基于紅外視覺的固定翼無人機自動著陸引導方法及系統(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自動著陸引導方法及系統(tǒng)，屬于導 航定位與控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(Unmanned Aerial Vehicle)是指無人駕駛飛行器，主要用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵 察、炮火校正、目標指示、戰(zhàn)場監(jiān)視、中繼制導、電子對抗等比較危險的任務。由于無人機具 有預警時間短、隱蔽性好、偵察能力強、巡航時間長、成本低、作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能 力強等特點，越來越受到各國軍隊的青睞，已成為軍事強國追求現(xiàn)代戰(zhàn)爭"非接觸"和"零傷 亡"的理想武器。
[0003] 自動著陸是固定翼無人機整個自動飛行過程中最危險也是要求最高的過程。要實 現(xiàn)無人機的精確著陸，就必須具備自主導航能力。因此高精度的自主導航技術(shù)是無人機精 確著陸的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)外研究的用于無人機精確著陸的導航技術(shù)包括:慣性導航系 統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS)、全球定位系統(tǒng)（GlobalPosition System，GPS)。其 中慣性導航系統(tǒng)是最早最成熟的導航技術(shù)，它利用陀螺加速度計等慣性元器件感受無人機 在運動過程中的加速度，然后通過積分計算，得到機體大概位置與速度等導航參數(shù)，它最大 的缺點是誤差會隨著時間的推移而不斷累加;GPS應用最為廣泛，技術(shù)也相對成熟，它利用 導航衛(wèi)星來進行導航定位，具有精度高，使用簡單等優(yōu)點，但由于完全依靠衛(wèi)星，在戰(zhàn)爭期 間極易受到破壞，特別反衛(wèi)星武器的發(fā)展，使得衛(wèi)星導航的方式可能在戰(zhàn)爭中完全失去意 義。同時，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 飛行動作可能會影響接收機對GPS信號的接收。
[0004] 視覺導航技術(shù)的飛速發(fā)展，為解決這一問題提供了新的方法。視覺導航利用傳感 器獲得圖像，通過圖像處理得到無人機導航定位姿態(tài)參數(shù)。視覺傳感器具有善于捕捉運動 的信息，輕便、低功耗、體積小等優(yōu)點；并且視覺傳感器是被動傳感器，抗干擾性能較好;精 度適中，成本低。采用它獨立完成或輔助完成無人機的精確著陸已成為國際上的一種發(fā)展 趨勢。然而，目前很多學者設(shè)計的視覺引導方案都是放在無人機上，不僅增加了無人機的重 量，還因為載重有限，圖像處理器性能不足，所以很難滿足固定翼無人機速度快，著陸精度 要求高的特點。

【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自動著陸 引導方法及系統(tǒng)，在無人機著陸跑道兩側(cè)搭建一套基于紅外視覺的自動著陸引導系統(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自動著陸引導方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，利用兩個攝像機各自采集圖像，且兩個攝像機分別設(shè)置于無人機著陸跑道 的左右兩側(cè)，對采集的圖像進行預處理、邊緣檢測和輪廓跟蹤，判斷無人機是否出現(xiàn)在圖像 上；
[0009] 步驟2，當無人機出現(xiàn)在圖像上時，對無人機進行目標識別，并在識別到無人機時， 計算無人機的中心在圖像中的位置，判斷無人機的中心與圖像中心是否一致；
[0010] 步驟3,當無人機的中心與圖像中心不一致時，控制攝像機運動使無人機的中心始 終與攝像機采集到的圖像中心保持一致；
[0011] 步驟4,當無人機的中心與圖像中心一致時，根據(jù)兩個攝像機的偏轉(zhuǎn)角度和兩個攝 像機之間的距離計算出無人機相對于地面的位置信息；
[0012] 步驟5,將該位置信息與無人機中預先設(shè)定的理想下滑軌跡信息進行對比，當出現(xiàn) 誤差時，調(diào)整無人機的飛行軌跡，使該飛行軌跡與理想下滑軌跡同步。
[0013] 優(yōu)選的，所述兩個攝像機的鏡頭前均設(shè)置有紅外濾光片。
[0014] 優(yōu)選的，所述無人機的機翼上平均設(shè)置有多個呈直線排列的紅外LED。
[0015] 優(yōu)選的，步驟4所述無人機相對于地面的位置信息的計算公式為：
[0017] 其中，x、y、z分別表示無人機在地面坐標系中的坐標，該地面坐標系以著陸跑道左 邊的攝像機鏡頭中心為原點，X軸垂直于著陸跑道，y軸平行于著陸跑道，D表示兩個攝像機 之間的距離，βι、&分別表示著陸跑道左右兩側(cè)攝像機的航向角，αι表示著陸跑道左邊攝像 機的俯仰角。
[0018] 基于紅外視覺的固定翼無人機自動著陸引導系統(tǒng)，包括兩個相同的圖像跟蹤模 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和二軸云臺，攝像機設(shè)置于二軸云臺的頂部；
[0019] 所述圖像跟蹤模塊用于采集圖像，對無人機進行跟蹤，并且在無人機的中心與圖 像中心一致時，記錄二軸云臺的偏轉(zhuǎn)角度；
[0020] 所述圖像處理模塊用于對圖像進行預處理、邊緣檢測和輪廓跟蹤；
[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，當無人機出現(xiàn)在圖 像上時，對無人機進行目標識別，并在識別到無人機時，計算無人機的中心在圖像中的位 置，判斷無人機的中心與圖像中心是否一致；當不一致時，控制圖像跟蹤模塊運動使無人機 的中心始終與攝像機采集到的圖像中心保持一致;根據(jù)二軸云臺的偏轉(zhuǎn)角度和兩個攝像機 之間的距離計算出無人機相對于地面的位置信息;將該位置信息經(jīng)無線傳輸模塊發(fā)送至無 人機，與無人機中預先設(shè)定的理想下滑軌跡信息進行對比，當出現(xiàn)誤差時，調(diào)整無人機的飛 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)明自動著陸引導系統(tǒng)是放在地面或艦船上，地面視覺引導系統(tǒng)將圖像處理 得到的無人機姿態(tài)和位置參數(shù)通過無線傳輸模塊傳遞給無人機的飛控系統(tǒng)，從而引導無人 機完成特定功能。這種引導方式利用地面計算機的強大計算能力可以進行復雜的圖像處 理，最大限度利用各引導設(shè)備，提高系統(tǒng)的精度。該方式適合于對圖像處理和運算要求比較 高的固定翼無人機上。
[0024] 2、本發(fā)明采用基于紅外視覺的圖像處理方案，在無人機機翼前緣安裝一排紅外 LED，用以增強無人機的目標特征;在攝像機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，降低識別的難度。同時，也為后續(xù)圖像的處理提供 了方便，提高了系統(tǒng)的實時性。測試表明采用本方案處理一幀圖像的時間為40ms，滿足無人 機著陸需要。
[0025] 3、本發(fā)明自動著陸引導方法，具有控制簡單、實時性好、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點， 具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明自動著陸引導系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明自動著陸引導系統(tǒng)的數(shù)學模型圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明自動著陸引導方法的流程圖。
[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)明無人機中心與圖像中心一致時的圖像。
[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。
【具體實施方式】
[0036] 下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實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號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 考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。 [0037]本發(fā)明自動著陸引導系統(tǒng)由兩個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和和高精度二軸云臺（PTU)組成并分別置 于跑道兩側(cè)，攝像機安裝在二軸云臺的頂部，如圖1所示，利用圖像跟蹤技術(shù)在圖像中檢測 識別并跟蹤無人機，并精確記錄云臺偏轉(zhuǎn)角度。利用兩云臺俯仰航向角度及云臺間的距離， 經(jīng)過幾何關(guān)系解析和三角計算可確定無人機的相對空間位置，然后通過數(shù)傳將無人機的位 置信息發(fā)送給無人機，從而引導無人機精確著陸。
[0038]假設(shè)地面坐標系原點在系統(tǒng)中的某臺攝像機鏡頭中心（如左攝像機），X軸垂直于 跑道，Y軸平行于跑道，如圖2所示，0dP0r是左右攝像機鏡頭中心