用于無人機(jī)自主降落的視覺輔助裝置及視覺輔助方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無人飛行器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于無人機(jī)自主降落的視覺輔助 裝置及視覺輔助方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)位置和姿態(tài)信息的獲取及協(xié)同控制是無人機(jī)自主降落技術(shù)的核心，為了使 無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)后能按照計(jì)劃順利降落，需要使無人機(jī)在遠(yuǎn)距離時(shí)即可感知到著陸區(qū) 域，調(diào)整俯仰姿態(tài)和航向偏移；在感知進(jìn)近（飛行器下降時(shí)對(duì)準(zhǔn)跑道的過程）后，實(shí)時(shí)獲取 無人機(jī)位置和姿態(tài)信息，結(jié)合無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)航向，按照規(guī)劃的導(dǎo)航軌跡進(jìn)行下 滑；在規(guī)劃拉平點(diǎn)時(shí)，確保無人機(jī)各飛行參數(shù)滿足降落條件，并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)按照拉平軌跡線 著陸；最后在滑跑剎車階段確保無人機(jī)可以沿機(jī)場跑道線滑行，避免沖出跑道，并在指定區(qū) 域內(nèi)完成制動(dòng)。因此如何準(zhǔn)確獲取無人機(jī)的各種參數(shù)是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
[0003] 當(dāng)前無人機(jī)自主降落過程中所采用的視覺輔助裝置，通常是利用機(jī)載照相設(shè)備獲 取識(shí)別跑道及地平線來感知無人機(jī)降落姿態(tài)，但仍存在一些不足。首先，環(huán)境感知缺乏多尺 度分析機(jī)制，無人機(jī)整個(gè)降落過程需要一系列連續(xù)操作，視場分辨率逐步提高，每個(gè)操作階 段所需獲取的關(guān)鍵參數(shù)又有所差異，當(dāng)前的視覺輔助系統(tǒng)大多采用同一尺度特征，難以滿 足上述過程的實(shí)際需求；其次，姿態(tài)及位置標(biāo)定效果較差，對(duì)照相設(shè)備參數(shù)的標(biāo)定未能良好 地與無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行耦合，照相設(shè)備參數(shù)的獲取更多依靠離線標(biāo)定過程或在飛行過程中通 過標(biāo)定物孤立自標(biāo)定獲取，未能充分結(jié)合無人機(jī)自身平臺(tái)器件的優(yōu)勢，影響了視覺輔助參 數(shù)提取的精度；最后，缺乏對(duì)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)行為的深度預(yù)測，當(dāng)前的視覺輔助裝置更多側(cè)重于 參數(shù)的采集，缺乏對(duì)采集參數(shù)的分析與深度挖掘，若對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘可將進(jìn)一步 提高無人機(jī)視覺輔助降落的精度和效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有利用機(jī)載照相設(shè)備獲取識(shí)別跑道及地平線來感知無人機(jī)降落姿態(tài) 的視覺輔助裝置存在的缺乏多尺度分析機(jī)制而難以滿足降落需求、姿態(tài)及位置標(biāo)定效果較 差、缺乏對(duì)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)行為的深度預(yù)測的問題，本發(fā)明提供一種用于無人機(jī)自主降落的視 覺輔助裝置及視覺輔助方法。
[0005] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明的用于無人機(jī)自主降落的視覺輔助裝置，包括：
[0007] 安裝在無人機(jī)頭部位置的兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)；
[0008] 與兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)相連的轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)；
[0009] 與轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)相連的電源模塊；
[0010]與電源模塊相連的單目定焦相機(jī)、視覺輔助信息處理模塊和信息存儲(chǔ)模塊，所述 單目定焦相機(jī)與視覺輔助信息處理模塊相連，所述視覺輔助信息處理模塊分別與信息存儲(chǔ) 模塊和無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)相連，所述信息存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)視覺輔助信息處理模塊輸出 的視頻編碼信息；
[0011] 所述轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)、電源模塊、單目定焦相機(jī)、視覺輔助信息處理模塊和信息存儲(chǔ)模塊 均固定在兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)上；
[0012] 視覺輔助信息處理模塊包括：著陸軌跡重規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)對(duì)比器、信息過濾器、基 于圖像控制的計(jì)算機(jī)視覺處理器、基于位置控制的計(jì)算機(jī)視覺處理器、第一反饋修正器、第 二反饋修正器、信息融合參數(shù)提取器和RS485通訊接口；
[0013] 所述基于圖像控制的計(jì)算機(jī)視覺處理器與第一反饋修正器相連，基于位置控制的 計(jì)算機(jī)視覺處理器與第二反饋修正器相連；無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)對(duì)比器、單目定焦 相機(jī)、信息過濾器、第二反饋修正器、信息融合參數(shù)提取器、著陸軌跡重規(guī)劃模塊、基于圖像 控制的計(jì)算機(jī)視覺處理器相連；信息融合參數(shù)提取器分別與第一反饋修正器、無人機(jī)機(jī)載 傳感器、數(shù)據(jù)對(duì)比器、單目定焦相機(jī)、信息過濾器、第二反饋修正器相連；著陸軌跡重規(guī)劃模 塊分別與無人機(jī)機(jī)載傳感器、數(shù)據(jù)對(duì)比器、單目定焦相機(jī)、信息過濾器均相連；所述視覺輔 助信息處理模塊與無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)通過RS485通訊接口相連，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通 信。
[0014] 進(jìn)一步的，所述電源模塊為轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)和單目定焦相機(jī)提供12V電源。
[0015] 進(jìn)一步的，所述電源模塊為視覺輔助信息處理模塊和信息存儲(chǔ)模塊提供5V電源。
[0016] 進(jìn)一步的，所述視覺輔助信息處理模塊采用四核C〇rteXA9作為處理核心芯片，電 壓5V。
[0017] 進(jìn)一步的，所述信息存儲(chǔ)模塊采用三星MB-MP32D進(jìn)行儲(chǔ)存，電壓5V。
[0018] 本發(fā)明還提供一種用于無人機(jī)自主降落的視覺輔助裝置的視覺輔助方法，該方法 包括以下步驟：
[0019] (1)將信息數(shù)據(jù)庫與歷史評(píng)估后的數(shù)據(jù)輸入至視覺輔助信息處理模塊中，同時(shí)著 陸航跡重規(guī)劃模塊利用知識(shí)庫以及從無人機(jī)機(jī)載傳感器、數(shù)據(jù)對(duì)比器、單目定焦相機(jī)、信息 過濾器中獲取的原始信息對(duì)無人機(jī)的著陸軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)修正；
[0020] (2)將無人機(jī)機(jī)載傳感器獲取的慣導(dǎo)信息、GPS信息、星光信息傳輸給信息融合參 數(shù)提取器，同時(shí)將數(shù)據(jù)對(duì)比器獲取的參考信息、單目定焦相機(jī)獲取的視覺信息、信息過濾器 獲取的參考信息傳輸給信息融合參數(shù)提取器；
[0021] (3)基于圖像控制的計(jì)算機(jī)視覺處理器獲取無人機(jī)的圖像信息并將其轉(zhuǎn)換為基于 圖像的視覺控制信號(hào)，同時(shí)將該基于圖像的視覺控制信號(hào)傳輸給第一反饋修正器，第一反 饋修正器再將該基于圖像的視覺控制信號(hào)傳輸給信息融合參數(shù)提取器；
[0022] (4)基于位置控制的計(jì)算機(jī)視覺處理器獲取無人機(jī)的位置信息并將其轉(zhuǎn)換為基于 位置的視覺控制信號(hào)，同時(shí)將該基于位置的視覺控制信號(hào)傳輸給第二反饋修正器，第二反 饋修正器再將該基于位置的視覺控制信號(hào)傳輸給信息融合參數(shù)提取器；
[0023] (5)信息融合參數(shù)提取器通過對(duì)接收到的慣導(dǎo)信息、GPS信息、星光信息、參考信 息、視覺信息、參考信息進(jìn)行信息整合，對(duì)整合出的融合參數(shù)進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)與判別，解析出 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)用于飛行管理控制的參數(shù)，并通過RS485通訊接口與無人機(jī)自主降落 飛行控制模塊進(jìn)行通訊，輔助無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)針對(duì)不同的降落階段劃分完成相應(yīng)的控 制工作；
[0024] (6)最后無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)利用視覺輔助裝置提供的信息，結(jié)合非線性控制與 無人機(jī)姿態(tài)更新，控制無人機(jī)中的舵機(jī)完成無人機(jī)自主降落的所有工作。
[0025] 進(jìn)一步的步驟（1)中，原始信息指的是：無人機(jī)機(jī)載傳感器獲取的慣導(dǎo)信息、GPS 信息、星光信息，以及數(shù)據(jù)對(duì)比器獲取的參考信息、單目定焦相機(jī)獲取的視覺信息、信息過 濾器獲取的參考信息。
[0026] 進(jìn)一步的，步驟（5)中，降落階段劃分為感知進(jìn)近、下滑對(duì)準(zhǔn)、拉平著陸和滑跑制 動(dòng)。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：無人機(jī)的相對(duì)位置和姿態(tài)角是它穩(wěn)定飛行和安全著陸必備 的導(dǎo)航參數(shù)，本發(fā)明的目的是在于提供一種無人機(jī)降落時(shí)利用視覺信息，通過分析處理進(jìn) 行實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)信息獲取采集，實(shí)現(xiàn)降落運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與預(yù)測，輔助飛行控制系統(tǒng)完成自 主降落中的感知進(jìn)近、對(duì)準(zhǔn)下滑及滑跑剎車等任務(wù)，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡單、處理速度快及精度 尚等優(yōu)點(diǎn)。
[0028] 本發(fā)明針對(duì)無人機(jī)自主降落過程中視覺輔助裝置需要解決的問題，構(gòu)建了相應(yīng)的 裝置結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了整體方案，無人機(jī)在自主降落過程中，通過攝像頭和信息處理系統(tǒng)采集 無人機(jī)降落位置及姿態(tài)參數(shù)并進(jìn)行標(biāo)定，預(yù)