一種小型無人機(jī)降落方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無人機(jī)和機(jī)器視覺領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種小型無人機(jī)降落方法及系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002] 當(dāng)今，無人飛行器OJAV) -直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，具有使用便利、運(yùn)營成本 低、機(jī)動靈活易于智能化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于視頻監(jiān)視、偵查、航測航拍、災(zāi)害捜救、線路 巡查、影視制作等場合。而無人直升機(jī)不需要?？诘呐艿?，可W垂直起飛和降落，對需用空 間要求低等優(yōu)點(diǎn)，近年來小型無人直升機(jī)的研究與應(yīng)用越來越受到關(guān)注。
[0003] 然而，小型無人機(jī)復(fù)雜環(huán)境下的自主回收降落既是技術(shù)難點(diǎn)，也是我們越來越關(guān) 注的焦點(diǎn)。目前無人機(jī)使用GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行飛行導(dǎo)航，但是當(dāng)前民用GI^定位 精度只能達(dá)到10米W內(nèi)，特別是在自主降落過程中，運(yùn)個精度還是無法達(dá)到無人機(jī)的精確 降落要求。
[0004] 因此，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究：在小型無人機(jī)自主降落的過程中，合理設(shè)計人 工降落地標(biāo)，W及利用機(jī)載攝像頭獲取圖像，并設(shè)計算法提取降落地標(biāo)特征信息，輔助小型 無人機(jī)自主降落；如張廣軍《基于雙圓特征的無人機(jī)著陸位置姿態(tài)視覺測量方法》采用的 是雙圓特征作為地標(biāo)；SankalpArora《Infrast;ruc1:ure-free化ipdeckTrackingfor AutonomousLanding》采用的是圓形標(biāo)志作為地標(biāo)；專利號化200510095085. 7采用的是 十字形的地標(biāo)。更多的是采用的H標(biāo)志作為地標(biāo)，如戴中興《基于視覺的小型垂直起降UAV 降落引導(dǎo)技術(shù)》也用的是H標(biāo)志作為地標(biāo)。 陽0化]W上運(yùn)些方法都是采用無人機(jī)裝載攝像頭識別地標(biāo)，運(yùn)種方法用在大型穩(wěn)定性好 的無人機(jī)上可W，使用在小型無人機(jī)上，由于其不穩(wěn)定性，它的水平方向的位移會使降落臺 標(biāo)志逃出視野，導(dǎo)致無法識別降落臺標(biāo)志。又因?yàn)榈孛鏀z像頭對空中目標(biāo)的捜索范圍會小 很多，再考慮到復(fù)雜的自然環(huán)境（如強(qiáng)光、陰天等）對地面攝像頭檢測空中目標(biāo)的干擾，針 對運(yùn)些問題，設(shè)計一種無人機(jī)降落方法及系統(tǒng)，輔助小型無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)自主降落，顯得尤 為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種小型無人機(jī)降落 方法及系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種小型無人機(jī)降落系統(tǒng)，包括W下模塊：
[000引導(dǎo)航模塊，用于引導(dǎo)無人機(jī)進(jìn)入預(yù)降落區(qū)域；
[0009] 通信模塊，用于無人機(jī)和降落臺的通信；
[0010] 視覺系統(tǒng)，包括標(biāo)志單元、采集單元、處理單元；
[0011] 所述標(biāo)志單元包括機(jī)載標(biāo)志單元和降落臺標(biāo)志單元，分別為地面和機(jī)載采集單元 提供義集目標(biāo)；
[0012] 所述采集單元包括機(jī)載采集單元和降落臺采集單元，分別用于對降落臺標(biāo)志和機(jī) 載標(biāo)志的采集和檢測；
[0013] 處理單元，包括機(jī)載處理單元和地面處理單元，機(jī)載處理單元用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的 初步定位；地面處理單元用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精確定位與跟蹤；
[0014] 控制模塊，用于控制無人機(jī)的降落。
[0015] 按上述方案，所述機(jī)載標(biāo)志單元包括=個分別布置在無人機(jī)的=個頂點(diǎn)的顯示單 元；所述=個顯示單元形成等腰=角狀，每個顯示單元能W不同的頻率顯示多種顏色。
[0016] 按上述方案，所述降落臺標(biāo)志單元為黑白顏色的四邊形狀。
[0017] 按上述方案，所述機(jī)載采集單元是位于無人機(jī)底部的攝像頭；降落臺采集單元為 分布在降落臺四周的多個攝像頭組。
[0018] 按上述方案，所述處理單元視覺系統(tǒng)對無人機(jī)的定位與跟蹤，屬于多攝像頭對目 標(biāo)的定位，包括如下步驟：
[0019] 4. 1)采用平面標(biāo)定"棋盤格"法對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲得相應(yīng)攝像機(jī)的內(nèi)參 數(shù)：焦距也，fy)，主點(diǎn)（U。，V。)，及四個崎變因子k;外參數(shù)：平移矢量T和旋轉(zhuǎn)矢量R;
[0020] 4. 2)根據(jù)攝像機(jī)的參數(shù)信息，建立目標(biāo)在圖像中坐標(biāo)位置與其空間坐標(biāo)之間的關(guān) 系式，采用基于最小二乘法原理的光束法平差對多目攝像機(jī)定位測量進(jìn)行優(yōu)化求解；
[0021] 所述目標(biāo)在圖像中坐標(biāo)位置與其空間坐標(biāo)之間的關(guān)系式為：
陽02；3] 其中，KVy)為實(shí)際像點(diǎn)，像素p(Ux，Vy)代表目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)戊，YwZJ在圖像平面上 的坐標(biāo)位置；咕為理想像點(diǎn)，（Sx，5y)為崎變因子，rc、ri，r2……為旋轉(zhuǎn)矩陣Rj。 內(nèi)的元素，（L，Ty,TJ為平移向量Tw內(nèi)的元素，（Ut，v。）為圖像主點(diǎn)，是光軸與像平面交點(diǎn) 的圖像坐標(biāo)；（fx，fy)為橫縱向等效焦距。
[0024] 按上述方案，所述采集單元中地面視覺系統(tǒng)利用機(jī)載標(biāo)志檢測無人機(jī)采用基于顯 著性分析的自適應(yīng)模式的目標(biāo)檢測算法；主要包括W下幾個步驟：首先根據(jù)包括顏色、紋 理、局部對比度的特征信息對整個場景進(jìn)行圖像理解并建立顯著性圖，提取得到包括無人 機(jī)的目標(biāo)區(qū)域；然后采用基于時間頻率特征的檢測算法對機(jī)載標(biāo)志燈進(jìn)行檢測和識別。
[0025] 一種小型無人機(jī)降落方法，包括W下步驟：
[00%] 1)通過GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)無人機(jī)進(jìn)入預(yù)降落區(qū)域；
[0027] 2)將無人機(jī)與地面降落臺建立通信；
[002引 3)驅(qū)動無人機(jī)的機(jī)載視覺系統(tǒng)捜索降落臺標(biāo)志，同時開啟機(jī)載標(biāo)志燈并發(fā)送指令 給地面降落臺；
[0029] 4)地面視覺系統(tǒng)利用機(jī)載標(biāo)志檢測無人機(jī)，完成對無人機(jī)的跟蹤與定位；
[0030] 5)控制無人機(jī)緩慢降落。
[0031] 按上述方案，所述機(jī)載標(biāo)志燈包括=個分別布置在無人機(jī)的=個頂點(diǎn)的顯示單 元；所述=個顯示單元形成等腰=角狀，每個顯示單元能W不同的頻率顯示多種顏色。
[0032] 按上述方案，所述降落臺標(biāo)志為黑白顏色的四邊形狀。
[0033] 按上述方案，所述機(jī)載視覺系統(tǒng)是位于無人機(jī)底部的攝像頭；地面視覺系統(tǒng)為多 個攝像頭組，分布在降落臺四周。
[0034] 按上述方案，所述步驟4)中上述步驟中視覺系統(tǒng)對無人機(jī)的定位與跟蹤，屬于多 攝像頭對目標(biāo)的定位，包括如下步驟：
[0035] 4. 1)采用平面標(biāo)定"棋盤格"法對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲得相應(yīng)攝像機(jī)的內(nèi)參 數(shù)：焦距也，fy)，主點(diǎn)（U。，V。)，及四個崎變因子k;外參數(shù)：平移矢量T和旋轉(zhuǎn)矢量R;
[0036] 4. 2)根據(jù)攝像機(jī)的參數(shù)信息，建立目標(biāo)在圖像中坐標(biāo)位置與其空間坐標(biāo)之間的關(guān) 系式，采用基于最小二乘法原理的光束法平差對多目攝像機(jī)定位測量進(jìn)行優(yōu)化求解；
[0037] 所述目標(biāo)在圖像中坐標(biāo)位置與其空間坐標(biāo)之間的關(guān)系式為：
[0039] 其中，KVy)為實(shí)際像點(diǎn)，像素p(Ux，Vy)代表目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)戊，YwZJ在圖像平面上 的坐標(biāo)位置；咕為理想像點(diǎn)，（5 " 5y)為崎變因子，r。、Tl,。......，rs為旋轉(zhuǎn)矩陣R3x3 內(nèi)的元素，（L，Ty,TJ為平移向量Tw內(nèi)的元素，（Ut，v。）為圖像主點(diǎn)，是光軸與像平面交點(diǎn) 的圖像坐標(biāo)；（fx，fy)為橫縱向等效焦距。
[0040] 按上述方案，所述步驟4)中地面視覺系統(tǒng)利用機(jī)載標(biāo)志檢測無人機(jī)采用基于顯 著性分析的自適應(yīng)模式的目標(biāo)檢測算法；主要包括W下幾個步驟：首先根據(jù)包括顏色、紋 理、局部對比度的特征信息對整個場景進(jìn)行圖像理解并建立顯著性圖，提取得到包括無人 機(jī)的目標(biāo)區(qū)域；然后采用基于時間頻率特征的檢測算法對機(jī)載標(biāo)志燈進(jìn)行檢測和識別；
[0041] 按上述方案，所述建立顯著性圖采用W下公式： 陽042] S(x,y) =IIy)II，其中，I^^是圖像特征量的平均值，I"h(x,y)是經(jīng)過高 斯濾波后對應(yīng)圖像像素的特征值，IMI是歐式距離公式。
[0043] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計了一種降落臺標(biāo)志用于無人機(jī)的初步定 位，其次提出一種可更改顏色的機(jī)載標(biāo)志單元應(yīng)對復(fù)雜的自然環(huán)境，采用機(jī)器視覺的方法 實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)精確定位和跟蹤，進(jìn)而完成無人機(jī)的自主降落。本發(fā)明能有效提高無人機(jī)的 現(xiàn)代化水平。
【附圖說明】
[0044] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中： W45] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；
[0046] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中坐標(biāo)系的定義與視覺定位示意圖；
[0047]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的地面降落臺標(biāo)志圖像。
【具體實(shí)施方式】 W48] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明。 W例如圖1所示，一種小型無人機(jī)降落方法，包括W下步驟：
[0050] 1)通過GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)無人機(jī)進(jìn)入預(yù)降落區(qū)域；
[0051] 2)將無人機(jī)與地面降落臺建立通信；
[0052] 3)驅(qū)動無人機(jī)的機(jī)載視覺系統(tǒng)捜索降落臺標(biāo)志，同時開啟機(jī)載標(biāo)志燈并發(fā)送指令 給地面降落臺；
[005引其中，降落臺標(biāo)志為黑白顏色的四邊形狀；降落臺標(biāo)志（如圖3所示）設(shè)計為正方 形區(qū)域，內(nèi)嵌了多個黑白顏色的正方形形狀，黑白間距的比為1:1:2:2:2:1:1，其中最里面 的是=個大小相等的白色正方形，它們構(gòu)成等腰直角=角形的=個頂點(diǎn)；
[0054] 機(jī)載標(biāo)志燈包括=個分別布置在無人機(jī)的=個頂點(diǎn)的顯示單元；所述=個顯示單 元形成等腰=角狀，每個顯示單元能W不同的頻率顯示多種顏色。
[0055] 機(jī)載視覺系統(tǒng)是位于無人機(jī)底部的攝像頭；地面視覺系統(tǒng)為多個攝像頭組，分布 在降落臺四周。
[0056] 4)地面視覺系統(tǒng)利用機(jī)載標(biāo)志檢測無人機(jī)，完成對無人機(jī)的跟蹤與定位；
[0057] 1.檢測：
[0058] 地面視覺系統(tǒng)利用機(jī)載標(biāo)志檢測無人機(jī)采用基于顯著性分析的自適應(yīng)模式的目 標(biāo)檢測算法；主要包括W下幾個步驟：首先根據(jù)包括顏色、紋理、局部對比度的特征信息對 整個場景進(jìn)行圖像理解并建立顯著性圖，提取得到包括無人機(jī)的目標(biāo)區(qū)域；然后采用基于 時間頻率特征的檢測算法對機(jī)載標(biāo)志燈進(jìn)行檢測和識別；
[0059] 其中，建立顯著性圖采用W下公式： 陽060] S(x,y) =IIy)II，其中，I^^是圖像特征量的平均值，I"h(x,y)是經(jīng)過高 斯濾波后對應(yīng)圖像像素的特征值，IMI是歐式距離公式。 W61] 2.定位：
[0062] 視覺系統(tǒng)對無人機(jī)的定位，屬于多攝像頭對目標(biāo)的定位，包括如下步驟：
[0063] 采用平面標(biāo)定"棋盤格"法對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲得相應(yīng)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)：焦 距也，fy)，主點(diǎn)（Ut，v。)，及四個崎變因子k;外參數(shù)：平移矢量T和旋轉(zhuǎn)矢量R。然后利用 運(yùn)些參數(shù)信息和目標(biāo)在圖像上反