基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置及導(dǎo)引方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置及導(dǎo)引方法，利用在跑道兩側(cè)布置的已經(jīng)過離線標(biāo)定好的測量相機(jī)，實時檢測進(jìn)入自主導(dǎo)引降落航道后的搭載在無人機(jī)正前方的強(qiáng)光標(biāo)志燈，利用經(jīng)過大場景范圍精確標(biāo)定后的四個相機(jī)進(jìn)行雙目立體視覺測量技術(shù)獲取無人機(jī)的三維空間位置信息進(jìn)行無人機(jī)跟蹤和定位，實時求解無人機(jī)位置和速度等飛行參數(shù)，并通過無線傳輸數(shù)據(jù)鏈將飛行參數(shù)傳給飛行控制系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)則根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整飛行參數(shù)保持飛機(jī)平穩(wěn)飛行，從而實現(xiàn)無人機(jī)的精準(zhǔn)自主著陸。
【專利說明】基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置及導(dǎo)引方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置及導(dǎo)引方法，特別是涉及一 套基于長短焦相機(jī)優(yōu)化布局裝置的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)自主著陸是指無人機(jī)利用導(dǎo)航設(shè)備和飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航并最終 控制無人機(jī)降落著陸的過程。自主著陸對導(dǎo)航與控制精度及可靠性均有較高的要求，是無 人機(jī)實現(xiàn)自主飛行的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的無人機(jī)自主著陸的導(dǎo)航技術(shù)包括：慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)（INS)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是利用陀螺、加速 度計等慣性元件感受運載器在運動過程中的加速度，然后通過積分計算，得到載體的位置 與速度等導(dǎo)航參數(shù)，其最大缺點是誤差會隨著時間的推移而發(fā)散，因此難以長時間獨立工 作，而需與其它導(dǎo)航方法組合使用；GPS導(dǎo)航系統(tǒng)利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位，但由于完全 依靠導(dǎo)航衛(wèi)星，存在信號易受干擾和技術(shù)壟斷等問題，在和平時期是一種很好的自主導(dǎo)航 方法，但是在戰(zhàn)爭時期，其應(yīng)用受到限制，因此并不是一種完全自主的導(dǎo)航技術(shù)。綜上所述， 傳統(tǒng)導(dǎo)航方式在使用上受到很大限制，因而研究新型無人機(jī)自主著陸引導(dǎo)技術(shù)具有重要意 義?，F(xiàn)有的基于視覺的無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括：基于人工標(biāo)志物的機(jī)載著陸導(dǎo)航系統(tǒng)、基 于自然場景的機(jī)載著陸導(dǎo)航系統(tǒng)和基于地基信息的無人機(jī)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003] 文獻(xiàn)"無人機(jī)平臺運動目標(biāo)檢測與跟蹤及其視覺輔助著陸系統(tǒng)研究.國防科學(xué)技 術(shù)大學(xué)，2008"公開實現(xiàn)了一套完整的基于地基信息的視覺導(dǎo)引著陸系統(tǒng)。為了減小環(huán)境 因素對合作標(biāo)志物檢測的影響，該系統(tǒng)在無人機(jī)上安裝紅外LED燈，選擇寬動態(tài)攝像機(jī)并 在攝像機(jī)鏡頭前加載一帶通濾光片，有效消除了光線強(qiáng)弱變化等帶來的影響。但是該系統(tǒng) 主要采用一種單幀目標(biāo)權(quán)值計算方法進(jìn)行復(fù)雜背景下的運動目標(biāo)檢測跟蹤，該方法雖然對 彩色或灰度圖像上目標(biāo)計算出基本符合人類視覺的權(quán)值，但是受限于紅外LED的探測距離 不超過200米的缺陷，紅外弱小目標(biāo)的遠(yuǎn)距離檢測存在很大的問題；而且，該系統(tǒng)雖然可以 實時準(zhǔn)確地獲得飛機(jī)相對跑道的位置信息，但是還不能獲得無人機(jī)的姿態(tài)、速度和加速度 等信息，無法精準(zhǔn)的進(jìn)行基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 要解決的技術(shù)問題
[0005] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的無人機(jī)平臺運動目標(biāo)檢測與跟蹤及其視覺輔助著陸系統(tǒng)著 陸精準(zhǔn)度的不足以及紅外LED探測距離小于200米的限制而導(dǎo)致的紅外弱小目標(biāo)遠(yuǎn)距離檢 測魯棒性的不足，本發(fā)明提出一種基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置及導(dǎo)引方法。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置，包括測量相機(jī)、可見光手電、全站儀、 合作標(biāo)志燈、三腳架、棱鏡和計算機(jī)，其特征在于測量相機(jī)為四個，其中兩個測量相機(jī)搭配 12_的長焦鏡頭進(jìn)行遠(yuǎn)距離空中無人機(jī)目標(biāo)檢測定位，兩個測量相機(jī)搭配8_的短焦鏡頭 進(jìn)行無人機(jī)進(jìn)入跑道區(qū)域之后的精準(zhǔn)滑行定位；四個測量相機(jī)分為兩組，每一組包含一個 長焦測量相機(jī)和一個短焦測量相機(jī)固定在相機(jī)底座上，長焦測量相機(jī)和短焦測量相機(jī)間距 為3cm，一組相機(jī)底座固定在一個相機(jī)支架上，兩個相機(jī)支架對稱裝置在離跑道中軸線8m， 離無人機(jī)著陸點60m的位置，兩個相機(jī)支架保持平行安裝，測量相機(jī)與跑道中軸線具有5° 的夾角；8個合作標(biāo)志燈位于跑道的兩側(cè)且滿足在四個相機(jī)公共視野區(qū)域內(nèi)，第1號合作標(biāo) 志燈和第5號合作標(biāo)志燈對稱，第2號合作標(biāo)志燈和第6號合作標(biāo)志燈對稱，第3號合作標(biāo) 志燈和第7號合作標(biāo)志燈對稱，第4號合作標(biāo)志燈和第8號合作標(biāo)志燈對稱，且第5號合作 標(biāo)志燈與第6號合作標(biāo)志燈間距為50m，且第6號合作標(biāo)志燈與第7號合作標(biāo)志燈間距為 100m，且第7號合作標(biāo)志燈與第8號合作標(biāo)志燈間距為150m。
[0008] 所述的可見光手電的型號為美國神火強(qiáng)光手電，長和寬尺寸均為80cm，重量為 200克，可見度超過400米。
[0009] 所述的測量相機(jī)型號為PointGrey Flea 3-FW-03S1C/M-C，相機(jī)的規(guī)格為 3cmX3cmX6cm ;相機(jī)底座的規(guī)格大小lcmX9cmX 11cm。
[0010] 一種利用所述的基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置實現(xiàn)的導(dǎo)引方法，其特征在 于步驟如下：
[0011] 步驟1 :采用基于平面標(biāo)定板的方法對相機(jī)進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定，確定相機(jī)內(nèi)參和基準(zhǔn) 點的空間坐標(biāo)，所述的基準(zhǔn)點為合作標(biāo)志燈設(shè)置的位置，計算基準(zhǔn)點平面與相機(jī)成像平面 之間的單應(yīng)變換H，將單應(yīng)矩陣Η分解為旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T，完成外參標(biāo)定；
[0012] 步驟2 :對相機(jī)采集的圖像進(jìn)行簡單形態(tài)學(xué)預(yù)處理去除圖像上的噪聲，然后進(jìn)行 閾值分割，當(dāng)圖像像素值大于分割閾值Τ為候選目標(biāo)前景圖；對前景圖進(jìn)行聚類，像素距離 fpJPuPj)小于前景聚類窗J聚為一類Xi(i >〇)，將每一個聚類的圖像質(zhì)心坐標(biāo)確定為候 選目標(biāo)\在圖像中的坐標(biāo)：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置，包括測量相機(jī)、可見光手電、全站儀、 合作標(biāo)志燈、三腳架、棱鏡和計算機(jī)，其特征在于測量相機(jī)為四個，其中兩個測量相機(jī)搭配 12_的長焦鏡頭進(jìn)行遠(yuǎn)距離空中無人機(jī)目標(biāo)檢測定位，兩個測量相機(jī)搭配8_的短焦鏡頭 進(jìn)行無人機(jī)進(jìn)入跑道區(qū)域之后的精準(zhǔn)滑行定位；四個測量相機(jī)分為兩組，每一組包含一個 長焦測量相機(jī)和一個短焦測量相機(jī)固定在相機(jī)底座上，長焦測量相機(jī)和短焦測量相機(jī)間距 為3cm，一組相機(jī)底座固定在一個相機(jī)支架上，兩個相機(jī)支架對稱裝置在離跑道中軸線8m， 離無人機(jī)著陸點60m的位置，兩個相機(jī)支架保持平行安裝，測量相機(jī)與跑道中軸線具有5° 的夾角；8個合作標(biāo)志燈位于跑道的兩側(cè)且滿足在四個相機(jī)公共視野區(qū)域內(nèi)，第1號合作標(biāo) 志燈和第5號合作標(biāo)志燈對稱，第2號合作標(biāo)志燈和第6號合作標(biāo)志燈對稱，第3號合作標(biāo) 志燈和第7號合作標(biāo)志燈對稱，第4號合作標(biāo)志燈和第8號合作標(biāo)志燈對稱，且第5號合作 標(biāo)志燈與第6號合作標(biāo)志燈間距為50m，且第6號合作標(biāo)志燈與第7號合作標(biāo)志燈間距為 100m，且第7號合作標(biāo)志燈與第8號合作標(biāo)志燈間距為150m。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置，其特征在于所述的 可見光手電的型號為美國神火強(qiáng)光手電，長和寬尺寸均為80cm，重量為200克，可見度超過 400 米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置，其特征在于所述的測 量相機(jī)型號為PointGrey Flea 3-FW-03S1C/M-C，相機(jī)的規(guī)格為3cmX3cmX6cm ;相機(jī)底座 的規(guī)格大小lcmX9cmXllcm。
4. 一種利用權(quán)利要求1所述的基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引裝置實現(xiàn)的導(dǎo)引方法， 其特征在于步驟如下 ： 步驟1 :采用基于平面標(biāo)定板的方法對相機(jī)進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定，確定相機(jī)內(nèi)參和基準(zhǔn)點的 空間坐標(biāo)，所述的基準(zhǔn)點為合作標(biāo)志燈設(shè)置的位置，計算基準(zhǔn)點平面與相機(jī)成像平面之間 的單應(yīng)變換H，將單應(yīng)矩陣Η分解為旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T，完成外參標(biāo)定； 步驟2 :對相機(jī)采集的圖像進(jìn)行簡單形態(tài)學(xué)預(yù)處理去除圖像上的噪聲，然后進(jìn)行閾 值分割，當(dāng)圖像像素值大于分割閾值Τ為候選目標(biāo)前景圖；對前景圖進(jìn)行聚類，像素距離 fpJPuPj)小于前景聚類窗J聚為一類Xi(i >〇)，將每一個聚類的圖像質(zhì)心坐標(biāo)確定為候 選目標(biāo)\在圖像中的坐標(biāo)：
其中，Pi、Pj為圖像像素點，（/^，W )和（W）分別為Pi、Pj像素點坐標(biāo)值； 步驟3 :計算兩個相機(jī)采集的圖像之間的對稱轉(zhuǎn)移誤差，將其作為距離度量：
其中，
為第一個相機(jī)的候選目標(biāo)集合，
為 第二個相機(jī)的候選目標(biāo)集合，F(xiàn)為兩相機(jī)所成圖像的基本矩陣；求解兩個圖像之間的匹配 矩陣D :
采用匈牙利算法求解匹配矩陣D獲得t時刻的全局最優(yōu)匹配作為檢測定位結(jié)果Qt ; 步驟4 :計算t-1時刻的目標(biāo)跟蹤結(jié)果
和t時刻的 檢測定位結(jié)果
.間的歐氏距離作為距離度量：
其中，
為Tt_i的空間坐標(biāo)，
為
的空間坐標(biāo)，取
的
作為t時刻的目標(biāo)跟蹤結(jié)果
步驟5 :根據(jù)t時刻目標(biāo)檢測結(jié)果Tt在測量相機(jī)上的圖像點Pl與p2，利用雙目相機(jī)測 距方法計算無人機(jī)飛行空間坐標(biāo)（X，Y，Z)和無人機(jī)飛行速度Speed :
其中，（Ul，Vl，1)與（u2, v2, 1)分別為Pl與p2點在圖像中的圖像齊次坐標(biāo)，（X，Y，Z，1) 為Tt點在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)
分別為Mk的第i行第j 列元素
分別為無人機(jī)在t-Ι和t時刻的空間坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引方法，其特征在于分割閾值 T e [40, 100]，前景聚類窗 J e [40, 100]。
【文檔編號】G01C21/00GK104215239SQ201410436145
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】張艷寧, 楊濤, 陳挺, 余瑞, 張曉強(qiáng), 冉令燕, 卓濤 申請人:西北工業(yè)大學(xué)