專利名稱：一種基于計算機視覺的直升機著陸引導裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及飛行器導航技術領域，尤其涉及一種無人直升機著陸視覺引導方法以及實現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術：
微小型無人直升機的自主著陸是非常復雜的飛行階段，它要求在低速和低高度的情況下，獲得精確的高度，速度和航向等自身運動信息，并反饋給機載飛行控制系統(tǒng)，以控制飛機的位置和姿態(tài)，降落到指定位置。傳統(tǒng)的無人機著陸引導方法是，將機載的全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導航系統(tǒng) (INS)以及電子羅盤的數(shù)據(jù)融合來得到直升機的位姿信息。但是由于受限于機載GPS系統(tǒng)的精度，以及降落過噪聲干擾、遮擋等原因，GPS系統(tǒng)無法提供足夠精準的位姿信息。而INS 和電子羅盤往往存在著較大的積分誤差，也無法獨立準確地提供定位信息。針對這一問題，近年來出現(xiàn)利用視覺傳感器拍攝地面標志以獲取直升機位姿信息的著陸引導方案。但視覺方法需對采集的圖像進行復雜的運算處理，以提取上述位姿信息。 而受限于直升機的尺寸和載重能力，機載計算機系統(tǒng)的性能有限，這就意味著在運算實時性和運算精度方面存在較大問題。此外，機載視覺傳感器在獲取地面圖像時存在著不同程度的圖像抖動，煙霧遮擋等問題，所以仍有必要尋求新的更為完善的直升機著陸方案。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高飛機位姿測量的實時性和精度，本發(fā)明提供了一種將直升機降落架末端塑料緩沖球作為特征角點，利用視覺傳感器實時跟蹤角點，并通過圖像處理算法獲取直升機位姿信息，以引導直升機自主定點著陸的裝置和方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種直升機著陸引導裝置，它包括 地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)、前景搜索模塊、跟蹤匹配模塊、位姿解算模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等，所述地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)、前景搜索模塊、跟蹤匹配模塊、位姿解算模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊依次相連，所述地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)與跟蹤匹配模塊相連?！N無人直升機著陸視覺引導方法，包括如下步驟
(1)地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)采集圖像；
(2)在步驟1采集的圖像中搜索圖像前景，即顏色分別為紅、黃、藍、綠的四個機載人工地標；
(3)使用粒子濾波算法實時跟蹤上述人工地標；
(4)由位姿解算模塊計算直升機相對地坐標系的位置和姿態(tài)；
(5)地面站計算機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將步驟4得到的位姿信息傳送至連接到飛行控制計算機的接收機，然后通過RS-232接口傳輸?shù)斤w行控制計算機；
(6)飛行控制計算機根據(jù)上述位姿信息引導直升機降落到指定位置。
本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明由于采用了在直升機機體上設置人工地標，由地面多攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)拍攝空中地標的方案，較之直升機機載視覺傳感器拍攝地面人工地標的方案，圖像的背景為單調(diào)的天空，有效地降低了背景的干擾，減小了噪聲；同時，由地面高性能計算機完成圖像處理任務，較之機載計算機，有效提升實時性和計算精度。此外， 本方案采用多攝像頭視覺系統(tǒng)從三個角度采集圖像信息進行融合，可以有效解決地標間的遮擋問題，增大了系統(tǒng)的測量空間范圍。本發(fā)明僅在原有硬件基礎上增加四個人工地標以及三臺攝像頭，充分利用了原有的地面站計算機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，有效控制了成本。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明 圖1是本發(fā)明的直升機著陸裝置功能框示意圖； 圖2是地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)結構圖3是前景搜索模塊軟件流程圖； 圖4是跟蹤匹配模塊軟件流程圖； 圖5是位姿解算模塊軟件流程圖； 圖6是本發(fā)明的直升機著陸方法的流程示意圖。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明所涉及的直升機著陸引導裝置的功能框圖的示例。如圖1所示，本發(fā)明直升機著陸引導裝置包括地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)1、 前景搜索模塊2、跟蹤匹配模塊3、位姿解算模塊4和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊5，地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)1、前景搜索模塊2、跟蹤匹配模塊3、位姿解算模塊4和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊5 依次相連，地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)1與跟蹤匹配模塊3相連。如圖2所示，地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)包括三臺光學攝像頭，其連接關系如圖2所示。光學攝像頭可以采用羅技公司的C160產(chǎn)品，但不限于此。如圖3所示，前景搜索模塊的工作過程如下將視覺傳感器輸出的圖像由RGB域轉(zhuǎn)為HSV域；經(jīng)過篩選檢測所需的顏色區(qū)域，即四個人工地標所對應的紅、黃、藍、綠區(qū)域；分別將上述各個顏色區(qū)域翻轉(zhuǎn)成反色即綠、藍、黃、紅顏色；將上述兩幅圖像轉(zhuǎn)化為Gray圖像以去除噪聲，并進行做差運算，從而消除背景；隨后對上述圖像運用Carmy算子以尋找圓球邊緣；最后應用霍夫變換求解上述四個圓的半徑以及圓心在圖像中的坐標。本模塊可以采用C++語言調(diào)用OpenCV庫函數(shù)實現(xiàn)，但不限于此。上述人工地標為固定在直升機降落架末端的四個硬質(zhì)塑料緩沖球，其相對于直升機的質(zhì)心位置已經(jīng)過標定。上述人工地標可采用日本Futaki公司出產(chǎn)的T-REX 600 Nitro Super Pro直升機附帶的降落架，但不僅限于此。如圖4所示，跟蹤匹配模塊的工作過程如下設定粒子數(shù)量，確定運動模型為一階自適應模型；將S2中檢測到得四個地標設定為跟蹤目標，并使用加權顏色直方圖建立目標模型針對上述每一個人工地標，令目標即投影圓中心坐標為y，直方圖量化級數(shù)為m，跟蹤區(qū)域內(nèi)像素坐標為IxJN，建立加權顏色直方圖目標模型P= {Pu (y) Iu=U^m，其中
權利要求
1.一種直升機著陸引導裝置，其特征在于，它包括地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)、前景搜索模塊、跟蹤匹配模塊、位姿解算模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等，所述地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)、前景搜索模塊、跟蹤匹配模塊、位姿解算模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊依次相連， 所述地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)與跟蹤匹配模塊相連。
2.一種應用權利要求1所述直升機著陸引導裝置的無人直升機著陸視覺引導方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)采集圖像；(2)在步驟1采集的圖像中搜索圖像前景，即顏色分別為紅、黃、藍、綠的四個機載人工地標；(3)使用粒子濾波算法實時跟蹤上述人工地標；(4)由位姿解算模塊計算直升機相對地坐標系的位置和姿態(tài)；(5)地面站計算機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將步驟4得到的位姿信息傳送至連接到飛行控制計算機的接收機，然后通過RS-232接口傳輸?shù)斤w行控制計算機；(6)飛行控制計算機根據(jù)上述位姿信息引導直升機降落到指定位置。
3.根據(jù)權利要求2所述的無人直升機著陸視覺引導方法，其特征在于，所述步驟2具體為將地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)輸出的圖像由RGB域轉(zhuǎn)為HSV域；經(jīng)過篩選檢測所需的顏色區(qū)域，即四個人工地標所對應的紅、黃、藍、綠區(qū)域；分別將上述各個顏色區(qū)域翻轉(zhuǎn)成反色即綠、藍、黃、紅顏色；將上述兩幅圖像轉(zhuǎn)化為Gray圖像以去除噪聲，并進行做差運算， 從而消除背景；隨后對上述圖像運用Carmy算子以尋找圓球邊緣；最后應用霍夫變換求解上述四個圓的半徑以及圓心在圖像中的坐標。
4.根據(jù)權利要求2所述的無人直升機著陸視覺引導方法，其特征在于，所述步驟3具體為設定粒子數(shù)量，確定運動模型為一階自適應模型；將步驟2中檢測到的四個地標設定為跟蹤目標，并使用加權顏色直方圖建立目標模型針對上述每一個人工地標，令目標即投影圓中心坐標為y，直方圖量化級數(shù)為m，跟蹤區(qū)域內(nèi)像素坐標為IxJ M2,...,,，建立加權顏色直方圖目標模型P={Pu (y) L1U，其中
5.根據(jù)權利要求2所述的無人直升機著陸視覺引導方法，其特征在于，所述步驟5具體為已知直升機坐標系和攝像機坐標系的轉(zhuǎn)換關系如下所示
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于計算機視覺的直升機著陸引導裝置和方法，該裝置包括地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)、前景搜索模塊、跟蹤匹配模塊、位姿解算模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)、前景搜索模塊、跟蹤匹配模塊、位姿解算模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊依次相連，所述地面三攝像頭視覺傳感器系統(tǒng)與跟蹤匹配模塊相連；本發(fā)明較之以往視覺引導著陸方案，圖像的背景為單調(diào)的天空，有效地降低了背景的干擾，減小了噪聲；同時，由地面高性能計算機完成圖像處理任務，較之機載計算機，有效提升實時性和計算精度。
文檔編號G01C11/00GK102538782SQ20121000059
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權日2012年1月4日
發(fā)明者李平, 鄭曉平, 鄭翰 申請人:浙江大學