基于紅外視覺的固定翼無人機(jī)自動(dòng)著陸引導(dǎo)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于紅外視覺的固定翼無人機(jī)自動(dòng)著陸引導(dǎo)方法及系統(tǒng)，屬于導(dǎo) 航定位與控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle)是指無人駕駛飛行器，主要用于執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵 察、炮火校正、目標(biāo)指示、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、中繼制導(dǎo)、電子對(duì)抗等比較危險(xiǎn)的任務(wù)。由于無人機(jī)具 有預(yù)警時(shí)間短、隱蔽性好、偵察能力強(qiáng)、巡航時(shí)間長(zhǎng)、成本低、作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能 力強(qiáng)等特點(diǎn)，越來越受到各國軍隊(duì)的青睞，已成為軍事強(qiáng)國追求現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)"非接觸"和"零傷 亡"的理想武器。
[0003] 自動(dòng)著陸是固定翼無人機(jī)整個(gè)自動(dòng)飛行過程中最危險(xiǎn)也是要求最高的過程。要實(shí) 現(xiàn)無人機(jī)的精確著陸，就必須具備自主導(dǎo)航能力。因此高精度的自主導(dǎo)航技術(shù)是無人機(jī)精 確著陸的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)外研究的用于無人機(jī)精確著陸的導(dǎo)航技術(shù)包括:慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS)、全球定位系統(tǒng)（GlobalPosition System，GPS)。其 中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是最早最成熟的導(dǎo)航技術(shù)，它利用陀螺加速度計(jì)等慣性元器件感受無人機(jī) 在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度，然后通過積分計(jì)算，得到機(jī)體大概位置與速度等導(dǎo)航參數(shù)，它最大 的缺點(diǎn)是誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷累加;GPS應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)也相對(duì)成熟，它利用 導(dǎo)航衛(wèi)星來進(jìn)行導(dǎo)航定位，具有精度高，使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于完全依靠衛(wèi)星，在戰(zhàn)爭(zhēng)期 間極易受到破壞，特別反衛(wèi)星武器的發(fā)展，使得衛(wèi)星導(dǎo)航的方式可能在戰(zhàn)爭(zhēng)中完全失去意 義。同時(shí)，由于GPS的空間衛(wèi)星結(jié)構(gòu)不能保證100%的無故障率，以及飛行器在飛行過程中的 飛行動(dòng)作可能會(huì)影響接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)的接收。
[0004] 視覺導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決這一問題提供了新的方法。視覺導(dǎo)航利用傳感 器獲得圖像，通過圖像處理得到無人機(jī)導(dǎo)航定位姿態(tài)參數(shù)。視覺傳感器具有善于捕捉運(yùn)動(dòng) 的信息，輕便、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)；并且視覺傳感器是被動(dòng)傳感器，抗干擾性能較好;精 度適中，成本低。采用它獨(dú)立完成或輔助完成無人機(jī)的精確著陸已成為國際上的一種發(fā)展 趨勢(shì)。然而，目前很多學(xué)者設(shè)計(jì)的視覺引導(dǎo)方案都是放在無人機(jī)上，不僅增加了無人機(jī)的重 量，還因?yàn)檩d重有限，圖像處理器性能不足，所以很難滿足固定翼無人機(jī)速度快，著陸精度 要求高的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于紅外視覺的固定翼無人機(jī)自動(dòng)著陸 引導(dǎo)方法及系統(tǒng)，在無人機(jī)著陸跑道兩側(cè)搭建一套基于紅外視覺的自動(dòng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，該 系統(tǒng)跟蹤速度快、精度高。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] 基于紅外視覺的固定翼無人機(jī)自動(dòng)著陸引導(dǎo)方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，利用兩個(gè)攝像機(jī)各自采集圖像，且兩個(gè)攝像機(jī)分別設(shè)置于無人機(jī)著陸跑道 的左右兩側(cè)，對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣檢測(cè)和輪廓跟蹤，判斷無人機(jī)是否出現(xiàn)在圖像 上；
[0009] 步驟2，當(dāng)無人機(jī)出現(xiàn)在圖像上時(shí)，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，并在識(shí)別到無人機(jī)時(shí)， 計(jì)算無人機(jī)的中心在圖像中的位置，判斷無人機(jī)的中心與圖像中心是否一致；
[0010] 步驟3,當(dāng)無人機(jī)的中心與圖像中心不一致時(shí)，控制攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)使無人機(jī)的中心始 終與攝像機(jī)采集到的圖像中心保持一致；
[0011] 步驟4,當(dāng)無人機(jī)的中心與圖像中心一致時(shí)，根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度和兩個(gè)攝 像機(jī)之間的距離計(jì)算出無人機(jī)相對(duì)于地面的位置信息；
[0012] 步驟5,將該位置信息與無人機(jī)中預(yù)先設(shè)定的理想下滑軌跡信息進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn) 誤差時(shí)，調(diào)整無人機(jī)的飛行軌跡，使該飛行軌跡與理想下滑軌跡同步。
[0013] 優(yōu)選的，所述兩個(gè)攝像機(jī)的鏡頭前均設(shè)置有紅外濾光片。
[0014] 優(yōu)選的，所述無人機(jī)的機(jī)翼上平均設(shè)置有多個(gè)呈直線排列的紅外LED。
[0015] 優(yōu)選的，步驟4所述無人機(jī)相對(duì)于地面的位置信息的計(jì)算公式為：
[0017] 其中，x、y、z分別表示無人機(jī)在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，該地面坐標(biāo)系以著陸跑道左 邊的攝像機(jī)鏡頭中心為原點(diǎn)，X軸垂直于著陸跑道，y軸平行于著陸跑道，D表示兩個(gè)攝像機(jī) 之間的距離，βι、&分別表示著陸跑道左右兩側(cè)攝像機(jī)的航向角，αι表示著陸跑道左邊攝像 機(jī)的俯仰角。
[0018] 基于紅外視覺的固定翼無人機(jī)自動(dòng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，包括兩個(gè)相同的圖像跟蹤模 塊，以及圖像處理模塊、控制模塊、無線傳輸模塊;所述圖像跟蹤模塊分別設(shè)置于著陸跑道 的左右兩側(cè)，圖像跟蹤模塊包括攝像機(jī)和二軸云臺(tái)，攝像機(jī)設(shè)置于二軸云臺(tái)的頂部；
[0019] 所述圖像跟蹤模塊用于采集圖像，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行跟蹤，并且在無人機(jī)的中心與圖 像中心一致時(shí)，記錄二軸云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度；
[0020] 所述圖像處理模塊用于對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣檢測(cè)和輪廓跟蹤；
[0021] 所述控制模塊用于判斷經(jīng)過處理后的圖像上是否出現(xiàn)無人機(jī)，當(dāng)無人機(jī)出現(xiàn)在圖 像上時(shí)，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，并在識(shí)別到無人機(jī)時(shí)，計(jì)算無人機(jī)的中心在圖像中的位 置，判斷無人機(jī)的中心與圖像中心是否一致；當(dāng)不一致時(shí)，控制圖像跟蹤模塊運(yùn)動(dòng)使無人機(jī) 的中心始終與攝像機(jī)采集到的圖像中心保持一致;根據(jù)二軸云臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角度和兩個(gè)攝像機(jī) 之間的距離計(jì)算出無人機(jī)相對(duì)于地面的位置信息;將該位置信息經(jīng)無線傳輸模塊發(fā)送至無 人機(jī)，與無人機(jī)中預(yù)先設(shè)定的理想下滑軌跡信息進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)誤差時(shí)，調(diào)整無人機(jī)的飛 行軌跡，使該飛行軌跡與理想下滑軌跡同步。
[0022] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0023] 1、本發(fā)明自動(dòng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)是放在地面或艦船上，地面視覺引導(dǎo)系統(tǒng)將圖像處理 得到的無人機(jī)姿態(tài)和位置參數(shù)通過無線傳輸模塊傳遞給無人機(jī)的飛控系統(tǒng)，從而引導(dǎo)無人 機(jī)完成特定功能。這種引導(dǎo)方式利用地面計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力可以進(jìn)行復(fù)雜的圖像處 理，最大限度利用各引導(dǎo)設(shè)備，提高系統(tǒng)的精度。該方式適合于對(duì)圖像處理和運(yùn)算要求比較 高的固定翼無人機(jī)上。
[0024] 2、本發(fā)明采用基于紅外視覺的圖像處理方案，在無人機(jī)機(jī)翼前緣安裝一排紅外 LED，用以增強(qiáng)無人機(jī)的目標(biāo)特征;在攝像機(jī)鏡頭前增加一片紅外濾光片，允許紅外光透過 而截止可見光，從而排除可見光的影響，降低識(shí)別的難度。同時(shí)，也為后續(xù)圖像的處理提供 了方便，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。測(cè)試表明采用本方案處理一幀圖像的時(shí)間為40ms，滿足無人 機(jī)著陸需要。
[0025] 3、本發(fā)明自動(dòng)著陸引導(dǎo)方法，具有控制簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)， 具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明自動(dòng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明自動(dòng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明自動(dòng)著陸引導(dǎo)方法的流程圖。
[0029] 圖4是本發(fā)明紅外濾光片的特性圖。
[0030] 圖5(a)、圖5(b)分別是濾光前、濾光后的效果圖。
[0031] 圖6是本發(fā)明攝像機(jī)成像關(guān)系圖。
[0032]圖7是本發(fā)明圖像處理流程圖。
[0033]圖8是本發(fā)明無人機(jī)中心與圖像中心一致時(shí)的圖像。
[0034] 圖9是本發(fā)明縱向著陸控制結(jié)構(gòu)圖。
[0035] 圖10是本發(fā)明側(cè)向著陸控制結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。 [0037]本發(fā)明自動(dòng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)由兩個(gè)相同的圖像跟蹤模塊、圖像處理模塊、控制模塊、 無線傳輸模塊組成，其中圖像跟蹤模塊由攝像機(jī)和和高精度二軸云臺(tái)（PTU)組成并分別置 于跑道兩側(cè)，攝像機(jī)安裝在二軸云臺(tái)的頂部，如圖1所示，利用圖像跟蹤技術(shù)在圖像中檢測(cè) 識(shí)別并跟蹤無人機(jī)，并精確記錄云臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度。利用兩云臺(tái)俯仰航向角度及云臺(tái)間的距離， 經(jīng)過幾何關(guān)系解析和三角計(jì)算可確定無人機(jī)的相對(duì)空間位置，然后通過數(shù)傳將無人機(jī)的位 置信息發(fā)送給無人機(jī)，從而引導(dǎo)無人機(jī)精確著陸。
[0038]假設(shè)地面坐標(biāo)系原點(diǎn)在系統(tǒng)中的某臺(tái)攝像機(jī)鏡頭中心（如左攝像機(jī)），X軸垂直于 跑道，Y軸平行于跑道，如圖2所示，0dP0r是左右攝像機(jī)鏡頭中心