺服馬達
1015‧‧‧都普勒雷達
10152‧‧‧偵測訊號
10154‧‧‧反射訊號
10156‧‧‧迴避訊號
1016‧‧‧降落雷達
10162‧‧‧掃頻雷達波
10164‧‧‧反射雷達波
1017‧‧‧訊號強度偵測單元
1018‧‧‧射頻接收單元
1019‧‧‧充電單元
1020‧‧‧電力單元
20‧‧‧降落站
200‧‧‧平台
201‧‧‧射頻發射單元
2012‧‧‧啟動訊號
202‧‧‧定位元件
203‧‧‧儲能單元
204‧‧‧降落站控制單元
205‧‧‧記憶單元
206‧‧‧外部電力連接件
207‧‧‧電力偵測裝置
208‧‧‧太陽能板
209‧‧‧插槽部件
B‧‧‧障礙物
D1‧‧‧第一預設值
D2‧‧‧第二預設值
f1‧‧‧高頻訊號波形
f2‧‧‧低頻訊號波形
圖1為本發明之無人機結構示意圖。
圖2為本發明之無人機電路方塊圖。
圖3為本發明之無人機利用都普勒雷達進行迴避示意圖
圖4為本發明之降落站結構示意圖。
圖5為本發明之無人機執行降落模式至降落站之示意圖。
圖6-1~圖6-3為本發明之反射雷達波接收訊號值變化圖。
圖7-1~圖7-2為本發明之啟動訊號接收訊號值變化圖。
圖8為本發明之降落方法步驟順序圖。
有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如後，然所附圖式僅提供參考，並非用以對本發明加以限制。
請參閱圖1為本發明之無人機結構示意圖，無人機10具有本體12以及飛行機構14，飛行機構於本實施例中為螺旋槳方式帶動本體12飛行，但實際實施時亦可改用其他飛行推進器代替；本體12進一步設置有全球定位系統收 發單元1013、都普勒雷達1015、射頻接收單元1018以及降落雷達1016，其中都普勒雷達1015設置於該本體12的側面，降落雷達1016設置於本體12的下方為較佳的實施方式。
請參閱圖2為本發明之無人機控制電路方塊圖，無人機控制電路101包含偵測模組102以及電力模組103，其中電力模組103用以提供電力給偵測模組102工作；偵測模組102包含控制單元1011、全球移動通訊系統1012、全球定位系統收發單元1013、伺服馬達1014、都普勒雷達1015、降落雷達1016、訊號強度偵測單元1017、射頻接收單元1018、充電單元1019、電力單元1020；其中控制單元1011分別電性連接全球移動通訊系統1012、全球定位系統收發單元1013、伺服馬達1014、都普勒雷達1015、降落雷達1016、訊號強度偵測單元1017以及射頻接收單元1018；電力模組103包含充電單元1019以及與電連接充電單元1019的電力單元1020，其中充電單元1019為可對外進行電連接的連接器，電力單元1020較佳的實施方式為鋰電池。
進一步參閱圖2與圖3，當無人機10進行飛行時，控制單元1011會從外部接收的飛行路徑進行飛行，並且利用全球定位系統收發單元1013對無人機10之位置進行定位偵測，控制無人機依照飛行路徑行進；設置於本體12側面的都普勒雷達1015會在無人機10飛行時，朝向飛行行進方向持續發射偵測訊號10152，當無人機10的飛行行進方向上遭遇有障礙物B時，則偵測訊號10152接觸到障礙物B時會產生反射訊號10154，當都普勒雷達1015接收到反射訊號10154時，都普勒雷達1015會傳送迴避訊號10156給控制單元1011，讓控制單元1011控制無人機10在飛行途中調整飛行姿態，進行障礙迴避機制。
請參閱圖4為本發明之降落站結構示意圖，降落站20具有平台 200，平台200具有射頻發射單元201、定位元件202、儲能單元203、降落站控制單元204、記憶單元205、外部電力連接件206、電力偵測裝置207；其中定位元件202設置在平台上方用以將無人機固定於平台200上，外部電力連接件206則是從外部的市電電網接收市電給儲能單元203儲存電力以及給降落站20使用，當市電供給中斷時，則降落站20可以利用儲能單元203所儲存的電力進行工作，進一步地，更可以在平台200增設太陽能板208，藉此當市電供給中斷時，依然可以有電力來源對儲能單元203做電力儲存。
請同步參閱圖1~圖5，降落站20的降落站控制單元204會驅動射頻發射單元201以一定時間間隔頻率對外發送啟動訊號2012，由於啟動訊號2012是以雷達波的方式進行對外發射，因此具備有輻射範圍；當無人機10依照飛行路徑進行飛行靠近降落站20而進入啟動訊號2012的輻射範圍時，無人機10的射頻接收單元1018會接收到啟動訊號2012並通知控制單元1011啟動降落雷達1016工作，降落雷達1016會朝降落方向持續發送掃頻雷達波10162，當掃頻雷達波10162接觸到平台200後產生反射雷達波10164，使降落雷達1016接收反射雷達波10164並傳遞給控制單元1011，控制單元1011依據反射雷達波之資料進行運算後控制無人機10降落至降落站20的平台200上。
其中需要特別說明，掃頻雷達波10162為在頻率範圍內彼此相異頻率的複數訊號，其中頻率範圍較佳為0.5MHz~200MHz之間，降落雷達1016可以為脈衝(PULSE)雷達或其他種類之雷達，於較佳的實施例中可以為調頻連續波(FMCW)雷達；為了能夠產生較佳訊號強度的反射雷達波10164，平台200可採用金屬材質或具有高介電系數材質製作而成。
請參閱圖4、圖6-1至6-3，降落雷達1016所接收到反射雷達波 10164會隨著掃頻雷達波10162接觸到平台200的面積大小而成正比關係，當掃頻雷達波10162只有部份雷達波接觸到平台200時，如圖6-1所示，反射雷達波10164的訊號強度較小；當無人機繼續往平台的中心位置前進時，使掃頻雷達波10162完全接觸到平台200，如圖6-2所示，反射雷達波10164的訊號強度相較圖6-1來的較大，當反射雷達波10164的訊號強度符合第一預設值時D1，控制單元1011判斷無人機10接近到平台200的正上方而非邊緣位置，執行降落程序始無人機10降落至平台200上，如圖6-3所示，於降落過程中，反射雷達波10164的訊號波形會從高頻訊號波形f1往低頻訊號波形f2方向移動並且反射雷達波10164的訊號強度會逐漸增加，當反射雷達波10164的訊號波形停止變化或者僅呈現微幅變化時，控制單元1011隨即停止伺服馬達1014工作，進而讓飛行機構14停止運傳，其中，第一預設值D1為反射雷達波10164的訊號最大值。
請進一步參閱圖4、圖7-1至7-2，當無人機10進入到啟動訊號2012的輻射範圍時，為了增進無人機10降落時的精準度，除了啟動降落雷達1016工作之外，更可以利用射頻接收單元1018所接收到啟動訊號2012的訊號強度，因距離射頻發射單元201不同而有差異之特性，無人機10的控制單元1011會控制無人機10往啟動訊號2012的訊號強度高的方向前進直到符合第二預設值D2，以及反射雷達波10164符合第一預設值D1，控制單元1011執行降落模式，控制無人機10降落至降落站20；其中無人機10位於射頻發射單元201正上方時，射頻接收單元1018的訊號強度最大，於本實施例中，射頻發射單元201會設置於平台200的中心位置。需要特別說明，為了能夠偵測啟動訊號2012的訊號強度，可進一步設置訊號強度偵測單元1017來偵測啟動訊號2012的訊號強度，其中，訊號強度偵測單元 1017可以是單獨的電路設置並與射頻接收單元1018相互電連接，亦可以如圖2所示，訊號強度偵測單元1017可以為射頻接收單元1018的一部分電路。
再者，當無人機10降落完成至平台200後，可利用設置於平台200上的定位元件202對無人機20進行固定於平台200上，其中定位元件較佳的實施方式為磁感應線圈，當無人機10降落於平台200時，降落站20的降落站控制單元204將定位元件202進行通電產生磁場，利用磁力結合將無人機10固定於平台200上。
請繼續參考圖4與圖5，平台200可進一步設置插槽部件209，當無人機10完成降落時，充電單元1019可以跟插槽部件209電性連接而從降落站20擷取電力對電力單元103進行充電，較佳地，可以從降落站20的儲能單元203或是外部電力連接件206進行擷取電力。
請參閱圖8為本發明降落方法步驟順序圖，其中本發明的降落方法一種無人機10雷達導引降落方法，其步驟為設定飛行路徑，其中飛行路徑上包含至少降落站20可供該無人機降落；利用全球定位系統收發單元1013引導無人機10往降落站20位置前進，其中降落站20持續對外發射一啟動訊號2012；當無人機10接收到啟動訊號2012後進入一定位模式並持續發射掃頻雷達波10162；當無人機10接收到掃頻雷達波10162接觸到降落站20的平台200產生的反射雷達波10164，當反射雷達波10164符合第一預設值D1時，無人機10執行一降落模式降落至降落站20上，直到反射雷達波10164的訊號波形停止變化或微幅變化時，即確認該無人機完成降落模式。
再者，無人機10除了利用反射雷達波10164進行降落模式之外，更可以利用啟動訊號2012來增進降落精準；當無人機10偵測到啟動訊號2012 時，會進一步持續偵測啟動訊號2012之訊號強度，並往訊號強度高的方向飛行，當偵測到啟動訊號2012之訊號強度符合一第二預設值D2，以及反射雷達波10164符合第一預設值D1時，無人機10執行降落模式降落至降落站20；其中反射雷達波10164與啟動訊號2012之運作模式與前述相同之處，在此不再贅述。
進一步地，在飛行途中，無人機10可以執行一迴避模式，針對飛行方向發射偵測訊號10152，當飛行方向上有障礙物B時，偵測訊號10152會接觸到障礙物B並產生反射訊號10154，無人機10接收到反射訊號10154後，利用都普勒效應進行運算後迴避障礙物B。

Claims (17)

  1. 一種具有雷達導引降落功能的無人機，用以降落至降落站，包含；一全球定位系統(GPS)收發單元，用以接收及傳遞位置資訊；一降落雷達裝置，用以在降落時開啟，作為定位及測量降落距離；一控制單元，分別電連接該全球定位系統收發單元、該降落雷達裝置；其中，所述無人機利用該全球定位系統收發單元之定位，透過該控制單元從外部接收一飛行路徑向降落站位置行進，當靠近降落站時，該控制單元從外部接收一啟動訊號後啟動該降落雷達裝置持續發送一掃頻雷達波，當該掃頻雷達波接觸到降落站後產生一反射雷達波，使該降落雷達裝置接收該反射雷達波並傳遞給該控制單元，該控制單元依據該反射雷達波之資料進行運算後控制所述無人機降落至降落站。
  2. 如請求項1所述之無人機，更包含一射頻接收裝置，電連接該控制單元並用以從外部接收一啟動訊號，當該射頻接收裝置接收該啟動訊號時，通知該控制單元啟動該降落雷達裝置。
  3. 如請求項1所述之無人機，更包含一都普勒雷達裝置，電連接該控制單元，其中該都普勒雷達裝置用以向所述無人機之飛行方向發射一偵測訊號，當該都普勒雷達裝置接收到該偵測訊號所產生的一反射訊號時，該都普勒雷達裝置產生一迴避訊號給該控制單元，讓該控制單元控制所述無人機在飛行途中調整飛行姿態，進行障礙迴避機制。
  4. 如請求項1所述之無人機，其中該降落雷達裝置為脈衝(Pulse)雷達裝置。
  5. 如請求項1所述之無人機，其中該降落雷達裝置為調頻連續波(FMCW)雷達裝置
  6. 一種具有雷達導引降落功能的無人機系統，包含：一降落站，該降落站持續向外產生一啟動訊號；一無人機，該無人機包含：一全球定位系統(GPS)收發單元，用以接收及傳遞位置資訊；一降落雷達裝置，用以在降落時開啟，作為定位及降落測量距離；一控制單元，分別電連接該全球定位系統收發單元、該降落雷達裝置；其中，該無人機利用該全球定位系統收發單元之定位，透過該控制單元從外部接收一飛行路徑向該降落站位置行進，當靠近該降落站時，該控制單元接收到該啟動訊號後啟動該降落雷達裝置持續發送一掃頻雷達波，當該掃頻雷達波接觸到該降落站後產生一反射雷達波，使該降落雷達裝置接收該反射雷達波並傳遞給該控制單元，該控制單元依據該反射雷達波之資料進行運算後控制該無人機降落至該降落站。
  7. 如請求項6所述之無人機系統，其中該無人機更包含一射頻接收裝置，電連接該控制單元並用以從外部接收該啟動訊號並傳遞給該控制單元，當該控制單元接收到該啟動訊號時，啟動該降落雷達裝置，其中當該反射雷達波訊號強度符合一第一預設值，該控制單元執行一降落程序使該無人機降落於該降落站。
  8. 如請求項7所述之無人機系統，其中該控制單元依據該啟動訊號之訊號強度，控制該無人機往該啟動訊號強度高的方向飛行，該啟動訊號強度符合一第二預設值時，該控制單元執行一降落程序使該無人機降落至該降落站。
  9. 如請求項6所述之無人機系統，其中該啟動訊號可依據一時間間隔頻率進行發射。
  10. 如請求項6所述之無人機系統，其中該降落站更包含一儲能單元。
  11. 如請求項6所述之無人機系統，其中該降落站一端面具有一平台以及設置於該平台上的一插槽部件，其中該無人機降落於該平台上與該插槽部件連接後進行充電。
  12. 如請求項6所述之無人機系統，其中該平台上更具有一定位元件，當該無人機降落於該平台時，該定位元件與該無人機結合並將該無人機固定於該平台上。
  13. 如請求項12所述之無人機系統，其中該定位元件為磁感應線圈，當該無人機降落於該平台時，該降落站將該定位元件進行通電產生磁場，利用磁力結合將該無人機固定於該平台上。
  14. 一種無人機雷達導引降落方法，係包括；設定一飛行路徑，其中該飛行路徑上包含至少一降落站可供該無人機降落；利用一全球定位系統收發單元引導無人機往該降落站位置前進，其中該降落站持續對外發射一啟動訊號；當該無人機接收到該啟動訊號後進入一定位模式並持續發射一掃頻雷達波；當該無人機接收到該掃頻雷達波接觸到該降落站所產生的一反射雷達波時，該無人機執行一降落模式降落至該降落站上。
  15. 如請求項14所述之降落方法，其中，更包含一迴避模式，該無人機針對飛行方向發射一偵測訊號，當飛行方向上有一障礙物時，該偵測訊號會接觸到該障礙物B並產生一反射訊號，該無人機接收到該反射訊號後，利用一都普勒效應進行運算後迴避該障礙物。
  16. 如請求項14所述之降落方法，其中當該反射雷達波符合第一預設值時，該無人機執行該降落模式降落至該降落站上。
  17. 如請求項16所述之降落方法，其中該無人機持續偵測該啟動訊號之強度，並往訊號強度高的方向飛行，當偵測到該啟動訊號強度符合一第二預設值時，該無人機執行該降落模式降落至該降落站上。
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