無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明是申請(qǐng)?zhí)枮?01510104994.6、申請(qǐng)日為2015年3月10日、發(fā)明名稱為“無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)”的專利的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的日趨成熟和航空攝影技術(shù)的進(jìn)一步拓展，在軍用無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域上，無(wú)人機(jī)常用于偵查監(jiān)視等形式的作戰(zhàn)支援，更關(guān)鍵的是，民用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，包括:攝影測(cè)量、應(yīng)急救災(zāi)、公共安全、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、城市規(guī)劃與市政管理、林火病蟲害防護(hù)與監(jiān)測(cè)等。
[0004]由于無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，人們對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的智能化要求也越來(lái)越高。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)的起飛方面的控制較為方便，而無(wú)人機(jī)的著陸回收難以控制，但是無(wú)人機(jī)的自主著陸對(duì)無(wú)人機(jī)完成既定任務(wù)后回收又具有重要意義，因此提高無(wú)人機(jī)自主著陸的準(zhǔn)確度即可極大地提高無(wú)人機(jī)的智能化水平。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，無(wú)人機(jī)的自主著陸采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)或者INS和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)完成。然而INS的設(shè)備昂貴、單純的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)精度不高，而且慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)或者INS和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)都不能實(shí)現(xiàn)著陸的完全智能化，另外，現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)著陸控制只局限于特定地形的地標(biāo)尋找、定位和著陸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有地形下的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸。
[0006]因此，需要一種新的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸方案，能夠在成本和精度之間獲得良好的均衡，具有較好的性價(jià)比，同時(shí)，能夠順利尋找到各種地形下的著陸地標(biāo)并完全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的順利著陸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)，通過(guò)采用地標(biāo)模板匹配和地標(biāo)圖案的仿射不變矩特征匹配相結(jié)合的方式準(zhǔn)確尋找到著陸地標(biāo)，通過(guò)導(dǎo)航技術(shù)、高度測(cè)量技術(shù)以及圖像處理技術(shù)獲得無(wú)人機(jī)距離著陸地標(biāo)的相對(duì)位置，同時(shí)地形識(shí)別技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)了不同地形下的著陸地標(biāo)的搜索，整個(gè)著陸系統(tǒng)無(wú)需外界干涉，完全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并具有合適的性價(jià)比。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括航拍攝像機(jī)、地標(biāo)定位器、無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和主控制器，所述航拍攝像機(jī)對(duì)機(jī)下的疑似地標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝以獲得疑似地標(biāo)圖像，所述地標(biāo)定位器對(duì)所述疑似地標(biāo)圖像進(jìn)行圖像處理以在確定所述疑似地標(biāo)圖像中存在地標(biāo)時(shí)獲得無(wú)人機(jī)距離地標(biāo)的相對(duì)高度和相對(duì)定位距離，所述主控制器與所述地標(biāo)定位器和所述無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備分別連接，基于所述相對(duì)高度和所述相對(duì)定位距離控制所述無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備以驅(qū)動(dòng)所述無(wú)人機(jī)著陸到地標(biāo)上。
[0009]更具體地，在所述無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)中，還包括:地形識(shí)別器，與所述航拍攝像機(jī)連接，用于基于所述疑似地標(biāo)圖像確定機(jī)下地形的類型，所述機(jī)下地形的類型包括平原、草地、山區(qū)、沙漠、艦艇、戈壁、城市和丘陵；無(wú)線收發(fā)設(shè)備，與遠(yuǎn)端的無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)建立雙向的無(wú)線通信鏈路，與地形識(shí)別器和存儲(chǔ)設(shè)備分別連接，將所述機(jī)下地形的類型發(fā)送到所述無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)，以接收所述無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)返回的、與所述機(jī)下地形的類型對(duì)應(yīng)的地標(biāo)分割顏色數(shù)據(jù)，并將所述地標(biāo)分割顏色數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)設(shè)備中，所述地標(biāo)分割顏色數(shù)據(jù)包括地標(biāo)R通道范圍、地標(biāo)G通道范圍和地標(biāo)B通道范圍，所述地標(biāo)R通道范圍、所述地標(biāo)G通道范圍和所述地標(biāo)B通道范圍用于將RGB圖像中的地標(biāo)與RGB圖像背景分離；GPS定位器，與GPS導(dǎo)航衛(wèi)星連接，用于接收無(wú)人機(jī)所在位置的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)設(shè)備，用于預(yù)先存儲(chǔ)預(yù)設(shè)高度范圍、預(yù)設(shè)氣壓高度權(quán)重和預(yù)設(shè)超聲波高度權(quán)重，還用于預(yù)先存儲(chǔ)各個(gè)種類的地標(biāo)的基準(zhǔn)圖像模板和各個(gè)種類的地標(biāo)的仿射不變矩特征，每一個(gè)種類的地標(biāo)的基準(zhǔn)圖像模板為對(duì)每一個(gè)種類的基準(zhǔn)地標(biāo)預(yù)先拍攝所獲得的圖案，每一個(gè)種類的地標(biāo)的仿射不變矩特征提取自每一個(gè)種類的地標(biāo)的基準(zhǔn)圖像模板；高度傳感設(shè)備，與所述存儲(chǔ)設(shè)備連接，包括氣壓高度傳感器、超聲波高度傳感器和微控制器；所述氣壓高度傳感器用于根據(jù)無(wú)人機(jī)附近的氣壓變化，檢測(cè)無(wú)人機(jī)所在位置的實(shí)時(shí)氣壓高度；所述超聲波高度傳感器包括超聲波發(fā)射機(jī)、超聲波接收機(jī)和單片機(jī)，所述單片機(jī)與所述超聲波發(fā)射機(jī)和所述超聲波接收機(jī)分別連接，所述超聲波發(fā)射機(jī)向地面發(fā)射超聲波，所述超聲波接收機(jī)接收地面反射的超聲波，所述單片機(jī)根據(jù)所述超聲波發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)間、所述超聲波接收機(jī)的接收時(shí)間和超聲波傳播速度計(jì)算無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)超聲波高度；所述微控制器與所述氣壓高度傳感器、所述超聲波高度傳感器和所述存儲(chǔ)設(shè)備分別連接，當(dāng)所述實(shí)時(shí)氣壓高度和所述實(shí)時(shí)超聲波高度的差在所述預(yù)設(shè)高度范圍時(shí)，基于所述預(yù)設(shè)氣壓高度權(quán)重、所述預(yù)設(shè)超聲波高度權(quán)重、所述實(shí)時(shí)氣壓高度和所述實(shí)時(shí)超聲波高度計(jì)算并輸出所述實(shí)時(shí)高度，當(dāng)所述實(shí)時(shí)氣壓高度和所述實(shí)時(shí)超聲波高度的差不在所述預(yù)設(shè)高度范圍時(shí)，輸出高度檢測(cè)失敗信號(hào)；所述航拍攝像機(jī)為線陣數(shù)碼航空攝影機(jī)，包括減震底架、前蓋玻璃、鏡頭、濾鏡和成像電子單元，用于對(duì)所述疑似地標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝以獲得疑似地標(biāo)圖像；所述地標(biāo)定位器與所述航拍攝像機(jī)、所述存儲(chǔ)設(shè)備、所述GPS定位器和所述高度傳感設(shè)備分別連接，包括圖像預(yù)處理子設(shè)備、疑似地標(biāo)分割子設(shè)備、地標(biāo)識(shí)別子設(shè)備和相對(duì)位置檢測(cè)子設(shè)備；所述圖像預(yù)處理子設(shè)備對(duì)所述疑似地標(biāo)圖像依次進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)處理、中值濾波處理和RGB色彩空間轉(zhuǎn)換處理，以獲得疑似地標(biāo)RGB圖像；所述疑似地標(biāo)分割子設(shè)備與所述圖像預(yù)處理子設(shè)備和所述存儲(chǔ)設(shè)備分別連接，計(jì)算所述疑似地標(biāo)RGB圖像中每一個(gè)像素的R通道值、G通道值和B通道值，當(dāng)某一像素的R通道值在所述地標(biāo)R通道范圍內(nèi)、G通道值在所述地標(biāo)G通道范圍內(nèi)且B通道值在所述地標(biāo)B通道范圍內(nèi)時(shí)，將其確定為疑似地標(biāo)像素，將所述疑似地標(biāo)RGB圖像中所有疑似地標(biāo)像素組合以形成疑似地標(biāo)子圖案；所述地標(biāo)識(shí)別子設(shè)備與所述疑似地標(biāo)分割子設(shè)備和所述存儲(chǔ)設(shè)備分別連接，計(jì)算所述疑似地標(biāo)子圖案的仿射不變矩特征，將所述疑似地標(biāo)子圖案與各個(gè)種類的地標(biāo)的基準(zhǔn)圖像模板逐一匹配，匹配失敗則輸出無(wú)地標(biāo)信號(hào)，匹配成功則獲得匹配的地標(biāo)類型并將所述存儲(chǔ)設(shè)備中與匹配的地標(biāo)類型對(duì)應(yīng)的仿射不變矩特征與所述疑似地標(biāo)子圖案的仿射不變矩特征比較，不同則輸出無(wú)地標(biāo)信號(hào)，相同則輸出存在地標(biāo)信號(hào)、匹配的地標(biāo)類型以及所述疑似地標(biāo)子圖案在所述疑似地標(biāo)RGB圖像中的圖像相對(duì)位置；所述相對(duì)位置檢測(cè)子設(shè)備與所述地標(biāo)識(shí)別子設(shè)備、所述GPS定位器和所述高度傳感設(shè)備分別連接，在接收到存在地標(biāo)信號(hào)時(shí)，基于所述圖像相對(duì)位置和所述實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)計(jì)算所述無(wú)人機(jī)距離地標(biāo)的相對(duì)定位距離，以及將所述實(shí)時(shí)高度作為所述無(wú)人機(jī)距離地標(biāo)的相對(duì)高度；所述主控制器與所述地標(biāo)定位器、所述高度傳感設(shè)備和所述無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備分別連接，在接收到所述高度檢測(cè)失敗信號(hào)或所述無(wú)地標(biāo)信號(hào)時(shí)，將所述高度檢測(cè)失敗信號(hào)或所述無(wú)地標(biāo)信號(hào)通過(guò)所述無(wú)線收發(fā)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給所述無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)；所述主控制器在接收到所述相對(duì)定位距離且接收到所述相對(duì)高度時(shí)，基于所述相對(duì)定位距離和所述相對(duì)高度控制所述無(wú)人機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備以驅(qū)動(dòng)所述無(wú)人機(jī)著陸到地標(biāo)上。
[0010]更具體地，在所述無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)中:當(dāng)所述機(jī)下地形的類型為平原時(shí)，所述機(jī)下地形的類型對(duì)應(yīng)的地標(biāo)分割顏色數(shù)據(jù)中，地標(biāo)R通道范圍為150到255，地標(biāo)G通道范圍為O到120，地標(biāo)B通道范圍為I到150。
[0011]更具體地，在所述無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)中:所述航拍攝像機(jī)為超高清航拍攝像機(jī)，所拍攝的疑似地標(biāo)圖像的分辨率為3840X2160。
[0012]更具體地，在所述無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)中:所述圖像預(yù)處理子設(shè)備、所述疑似地標(biāo)分割子設(shè)備、所述地標(biāo)識(shí)別子設(shè)備和所述相對(duì)位置檢測(cè)子設(shè)備分別采用不同的FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0013]更具體地，在所述無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)中:將所述圖像預(yù)處理子設(shè)備、所述疑似地標(biāo)分割子設(shè)備、所述地標(biāo)識(shí)別子設(shè)備和所述相對(duì)位置檢測(cè)子設(shè)備集成在一塊集成電路板上。
[0014]更具體地，在所述無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)中:所述無(wú)人機(jī)為旋翼無(wú)人機(jī)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行描述，其中:
[0016]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案示出的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。
[0017]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案示出的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)的地標(biāo)定位器的結(jié)構(gòu)方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的無(wú)人機(jī)自動(dòng)著陸系統(tǒng)的實(shí)施方案進(jìn)