超小型無人旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超小型無人旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法。其操作步驟為：啟動切換著陸系統(tǒng)、著陸區(qū)域搜尋、姿態(tài)傳感器測量小型無人飛行器的姿態(tài)位置，并且視覺傳感器采集攝像機的目標信息，兩者信息經(jīng)過相應的A/D轉換，數(shù)字濾波之后，根據(jù)建立的眼球復合運動的輸入關系進行運算處理，獲得跟蹤目標與攝像機視軸的相對偏差，并進行相應的標度轉換，將處理好的信息作為機載云臺控制器的控制律，分別控制機載云臺電機，實現(xiàn)眼球復合運動的特性。這種方法根據(jù)跟蹤的運動目標位置信息與無人飛行器的姿態(tài)信息，通過本發(fā)明上述步驟，可以對機載云臺進行實時調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)無人飛行器在顛簸環(huán)境中，對可疑的運動目標進行自主跟蹤，并能對跟蹤圖像具有一定的穩(wěn)定作用。
【專利說明】超小型無人旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超小型旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法。該方法的特征是根據(jù)雙目異向運動與前庭動眼反射的復合運動控制機理，補償在顛簸環(huán)境下超小型無人旋翼飛行器自主著陸時由飛行器姿態(tài)變化以及傳統(tǒng)雙目視覺系統(tǒng)的盲區(qū)問題。
【背景技術】
[0002]超小型無人旋翼飛行器的特征尺寸在120_180cm之間，具有垂直起降、空中懸停、機動性好、攜帶方便、隱蔽性好、成本低等特點，在現(xiàn)代軍事、反恐防暴、公共安全以及民用等方面具有十分廣闊的應用前景。
[0003]正是因為上述特點和應用前景，在最近二十年來小型無人旋翼機的研究在世界范圍內(nèi)經(jīng)歷了一個黃金發(fā)展時期。美國、歐洲各國、日本、以色列以及中國等都在無人旋翼飛行器的制導、導航與控制方面發(fā)展迅速，目前已基本實現(xiàn)了空中自主飛行，但是在自主著陸方面還是以遙控或半自主/半遙控為主。目前機器人的作業(yè)環(huán)境正從結構環(huán)境走向非結構環(huán)境，就地況而言，野外地面的崎嶇不平、地勢高低起伏；都市高樓設施林立、車流人流頻繁等都嚴重妨礙了超小型無人旋翼機的安全著陸。這要求無人旋翼飛行器可以在野外或都市惡劣的環(huán)境下實現(xiàn)安全自主著陸。
[0004]因此，超小型無人旋翼飛行器的自主著陸成為國際上的研究熱點，例如美國的卡內(nèi)基梅隆大學、南加州大學、加州大學伯克利分校、加州理工學院、日本千葉大學、瑞典林雪平大學以及國內(nèi)的國防科技大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等都在開始開展這方面的研究，并取得一定的突破。盡管上述研究機構的自主著陸系統(tǒng)各有特點，但野外自主著陸系統(tǒng)的技術特征可以概括為:1)自動尋找著陸目標區(qū)域，要求超小型無人旋翼飛行器能自動搜尋并檢測一塊面積與起落架著陸面積相當?shù)钠教姑妫窗踩懩繕耍?)準確的著陸狀態(tài)估計；3)在IOm高度范圍內(nèi)獲取的高精度信息反饋給著陸控制器。在整個降落過程中，精確的高度控制尤為重要，特別是在近地面2m高度范圍內(nèi)，由于下洗氣流的地面效應影響很大，很小的高度偏差也會影響飛行器姿態(tài)控制，從而造成很大的著陸位置偏差和沖擊，甚至撞機或摔機。為此，上述研究機構等都指出在著陸過程中必須獲取高精度的高度信息反饋給控制器。
[0005]高度測量一般可采用超聲、激光等傳感器，但這些傳感器接近地面時都有一定的盲區(qū)和誤差，在近地面時其測量精度也會受到較大影響。高精度差分GPS在野外著陸有一定優(yōu)勢，然而GPS的測距精度易受環(huán)境因素的影響，尤其在近地面時，DGPS的測距精度會受到嚴重影響，達不到著陸對高度控制的精度要求，研究界稱為GPS失效區(qū)域(GPS-DeniedEnvironments)0例如卡內(nèi)基梅隆大學、南加州大學等都采用空中GPS獲取高度信息，通常在離地2m或1.5m時切換為聲納或激光等傳感器進行高度控制，但是他們的著陸偏差大于40cm、方向偏差在7度以上，尚不能滿足野外自主著陸的要求。另外，對于超小型旋翼飛行器而言，其負載能力有限，不適合攜帶高精度的聲納、激光等傳感器系統(tǒng)。
[0006]隨著計算機視覺技術的發(fā)展，新型的視覺傳感器可為無人旋翼機提供高精度的運動參數(shù)估計信息(包括無人旋翼機的角速度、線速度、姿態(tài)角以及無人機相對于著陸目標的位置)。目前，國內(nèi)外許多研究機構都開展了將視覺系統(tǒng)應用于小型無人旋翼機的自主著陸的研究?；陔p目視覺的自主著陸系統(tǒng)，在著陸過程中不需要特殊的標志，同時具有測距精度高的優(yōu)點，卡耐基梅隆大學、南加州大學、以及千葉大學等都開始嘗試使用機載雙目視覺來獲取精確的高度信息。但上述研究機構采用的是兩個攝像頭是固定的雙目視覺系統(tǒng)，即兩個攝像機的光軸平行，雖然能獲取較遠的深度信息，但是近距離盲區(qū)會增大，隨著飛行器離地面越近，著陸目標區(qū)域會進入盲區(qū)當中(如圖1所示)。
[0007]若能實時改變雙目攝像機光軸夾角，傳統(tǒng)雙目近距離盲區(qū)大的問題就迎刃而解了(如圖2所示)，論文“基于仿生眼異向運動原理的超小型無人旋翼機定點著陸新方法(作者為李恒宇、羅均等，發(fā)表于2008年《高技術通訊》雜志)”基于仿生雙眼的異向運動原理，提出了超小型無人旋翼飛行器野外定點著陸的一種新型定位方法，該新型方法與傳統(tǒng)視覺方法相比，可以消除盲區(qū)，從而克服野外定點自主著陸的盲區(qū)問題。隨著小型無人旋翼機的應用領域不斷擴大，需要其能在未知、復雜、動態(tài)環(huán)境下完成任務。因此，小型無人旋翼機的野外自主著陸不僅要解決盲區(qū)問題，也需要解決來自惡劣環(huán)境下的干擾問題。當飛行器在惡劣環(huán)境中作業(yè)時，惡劣天氣及風力干擾易使飛行器姿態(tài)發(fā)生橫滾/俯仰/偏航方向的大幅度姿態(tài)變化。這樣情況下，無人機、機載攝像機以及著陸目標三者均發(fā)生大幅度或突變性相對運動，自主著陸系統(tǒng)會遇到如下問題:①大幅度的偏離不僅使連續(xù)視頻圖像模糊或跳動，圖像前后幀之間誤差變大，甚至目標區(qū)域脫離公共視場旋翼機與攝像機與著陸目標發(fā)生高頻無規(guī)則相對運動，造成捕獲的目標尺寸、形狀變化頻繁，這增加圖像動態(tài)匹配的難度；③旋翼機的自身振動以及高頻的大幅度的姿態(tài)變化導致采集到圖像視頻質量差，增加了圖像處理的難度，加上機載設備處理能力有限，從而導致高度信息反饋存在時間滯后飛行器的姿態(tài)變化實時影響機載攝像機的姿態(tài)，如果兩者不進行協(xié)調(diào)控制，旋翼機姿態(tài)突變會導致較大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提出一種基于雙目異向運動復合前庭動眼反射的超小型旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法，該方法主要用于在顛簸環(huán)境下超小型無人旋翼飛行器自主著陸問題。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明的構思是:人眼具有很多特殊功能，這是因為人眼眼球在腦認知學習以及眼球運動神經(jīng)回路的控制下，可以實現(xiàn)眼球的多種運動，例如前庭動眼反射與異向運動等。前庭動眼反射主要用于補償頭部姿態(tài)變化引起的視覺誤差。異向運動是當目標遠離和靠近眼球時，可以始終使目標保持在雙目的公共視場或光軸交點。旋翼機類似人類的頭部，攝像機類似人類的眼球，前庭動眼反射可以很好補償顛簸環(huán)境下旋翼機姿態(tài)變化引起的誤差，異向運動可以有效的解決著陸時的盲區(qū)問題，而前庭動眼反射復合異向眼球運動就可以解決在惡劣顛簸環(huán)境下自主著陸的盲區(qū)問題。
[0010]雙目前庭動眼反射與異向運動的復合運動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型如附圖3所示，該控制系統(tǒng)已被生理學實驗所證實，可以實現(xiàn)類似眼球前庭動眼反射、異向運動以及其復合運動。在這個系統(tǒng)中，無人旋翼飛行器相當于人的頭部；機載姿態(tài)傳感器相當于人的前庭器官，用于獲得無人機姿態(tài)變化；攝像機相當于眼球部分，用于獲取目標信息；機載云臺相當于眼球外部的六條眼肌，通過圖像采集卡獲得視覺偏差信息類似于人眼視網(wǎng)膜的滑動誤差。機載云臺的控制系統(tǒng)采用類人眼的雙目前庭動眼反射和異向運動融合的復合運動的仿生控制算法，使得當超小型無人旋翼機在顛簸環(huán)境下著陸時，盡管受到無人機機體姿態(tài)變化的影響，仍能使著陸目標區(qū)域處于雙攝像機的公共視場甚至雙視軸交點。
[0011]根據(jù)上述構思，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種超小型旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法，其特征在于采用人眼雙目前庭動眼反射與異向運動融合的眼球復合運動的仿生控制算法，實現(xiàn)類似人眼的前庭動眼反射、異向運動以及兩者的復合運動，以期望實現(xiàn)超小型無人旋翼飛行器在顛簸環(huán)境下野外零盲區(qū)自主安全軟著陸。整個仿生視覺著陸系統(tǒng)的操作步驟如下:
O啟動自主導航模式:當無人飛行器距離地面2米時，著陸系統(tǒng)自動切換為仿生視覺著陸導航系統(tǒng)，并初步搜尋著陸區(qū)域；
2)傳感器測量:姿態(tài)傳感器實時檢測超小型無人旋翼飛行器的姿態(tài)信息，視覺傳感器(攝像機)通過圖像采集卡獲得著陸目標區(qū)域的圖像信息；
3)A/D轉換:把姿態(tài)與視覺傳感器得到的連續(xù)模擬量，通過A/D轉換，得到信號再進行采樣量化，最后得到數(shù)字量采樣信號；
4)數(shù)字濾波:對采樣信號進行平滑加工，增強有效信號，消除或減少噪聲；
5)標度轉換:分別對視覺傳感器和姿態(tài)傳感器進行相應的標定與轉換；
6)信息融合:針對雙目攝像機采集的圖像信息與無人飛行器的姿態(tài)信息以及機載云臺姿態(tài)信息，根據(jù)建立仿生算法的輸入關系，進行相應的運算處理；
7)仿生算法控制運算:所建立前庭動眼反射與異向運動的仿生控制算法寫入主控制器，將處理后的姿態(tài)信息、圖像信息輸入仿生算法控制器中，經(jīng)過運算后，獲得到雙攝像機的補償偏差所需旋轉的速度和方向；
8)控制云臺轉動:將得到的攝像機云臺所需旋轉的速度和方向，發(fā)送給機載云臺的伺服電機系統(tǒng)，控制雙攝像機的運動，使目標區(qū)域始終保持在雙攝像機的公共視場當中。
[0012]9)著陸過程實時評估:系統(tǒng)根據(jù)雙攝像機實時監(jiān)測的目標區(qū)域的深度信息，并將深度信息反饋給控制系統(tǒng)，控制無人旋翼飛行器的姿態(tài)以及升降。在整個著陸過程中，重復步驟2)到步驟9)循環(huán)，直至無人旋翼飛行器安全著陸到地面。
[0013]上述的著陸過程中，仿生控制運算采用了雙目前庭動眼反射與異向運動融合的復合運動控制系統(tǒng)數(shù)學模型，如附圖4:
圖中眼球半規(guī)管的傳遞函數(shù)表示為:
H(s) s% +1 y
等式(I)中，C(S)是半規(guī)管主要纖維的調(diào)制發(fā)射率的拉式變換，H(S)是頭部旋轉角加
速度的拉式變換，$是半規(guī)管的時間常數(shù)，根據(jù)生理學實驗，Z =16s。
[0014]眼球的數(shù)學模型是可以近似用一階傳遞函數(shù)近似表示:等式(2)中，Te是眼球裝置的時間常數(shù)，
【權利要求】
1.本發(fā)明涉及一種超小型無人旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法，其特征在于根據(jù)雙目異向運動與前庭動眼反射的復合運動控制機理，補償在顛簸環(huán)境下超小型無人旋翼飛行器自主著陸時由自身姿態(tài)變化以及傳統(tǒng)雙目視覺系統(tǒng)的盲區(qū)問題； 其操作步驟如下: 1)啟動自主導航模式:當無人飛行器距離地面2米時，著陸系統(tǒng)自動切換為仿生視覺著陸導航系統(tǒng)，并初步搜尋著陸目標區(qū)域； 2)傳感器測量:姿態(tài)傳感器實時檢測超小型無人旋翼飛行器的姿態(tài)信息，視覺傳感器——攝像機通過圖像采集卡獲得著陸目標區(qū)域的圖像信息； 3)A/D轉換:把姿態(tài)與視覺傳感器得到的連續(xù)模擬量，通過A/D轉換，得到信號再進行采樣量化，最后得到數(shù)字量采樣信號； 4)數(shù)字濾波:對采樣信號進行平滑加工，增強有效信號，消除或減少噪聲； 5)標度轉換:分別對視覺傳感器和姿態(tài)傳感器進行相應的標定與轉換； 6)信息融合:針對雙目攝像機采集的圖像信息與無人飛行器的姿態(tài)信息以及機載云臺姿態(tài)信息，根據(jù)建立仿生算法的輸入關系，進行相應的運算處理； 7)仿生算法控制運算:所建立前庭動眼反射與異向運動的仿生控制算法寫入主控制器，將處理后的姿態(tài)信息、圖像信息輸入仿生算法控制器中，經(jīng)過運算后，獲得到雙攝像機的補償偏差所需旋轉的速度和方向； 8)控制云臺轉動:將得 到的攝像機云臺所需旋轉的速度和方向，發(fā)送給機載云臺的伺服電機系統(tǒng)，控制攝像機的運動，使目標區(qū)域始終保持在雙攝像機的公共視場當中。 9)著陸過程實時評估:系統(tǒng)根據(jù)雙攝像機實時監(jiān)測的目標區(qū)域的深度信息，并將深度信息反饋給控制系統(tǒng)，控制無人旋翼飛行器的姿態(tài)以及升降。在整個著陸過程中，重復步驟2)到步驟9)循環(huán)，直至無人旋翼飛行器安全著陸到地面。
2.根據(jù)權利要求1所述的超小型無人旋翼飛行器野外定點零盲區(qū)自主軟著陸方法，其特征在于所述步驟7)中的仿生算法控制運算，所采用的算法模型如下:

Er O) = [T (J) - Hr (s) - ￡r(j)]
、⑷=剛啡)-聊
Ei(S) = ?φ\{Ρ? 丨 pri)s + (ρλ I pr5) + $1】+[ff?r
sT -1 IsT 11 w9
-HAs)p]^^ — ^JsJ(pY 奪Hh(ρ.λHhρδ) b —-]}
Tsirl r rrsT ^hl


C


1Jm
Er is) =I i (ρλ l pr5) f —~-1 + Slw, -l.1.1-1.2 ~k -————^i(sj(prr + pn)s + {ρ.λ + ρδ) + _]j +1 st^ Ik是積分器的時間常數(shù)，:K是半規(guī)管的時間常數(shù)，A表示濾波器的時間常數(shù)，s是一個復變量--4是頭部旋轉姿態(tài)的角度，拓&)、巧OO分別是左、右半規(guī)管檢測的頭部旋轉姿態(tài)的角度，其中私
【文檔編號】B64D45/08GK103587708SQ201310563804
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權日:2013年11月14日
【發(fā)明者】李恒宇, 黃潮炯, 劉恒利, 謝少榮, 羅均 申請人:上海大學