ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОСАДКИ БПЛА

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области управления движением транспорта, и, более конкретно, к портативному устройству для обеспечения посадки БПЛА.
Уровень техники
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА, UAV) постепенно становятся частью повседневной жизни – они выполняют доставку грузов, различные исследования, анализ окружающего пространства, контроль объектов, фото- и видеосъемку, используются в спасательных операциях и находят множество других применений. Как и в случае с другими видами транспорта, по всему миру ведутся разработки, направленные на полную автоматизацию работы БПЛА.
Одной из задач автоматизации БПЛА является его автономная посадка. Из уровня техники известно множество различных способов, которые можно условно разделить на 2 группы: посадка на подготовленную поверхность – например, на посадочную площадку, и на неподготовленную поверхность – например, на поверхность земли.
Традиционно для посадки БПЛА применяется навигация на основе глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС, GNSS), однако если стоит задача высокоточной посадки в заданном местоположении и с заданной ориентацией, то навигации непосредственно и только на основе ГНСС недостаточно, так как она обеспечивает точность лишь в пределах 5-8 метров. Одним из решений этой проблемы может быть применение систем дифференциальной коррекции, однако во многих сценариях работы БПЛА такие системы могут быть недоступны.
С целью увеличения точности во многих известных решениях используются способы дополнительной навигации. Некоторые такие способы применяют навигацию на основе связи между посадочной платформой и БПЛА, однако они требуют наличия дополнительного коммуникационного оборудования как на посадочной платформе, так и на борту БПЛА, что усложняет систему и возможности ее широкого применения.
Известны также способы дополнительной навигации, основанные на использовании установленной на БПЛА камеры. Камера в типичном случае является штатным бортовым средством, поэтому такие способы не требуют установки на БПЛА дополнительного оборудования. Существует множество способов, в которых в месте посадки размещается черно-белый маркер квадратной или иной формы, камера захватывает изображение, выполняется распознавание маркера, и тем самым определяется точное место посадки и/или положение камеры относительно маркера, что позволяет выполнять достаточно точную посадку. Тем не менее, такие способы имеют ряд недостатков: требуется высокое разрешение камеры, маркер должен полностью захватываться камерой, его не видно издалека и его не видно в сложных условиях окружающей среды (ночь, туман, осадки).
Например, в документе CN 111506091 A раскрывается система управления посадкой, в которой на поверхности посадочной платформы размещен LED-экран (экран из светодиодов) высокого разрешения, который показывает определенный паттерн, когда БПЛА находится на большой высоте над платформой, а затем показывает 5 маленьких двумерных паттернов, когда БПЛА приблизился к платформе. В качестве паттернов используются AprilTag. Однако такое решение является весьма дорогим и сложным конструктивно и алгоритмически, требует согласования между платформой и БПЛА относительно того, какие паттерны показывать в данный момент в соответствии с текущей высотой БПЛА, требует наличия экрана, что существенно ухудшает возможность использования в сложных условиях окружающей среды. Кроме того, подобная платформа требует питания и не является полностью портативной.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании конструктивно простого решения, которое обеспечивало бы возможность автономной посадки БПЛА в широком диапазоне условий окружающей среды.
Сущность полезной модели
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники настоящая полезная модель направлена на создание устройства для обеспечения посадки БПЛА.
Портативное устройство для обеспечения посадки БПЛА содержит:
основание, формирующее двумерную матрицу, ячейки которой при виде сверху различимы друг от друга;
набор маркировочных модулей, каждый из которых имеет форму ячейки упомянутой матрицы и приблизительно равный ей размер, содержит с внешней стороны световозвращающий элемент, а с внутренней стороны крепежный элемент, выполненный с возможностью прикрепления к основанию;
причем маркировочные модули прикреплены к основанию,
причем при виде сверху набор маркировочных модулей формирует световозвращающий паттерн, заранее известный для БПЛА в качестве паттерна для обеспечения посадки.
В одном из вариантов осуществления основание и маркировочные модули содержат гибкую основу.
В одном из вариантов осуществления ячейки матрицы содержат крепежные элементы, выполненные с возможностью прикрепления к крепежным элементам маркировочных модулей.
В одном из вариантов осуществления крепежные элементы на основании являются световозвращающими.
В одном из вариантов осуществления крепежные элементы на основании и крепежные элементы маркировочных модулей выполнены в виде застежек велкро.
В одном из вариантов осуществления паттерн для обеспечения посадки БПЛА представляет собой фидуциарный маркер.
В одном из вариантов осуществления цвет световозвращающих элементов маркировочных модулей отличается от цвета основания и от цвета крепежных элементов на основании.
В одном из вариантов осуществления набор маркировочных модулей содержит группу маркировочных модулей,
группа маркировочных модулей содержит главный маркировочный модуль и набор вспомогательных маркировочных модулей,
цвет световозвращающего элемента главного маркировочного модуля отличается от цвета световозвращающих элементов вспомогательных маркировочных модулей,
точное расположение маркировочных модулей и их цвета заранее известны БПЛА.
В одном из вариантов осуществления основание представляет собой складную шахматную доску с металлическим игровым полем, крепежные элементы маркировочных модулей представляют собой магниты, размер маркировочного модуля приблизительно равен клетке на игровом поле.
Технический результат
Настоящая полезная модель позволяет обеспечить автономную посадку БПЛА в широком диапазоне условий окружающей среды. При этом обеспечивается:
упрощение конструкции посадочной платформы по сравнению с платформами, содержащими экраны или источники света;
упрощение конструкции БПЛА за счет отсутствия необходимости установки на него дополнительного оборудования помимо камеры и блока управления;
повышение автономности;
повышение компактности и возможность сворачивания;
возможность быстрой смены паттерна;
возможность посадки на неподготовленной поверхности;
повышение точности посадки при сложных условиях окружающей среды;
уменьшение шума в радиоэфире за счет отсутствия необходимости осуществления связи между БПЛА и посадочной платформой;
возможность уменьшения размеров посадочной платформы.
Следует понимать, что не каждый из вариантов осуществления может обеспечивать одновременно все указанные преимущества по сравнению со всеми известными решениями из уровня техники. Соответственно, некоторые варианты осуществления могут обладать лишь некоторыми из указанных преимуществ или иными преимуществами относительно некоторых известных решений.
Эти и другие преимущества настоящей полезной модели станут понятны при прочтении нижеследующего подробного описания.
Подробное описание
Портативное устройство 100 для обеспечения посадки беспилотного летательного аппарата (БПЛА, UAV) содержит основание, формирующее двумерную матрицу, ячейки которой при виде сверху различимы друг от друга. Размер основания таков, чтобы устройство 100 можно было легко переносить в руках – например, 30×30 см, 40×40 см, 25×35 см и т.п.
Основание может быть жестким и представлять собой, например, лист фанеры, ДСП, пластиковую платформу и т.д. Жесткое основание позволяет повысить надежность и долговечность устройства 100, а также позволяет избежать трехмерных искажений рисунка паттерна при установке на неровную поверхность.
В другом варианте осуществления основание может иметь гибкую основу, выполненную, например, из текстильного материала, из эластичного полимерного материала и т.д.
Основание может иметь возможность складывания или сворачивания, что повышает портативность и удобство использования. Например, устройство 100, имеющее текстильное основание, может легко сворачиваться и переноситься.
Как указано выше, основание формируют двумерную матрицу, ячейки которой при виде сверху различимы друг от друга. В частности для этого на поверхности основания может быть выполнен рисунок матрицы, само основание может быть выполнено таким образом, чтобы формировать видимую ячеистую структуру (например, выполнено из полимерного материала с ячейками разного цвета), или может иметь дополнительные элементы, позволяющие сформировать матрицу, такие как шов, канавки, отверстия между ячейками, отверстия или крепежные элементы в центре ячеек и т.д. Например, если текстильное основание прошито продольными и поперечными швами, то на нем различимы ячейки, заключенные между швами. Наличие швов на текстильном основании позволяет повысить прочность устройства и возможности его применения в сложных условиях окружающей среды.
Ячейки матрицы могут иметь любую форму, необходимую для удовлетворения требований конкретного применения. В типовых вариантах осуществления ячейки матрицы могут иметь форму квадратов, сот, прямоугольников, кругов, треугольников и т.д.
Взаимное расположение ячеек в матрице также не ограничивается в настоящей полезной модели и может быть различным в зависимости от конкретного применения – например, ячейки могут быть сгруппированы в ряды и/или столбцы, со смещением рядов или столбцов друг относительно друга или без смещения.
Устройство 100 также содержит набор маркировочных модулей, каждый из которых имеет форму ячейки упомянутой матрицы и приблизительно равный ей размер. С внутренней стороны маркировочный модуль содержит крепежный элемент, с помощью которого маркировочный модуль может быть прикреплен к основанию. С внешней стороны маркировочный модуль имеет световозвращающий элемент, необходимый для повышения видимости в неблагоприятных условиях окружающей среды, таких как ночь, туман, дождь, снег и т.д. Световозвращающий элемент может быть выполнен, например, в виде жесткого световозвращателя типа катафот, гибкой световозвращающей ленты и т.д. Использование жесткого световозвращателя позволяет повысить долговечность устройства, а использование гибкого световозвращающего элемента позволяет повысить портативность устройства.
Набор маркировочных модулей, будучи прикрепленным к основанию и образуя с ним единое устройство, при виде сверху формирует световозвращающий паттерн, заранее известный для БПЛА в качестве паттерна для обеспечения посадки.
Таким образом, обеспечивается устройство для обеспечения посадки БПЛА, обладающее повышенной портативностью и возможностями использования в неблагоприятных условиях окружающей среды, в том числе тогда, когда электронное оборудование посадочной платформы не может быть использовано из-за габаритов, невозможности переноса, условий окружающей среды, сбоев, отсутствия питания и т.д.
В одном из вариантов осуществления основание и маркировочные модули содержат гибкую основу, выполненную из текстильного материала. Это увеличивает портативность устройства и удобство применения.
В одном из вариантов осуществления ячейки матрицы содержат крепежные элементы, выполненные с возможностью прикрепления к крепежным элементам маркировочных модулей. Это применимо для случаев, когда поверхность основания является немагнитной и для прикрепления маркировочных модулей к основанию требуется наличие дополнительных крепежных средств. Крепежные элементы основания и маркировочных модулей могут быть выполнены в виде кнопок, пуговиц и петель, магнитов, магнитов и металлических элементов, выемок и выступов, отверстий и выступов и т.д.
При необходимости крепежные элементы на основании могут быть световозвращающими, в таком случае они могут служить частью паттерна, увеличивая его площадь и видимость.
В одном из вариантов осуществления крепежные элементы на основании и крепежные элементы маркировочных модулей выполнены в виде застежек велкро. Это увеличивает скорость сборки устройства и тем самым увеличивает возможности и удобство его использования, особенно в неблагоприятных условиях окружающей среды.
В одном из вариантов осуществления паттерн для обеспечения посадки БПЛА представляет собой фидуциарный маркер. Фидуциарный маркер является широко используемым паттерном и позволяет обеспечить автономную посадку БПЛА с использованием типовых алгоритмов.
В одном из вариантов осуществления цвет световозвращающих элементов маркировочных модулей отличается от цвета основания и от цвета крепежных элементов на основании. Тем самым обеспечивается контрастность паттерна и увеличивается его видимость, что увеличивает возможности использования устройства, особенно в неблагоприятных условиях окружающей среды.
В одном из вариантов осуществления набор маркировочных модулей содержит группу маркировочных модулей, группа маркировочных модулей содержит главный маркировочный модуль и набор вспомогательных маркировочных модулей, цвет световозвращающего элемента главного маркировочного модуля отличается от цвета световозвращающих элементов вспомогательных маркировочных модулей, и точное расположение маркировочных модулей и их цвета заранее известны БПЛА. Такой паттерн позволяет дополнительно увеличить видимость устройства и возможности его использования, особенно в неблагоприятных условиях окружающей среды.
В одном из вариантов осуществления основание представляет собой складную шахматную доску с металлическим игровым полем, крепежные элементы маркировочных модулей представляют собой магниты, размер маркировочного модуля приблизительно равен клетке на игровом поле. Данный вариант прост в сборке, обладает повышенной надежностью и долговечностью, может устанавливаться на неровную поверхность без трехмерного искажения матрицы, имеет повышенную портативность. Кроме того, для такого варианта достаточно использовать типовую шахматную доску и лишь дополнить ее набором маркировочных модулей, которые необходимо установить на ее металлическую поверхность, чтобы получить в результате собранное устройство для обеспечения посадки БПЛА.
В процессе переноски устройства набор маркировочных модулей может храниться внутри устройства в демонтированном виде (например, в вышеуказанном варианте внутри сложенной шахматной доски) либо сразу в собранном виде.
С точки зрения переноски устройства в заранее собранном виде обладает повышенными характеристиками вариант осуществления, в котором основание и маркировочные модули имеют гибкую основу из текстильного материала и крепежные элементы в виде застежек велкро, пришитых к соответствующей гибкой основе, которые тоже легко сгибаются, а в качестве световозвращающих элементов используется световозвращающая лента, которая тоже легко сгибается. Такое устройство можно быстро разложить из свернутого состояния и сразу обеспечить возможность посадки БПЛА, не производя сборку устройства на месте.
Пример использования
Далее будет описан пример системы для автономной посадки БПЛА, в рамках которой используется устройство согласно настоящей полезной модели. Следует отметить, что данный пример не является ограничивающим и предназначен лишь для того, чтобы предоставить общее понимание предложенных принципов посадки и позиционирования БПЛА. Ниже в данном описании будут также приведены и другие примеры, также входящие в объем полезной модели.
В качестве БПЛА для целей настоящей полезной модели может рассматриваться, например, дрон, квадрокоптер, мультикоптер, беспилотный вертолет, самолет вертикального взлета и посадки (СВВП, VTOL) или любой другой летательный аппарат, на который установлены или могут быть установлены камера и блок управления автономной посадкой, с тем чтобы он был способен выполнять автономную посадку.
Устройство 100 для обеспечения посадки БПЛА является портативным (переносным) и автономным, не требуя ни внешнего, ни внутреннего питания. Устройство 100 содержит двумерный паттерн, заранее известный для БПЛА 200 в качестве паттерна для обеспечения посадки. Устройство 100 устанавливается на поверхность, на которую должен выполнить посадку БПЛА. При необходимости в процессе установки может выполняться раскладывание или разворачивание устройства 100.
Пользуясь средствами навигации (например, GPS, инерциальной системой и т.д.), БПЛА 200 на некоторой высоте подлетает к области посадки, где приблизительно должно быть расположено устройство 100. В другом варианте осуществления БПЛА 200 может утратить способность перемещаться к области посадки (например, из-за недоступности спутников, из-за сбоя системы навигации, из-за утраты связи с посадочной платформой или оператором, из-за другого сбоя или поломки), и чтобы не садиться на неизвестную поверхность, может зависнуть в воздухе в ожидании появления в области посадки устройства 100, что будет означать, что на поверхность, где установлено устройство 100, можно выполнить посадку.
БПЛА 200 выполняет поиск устройства 100, используя бортовую камеру, которая захватывает изображение приблизительной области посадки, бортовой блок управления автономной посадкой, а также при необходимости средство подсветки. В процессе обработки захваченных камерой изображений блок управления автономной посадкой БПЛА 200 обнаруживает по меньшей мере часть по меньшей мере одной группы маркировочных модулей устройства 100 и с использованием сохраненной в памяти информации о паттерне определяет местоположение и ориентацию устройства 100 относительно БПЛА 200. Затем БПЛА 200 приближается к устройству 100 на основании полученных данных, по возможности обнаруживает как можно большее число ячеек матрицы устройства 100 для обеспечения посадки БПЛА, уточняет местоположение и ориентацию устройства 100 относительно БПЛА 200, продолжает приближение и в конечном счете совершает автономную посадку.
Дополнительной особенностью предложенного портативного устройства является то, что его можно вообще не устанавливать на поверхность, а просто держать в руках, чтобы дать возможность БПЛА приблизиться к области посадки. Тем самым, в отличие от типовой посадочной платформы, данное устройство можно поднять на руках, чтобы увеличить его видимость.
Кроме того, по мере приближения БПЛА к устройству 100 его можно быстро перемещать (в том числе просто переходя на новое место, продолжая держать устройство 100 в руках). Таким образом, можно постепенно вывести БПЛА из области, в которой отсутствует подходящая для посадки поверхность, даже если затруднена видимость и потеряна связь с БПЛА.
Предложенное устройство испытано на практике для посадки БПЛА в автономном режиме и продемонстрировало повышенную портативность и возможность применения в неблагоприятных условиях окружающей среды.
Применение
Устройство согласно настоящей полезной модели можно использовать для автономной посадки БПЛА, выполняющих, в частности доставку грузов, различные исследования, анализ окружающего пространства, контроль объектов, фото- и видеосъемку, спасательные операции, автономный мониторинг для задач охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки и т.д.