專(zhuān)利名稱：基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于無(wú)人直升機(jī)測(cè)量真實(shí)飛行高度的方法，能夠高精度地測(cè)量無(wú)人直升 機(jī)距地面的高度，同時(shí)為無(wú)人直升機(jī)機(jī)增重極少。主要應(yīng)用在航空航天、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無(wú)人直升機(jī)通常在低空飛行。因此，準(zhǔn)確可靠的高度測(cè)量對(duì)于無(wú)人直升機(jī)的 安全飛行至關(guān)重要。傳統(tǒng)的無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量主要采用氣壓高度計(jì)、GPS(Global Positioning System)和超聲波高度計(jì)和激光高度計(jì)四種。以上四種高度測(cè)量方法較為常 用，也各有優(yōu)缺點(diǎn)氣壓高度計(jì)重量最輕，但只能測(cè)量直升機(jī)的海拔高度，而不能測(cè)量直升 機(jī)距地面的真實(shí)高度；GPS重量較輕，但也只能測(cè)量直升機(jī)的海拔高度，不能測(cè)量直升機(jī)距 地面的真實(shí)高度；超聲波高度計(jì)重量較輕，可以測(cè)量直升機(jī)距離地面的真實(shí)高度，但其量程 通常不足10m，難以在直升機(jī)的飛行中發(fā)揮主要作用；激光雷達(dá)可以測(cè)量直升機(jī)距地面的 真實(shí)飛行高度，但其重量較大，且價(jià)格昂貴，因此通常不為小型無(wú)人直升機(jī)所裝備。由于以上四種高度測(cè)量方法的現(xiàn)狀，無(wú)人直升機(jī)通常不得不事先勘測(cè)航線，保證 無(wú)人直升機(jī)的飛行高度在全部障礙物的高度之上，從而保證飛行安全。因此，無(wú)人直升機(jī)迫 切需要一種能夠有效測(cè)量距地面真實(shí)飛行高度的可實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明通過(guò)在機(jī)載攝像機(jī)旁固定安裝一個(gè)激光發(fā)射器，使激光發(fā)射器、機(jī)載攝像 機(jī)和飛行控制計(jì)算機(jī)三者構(gòu)成一個(gè)基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量系統(tǒng)， 從而可以有效測(cè)量無(wú)人直升機(jī)距地面的真實(shí)飛行高度。經(jīng)調(diào)研，目前尚未有類(lèi)似發(fā)明，即采 用基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)真實(shí)飛行高度測(cè)量方法出現(xiàn)。本發(fā)明可以實(shí)時(shí)地測(cè)量無(wú)人直升機(jī)的真實(shí)飛行高度，使無(wú)人直升機(jī)能夠在飛行 過(guò)程中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量距地真實(shí)飛行高度。據(jù)此高度數(shù)據(jù)，無(wú)人直升機(jī)實(shí)時(shí)改變飛行高 度，避免與地面障礙物發(fā)生碰撞。此外，本發(fā)明同時(shí)還可以與超聲波高度計(jì)，氣壓高度計(jì)或 GPS(Global Positioning System)組成余度測(cè)高系統(tǒng)，以增加直升機(jī)高度測(cè)量的可靠性， 進(jìn)而提高無(wú)人直升機(jī)飛行的安全性。此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，只需在常規(guī)的無(wú)人直升機(jī) 上添加一個(gè)激光發(fā)射器即可實(shí)現(xiàn)測(cè)距。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)高精確，測(cè)高范圍大，簡(jiǎn)單可靠，改裝容 易，且為無(wú)人直升機(jī)增重極少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于無(wú)人直升機(jī)在飛行中對(duì)周?chē)矬w進(jìn)行測(cè)距的方法。其特征在于，含有機(jī)載攝像機(jī)、激光發(fā)射器和飛行控制計(jì)算機(jī)，其中，激光發(fā)射器 光軸與機(jī)載攝像機(jī)光軸共面并保持恒定夾角，機(jī)載攝像機(jī)保持豎直向下，飛行控制計(jì)算機(jī) 通過(guò)檢測(cè)激光光點(diǎn)在攝像機(jī)圖像中的位置，即可按照以下公式計(jì)算出直升機(jī)距離地面的高 度
H = (L-x) cot θ其中H為無(wú)人直升機(jī)距離地面的高度，θ為激光發(fā)射器與機(jī)載攝像機(jī)光軸之間 的固定夾角，L為激光發(fā)射器頂端與攝像機(jī)光軸之間的距離，χ為激光光點(diǎn)在攝像機(jī)圖像 平面中的坐標(biāo)(以激光光軸與攝像機(jī)平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以激光發(fā)射器的所在一側(cè)為正方 向)°由于常規(guī)的無(wú)人直升機(jī)通常都配備有飛行控制計(jì)算機(jī)和機(jī)載攝像機(jī)。因此本發(fā)明 只需在常規(guī)的無(wú)人直升機(jī)之上，添加一個(gè)激光發(fā)射器即可精確地測(cè)量真實(shí)飛行高度。本發(fā) 明可以實(shí)時(shí)地測(cè)量無(wú)人直升機(jī)的真實(shí)飛行高度，使得無(wú)人直升機(jī)在飛行過(guò)程中可以實(shí)時(shí)地 測(cè)量距地面的真實(shí)飛行高度。據(jù)此高度數(shù)據(jù)，無(wú)人直升機(jī)可以實(shí)時(shí)地改變飛行高度，避免與 地面障礙物發(fā)生碰撞。此外，本發(fā)明同時(shí)還可以與超聲波高度計(jì)、氣壓高度計(jì)或GPS(Global Positioning System)組成余度測(cè)高系統(tǒng)，以增加直升機(jī)高度測(cè)量的可靠性，進(jìn)而提高無(wú)人 直升機(jī)飛行的安全性。因此，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠精確測(cè)量真實(shí)飛行高度、測(cè)量范圍 大、為無(wú)人直升機(jī)增重極少、提高直升機(jī)安全性，以及簡(jiǎn)單可靠，改裝容易和方便使用。


圖1是基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量方法的原理圖。圖中1.無(wú)人直升機(jī)，2.飛行控制計(jì)算機(jī)，3.激光發(fā)射器，4.機(jī)載攝像機(jī)，5.攝像 機(jī)圖像平面，6.激光光點(diǎn)，7.地面。
具體實(shí)施例方式基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)(1)高度測(cè)量方法的實(shí)施，需要有機(jī)載攝 像機(jī)(4)、激光發(fā)射器(3)和飛行控制計(jì)算機(jī)(2)協(xié)同工作。在無(wú)人直升機(jī)(1)的飛行過(guò)程中，激光發(fā)射器(3)光軸與機(jī)載攝像機(jī)(4)光軸共 面并保持恒定夾角θ。機(jī)載攝像機(jī)(4)保持豎直向下。激光發(fā)射器(3)發(fā)射的激光照射到 地面(7)時(shí)會(huì)在其表面產(chǎn)生激光光點(diǎn)(6)。同時(shí)，該激光光點(diǎn)(6)被機(jī)載攝像機(jī)(4)所捕獲。機(jī)載攝像機(jī)(4)將所拍攝到的包含激光光點(diǎn)(6)的圖像傳送給飛行控制計(jì)算機(jī) (2)。飛行控制計(jì)算機(jī)(2)通過(guò)檢測(cè)激光光點(diǎn)(6)在攝像機(jī)圖像平面(5)中的位置X，即可 計(jì)算出無(wú)人直升機(jī)(1)距離地面(7)的高度。計(jì)算公式如下H= (L-x) cot θ其中Η為無(wú)人直升機(jī)(1)距離地面(7)的高度，θ為激光發(fā)射器(3)與機(jī)載攝像 機(jī)(4)光軸之間的固定夾角θ，L為激光發(fā)射器(3)頂端與機(jī)載攝像機(jī)(4)光軸之間的距 離，χ為激光光點(diǎn)(6)在攝像機(jī)圖像平面(5)中的坐標(biāo)(以激光光軸與攝像機(jī)平面(5)的 交點(diǎn)ο為原點(diǎn)，以激光發(fā)射器(3)的所在一側(cè)為正方向)。
權(quán)利要求
基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量方法，其特征在于，含有機(jī)載攝像機(jī)、激光發(fā)射器和飛行控制計(jì)算機(jī)，其中，激光發(fā)射器光軸與機(jī)載攝像機(jī)光軸共面并保持恒定夾角，機(jī)載攝像機(jī)保持豎直向下，飛行控制計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)激光光點(diǎn)在攝像機(jī)圖像中的位置，即可按照以下公式計(jì)算出直升機(jī)距離地面的高度H＝(L x)cotθ其中H為直升機(jī)距離地面的高度，θ為激光發(fā)射器與攝像機(jī)光軸之間的固定夾角，L為激光發(fā)射器頂端與攝像機(jī)光軸之間的距離，x為激光光點(diǎn)在攝像機(jī)圖像平面中的坐標(biāo)(以光軸為原點(diǎn)，以激光發(fā)射器的所在一側(cè)為正方向)。
全文摘要
基于激光探測(cè)和圖像識(shí)別的無(wú)人直升機(jī)高度測(cè)量方法屬于無(wú)人機(jī)飛行控制領(lǐng)域，其特征在于，含有機(jī)載攝像機(jī)、激光發(fā)射器和飛行控制計(jì)算機(jī)，其中，激光發(fā)射器光軸與機(jī)載攝像機(jī)光軸共面并保持恒定夾角，機(jī)載攝像機(jī)保持豎直向下，飛行控制計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)激光光點(diǎn)在攝像機(jī)圖像平面中的位置，即可計(jì)算出直升機(jī)距離地面的高度。本發(fā)明只需在傳統(tǒng)無(wú)人直升機(jī)云臺(tái)上安裝一個(gè)激光發(fā)射器，即可為無(wú)人直升機(jī)精確地測(cè)量距地飛行高度。
文檔編號(hào)G01C11/00GK101975569SQ20101029755
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者朱紀(jì)洪, 王冠林 申請(qǐng)人:清華大學(xué)