CN103218607B

CN103218607B - 一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法

Info

Publication number: CN103218607B
Application number: CN201310125318.8A
Authority: CN
Inventors: 李红光; 丁文锐; 袁永显
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beijing northern sky long hawk UAV Technology Co. Ltd.
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: CN103218607A

Abstract

本发明公开了一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，属于视觉导航领域。本发明方法依据结构简单、便于识别、具有方向引导性、仿射变换条件下便于准确定位的原则设计了合作目标的形状、尺寸、颜色、位置布置以及辐射波段和功率，使得合作目标便于识别和定位；然后设计了合作目标识别方案，包括：5000米远距离舰艇位置探测、1000米中距离跑道平面定位、500米近距离着舰位置定位。采用本发明方法能提高无人机自主着舰的安全性和成功率，且设计的合作目标便于识别、定位，鲁棒性高，利用计算机视觉可快速识别合作目标实现无人机自主着舰。

Description

一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法

技术领域

本发明属于视觉导航技术领域，具体涉及一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法。

背景技术

在导航技术领域，现有的无人机自主着陆/着舰导航方法有：全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、视觉导航系统以及各种方式组成的组合导航系统。当前，在无人飞行器导航和着陆导引中，应用最多的是利用GPS/SINS组合导航系统结合高度表来完成，SINS表示捷联惯导系统。其中GPS受国外限制，当被关闭或干扰时，着陆/着舰系统的安全性和可靠性受到很大影响；惯性导航存在误差随时间无限增加的问题，这都将给着舰系统带来严峻的考验，致使着舰失败。所以拥有自主控制的导航和着陆/着舰导引系统，才能满足战时无人飞行器的要求。事实上，无人飞行器全天候自主导航和着陆/着舰也是目前世界上众多国家迫切需要解决的关键问题之一。

国内对无人机自主着陆/着舰系统展开了深入研究并取得了一定的成果。邱力为等人通过理论分析和计算机半实物仿真研究了一种应用于无人直升机自主着舰的双目立体视觉技术，该方法主要用于近距离（3～15m）探测着陆，成像的清晰度和分辨率都很高。针对无人直升机着陆，张广军、周富强等人提出了采用基于双圆特征的着陆位置姿态视觉测量方法来实现着陆点定位，并且进行了仿真验证，该方法快捷，但是同样要求合作目标成像清晰度和分辨率很高。此外，徐贵力、程月华等人提出一种基于红外扫描和视觉的着陆系统，虽然可以通过激光大距离大范围扫描搜索着陆点，但是隐蔽性差。

目前，国外基于计算机视觉的着陆方案的研究中，主要有两种方法进行导航信号的获取。一种是通过识别跑道图像，提取跑道或附近的已知相对位置的特征点，从而计算飞机相对跑道的位置和方向。另一种方法是通过已知机载的跑道三维模型资料库，假设某个观察点，生成期望的跑道合成透视图像，与用机载摄像机拍摄到的实际跑道图像对照，逼近到一定的误差范围内，从而得出机载摄像系统，即飞机的位置。美国很多大学和研究机构，都利用微型直升机，开展了基于计算机视觉的自主精确着陆的研究，并取得了一些成果。同陆基飞机相比，无人机/舰载机的着舰更加复杂和困难。航空母舰虽然庞大，但同汪洋大海相比也不过是沧海一粟，无人机/舰载机要降落在这样一个“狭小”的地方难度可想而知。另外，在跌宕起伏的大海上，航母时时刻刻的六自由度扰动（纵摇、横摇、艏摇、起伏、纵荡和横荡）、异常复杂的大气紊流（除了同陆上相同的大气紊流外，还有舰尾处较强的公鸡尾状的尾流等），以及极其有限的甲板长度等等，都对无人机/舰载机着舰提出了更高的要求。因此，为了能使无人机/舰载机能在极其恶劣及有限的条件下实现安全、精确地自主着舰，必须采取一定的技术措施使无人机/舰载机更加有效的获取舰船、甲板跑道及降落定位点的信息，并且能够根据所获取的信息实时、快速的检测出目标点的特征。在视觉导航中，合作目标的设计是导航系统中的关键。合作目标设计直接关系到导航信息的精度和实时性，对无人机获取精确的跑道信息来完成安全的自主着舰起到至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的是为了提高无人机自主着舰的安全性和成功率，通过在舰船上合理设计和预设合作目标，利用计算机视觉快速识别合作目标实现无人机自主着舰。

本发明提供的一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，具体步骤如下：

第一步，设计合作目标，合作目标的设计内容包括：合作目标的形状、合作目标的尺寸、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率。

所设计的合作目标形状为“T”形，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边，引导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称，在合作目标的质心位置设置定位点。合作目标的外表面涂有鲜艳的红色红外涂料。在舰船跑道两侧设置3个合作目标A、B和C，三个合作目标的引导边都平行于跑道，A和B关于跑道对称分布，A和B的定位点的间距为d₁；B和C的连线平行于跑道，B和C的定位点的间距为d₂。

第二步，设计合作目标识别方案。该方案中包括三个阶段：第一个阶段是5000米远距离舰船位置探测；第二个阶段是1000米中距离跑道平面定位；第三个阶段是500米近距离着舰位置定位。

本发明方法的优点和积极效果在于：

（1）设计的合作目标便于识别，鲁棒性高；

（2）设计的合作目标便于定位；

（3）利用三个合作目标的质心实现对舰船跑道的精确定位；

因此，使用本发明方法能提高无人机自主着舰的安全性和可靠性，可利用计算机视觉快速识别合作目标实现无人机自主着舰。

附图说明

图1是本发明用于无人机自主着舰的合作目标的设计与识别方法的整体步骤图；

图2a是本发明步骤一中所设计的合作目标的形状示意图；

图2b是本发明实施例中设计的合作目标的形状和尺寸示意图；

图3是本发明的三个合作目标在舰船上的布置位置示意图；

图4是合作目标B检测失败时确定着舰位置P的示意图；

图5是本发明步骤二合作目标识别的整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

第一步，设计合作目标，合作目标的设计内容包括：合作目标的形状设计、合作目标的尺寸设计、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率设计。具体设计步骤如下：

（1）设计合作目标的形状

本发明依据结构简单、便于识别、具有方向引导性、仿射变换条件下便于准确定位的原则，将合作目标设计成“T”，如图2a所示。该合作目标具有引导边、定位边及定位点，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边。引导边长设计为2a，定位边长设计为4a，引导边和定位边的宽度相同，都设计为a。引导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称。其中定位边用来确定合作目标放置在舰艇上的位置；引导边用来引导无人机自主着舰的方向；定位点用作对无人机着舰过程中对合作目标的定位，定位点位于合作目标的质心位置，具有仿射不变性。利用图像分割获取合作目标后，直接计算前景区的质心位置，即可获得定位点。操作简便、计算快捷。

（2）设计合作目标的尺寸

合作目标尺寸的设计原则是探测距离为500m时能够进行形状识别、便于在舰艇上安放。

本发明是采用红外相机获取合作目标的红外图像，然后对红外图像进行处理。假设选用红外相机的空间分辨率θ为0.65mrad，S为探测距离（单位Km），设合作目标的引导边的长度2a与定位边的宽度a的和为D，D可以根据下式来确定。

D＝3.5S×θ/λ

为经验值，一般取0.6～0.9，本发明实施例中取0.75。

S＝0.5时，D＝1.52m；取D＝1.5m。根据合作目标的形状，3a=D，则如图2b所示，合作目标的定位边长为1m，引导边长为2m，引导边和定位边的宽度都设计为0.5m。

（3）合作目标的位置布置设计

本发明为了提高对合作目标的识别率，准确确定跑道的位置，共在舰船无人机跑道两侧布置三个合作目标A、B和C。合作目标A位于降落跑道的左侧，合作目标B和C位于降落跑道的右侧。合作目标A、B和C的引导边都平行于跑道。合作目标A和B关于跑道对称，合作目标B和C的连线平行于跑道。A和B的定位点的间距为d₁，B和C的定位点的间距为 d₂。如图3所示。间距d₁和d₂依据跑道的宽度和长度来设置合理的数值。

合作目标布置在舰船上的主要步骤如下：

1.在航母甲板上首先确定三个定位点；

2.以定位点为中心，垂直跑道方向画一条2m直线；

3.将三个合作目标的定位边与所画直线重合，沿线定位布置合作目标。

这种布置方法的优点在于：

1）当出现任意一个合作目标识别失败时，可根据另外两个合作目标及d₁、d₂值正确确定着舰方向及位置；

2）设置3个合作目标缩小了设置1个合作目标时所需的目标尺寸，更方便在舰艇上布置。

3）利用3个合作目标的3个定位点，可以对航母的跑道平面定位。

如图4所示，若合作目标B识别失败，则可根据合作目标A、C的引导边来确定无人机的着舰方向，着舰位置P可根据合作目标A、C的位置及d₁、d₂来确定。

（4）合作目标颜色、辐射波段及功率设计

因为红光波长较长，红色在彩色图像中颜色鲜艳，在灰度图像中灰度值较大，故合作目标颜色设计为红色，外表面涂RGB（255，0，0）红色红外涂料，从而突出可见光图像中目标与背景的对比度。

可见光图像对自然光的依赖性较高，用可见光图像进行物体识别时，不仅要求目标有较好的反射特性，而且要求目标－背景有较高的对比度。而对于红外热辐射图像，目标－背景温度差及其辐射性能是影响识别的主要因素。因此，为了适应全天候的无人机自主着舰，减弱天气等外界因素的影响，本发明选择红外辐射作为合作目标辐射的对应波段。根据红外线在大气中的传输波段衰减特点，选择较稳定的8～12um波段，对应光谱最大辐射效率的温度范围为：32.7～185.6，单位为摄氏度。

辐射功率设计要求5km可以探测合作目标。在8～12um波段，设计合作目标辐射功率2Kw，5Km处探测接受功率为0.5w，满足红外相机探测要求。故设计合作目标的辐射功率为2Kw。

第二步，合作目标识别方案设计。

该方案中包括三个阶段：第一个阶段是5000米远距离舰船位置探测；第二个阶段是1000米中距离跑道平面定位；第三个阶段是500米近距离着舰位置定位。

如图5所示，为进行合作目标识别的整体流程示意图，下面对三个阶段进行具体说明。

步骤2.1，5000米远距离舰船位置探测。在5000米距离处，满足红外图像目标可探测的要求，从而完成对舰船位置的确定。对机载红外摄像机拍摄的红外图像采用SIFT（Scale-invariant feature transform，尺度不变特征变化）算法进行特征点检测，提取三个以上的特征点，通过特征点匹配对舰船位置进行定位，为接下来对舰船跑道定位打下基础。

步骤2.2，1000米中距离跑道平面定位。在1000米距离处，满足可见光图像目标可探测的要求，完成对舰船跑道平面的定位。通过对机载摄像机拍摄的三个合作目标图像采用多通道自适应图像分割方法，提取出合作目标，并计算出合作目标的质心，确定合作目标的定位点。根据三个定位点及定位点之间的距离，确定跑道平面。

步骤2.3，500米近距离着舰位置定位。在500米距离处，通过检测舰船的运行状态及合作目标的识别，两者相结合确定无人机着舰的引导方向及相应的着舰位置。其中，舰船运动状态的检测是对机载红外摄像机拍摄的红外图像采用SIFT算法来提取特征点，通过特征点匹配、全局运动求解确定舰船的运动状态。同时，对拍摄到的合作目标图像采用多通道自适应图像分割方法识别出合作目标，确定合作目标的定位点和引导边，结合舰船的运动状态，最终确定出无人机着舰的精确位置。

上述三个部分分别得到的舰船位置的定位信息、跑道平面的定位信息以及舰船运行状态及合作目标识别信息最终都要输入到飞行数字仿真模块中进行处理，以用于实现无人机自主着舰。采用本发明方法能够提高无人机自主着舰的安全性和成功率，通过在舰船上合理设计和预设合作目标，利用计算机视觉快速识别合作目标从而可实现无人机自主着舰。

Claims

1.一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，包括如下步骤：

步骤1：设计合作目标，设计内容包括：合作目标的形状、合作目标的尺寸、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率；

步骤2：设计合作目标识别方案，该方案中包括三个阶段：第一个阶段是5000米远距离舰船位置探测；第二个阶段是1000米中距离跑道平面定位；第三个阶段是500米近距离着舰位置定位；

其特征在于，所述的步骤1中，所设计的合作目标的形状为“T”形，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边，引导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称，在合作目标的质心位置设置定位点；定位边用来确定合作目标放置在舰艇上的位置，引导边用来引导无人机自主着舰的方向，定位点用作在无人机着舰过程中对合作目标的定位；合作目标的外表面涂有红色红外涂料；

“T”形合作目标的引导边的长度设计为2a，定位边的长度设计为4a，引导边和定位边的宽度都设计为a；设合作目标的引导边的长度2a与定位边的宽度a的和为D；

D＝3.5S×θ/λ得到；其中，λ为经验值，取值范围为0.6～0.9；θ为红外相机的空间分辨率；S表示探测距离，单位为Km；

在舰船跑道两侧设置三个合作目标A、B和C，三个合作目标的引导边都平行于跑道，A和B关于跑道对称分布，B和C的连线平行于跑道；合作目标A布置在降落跑道的左侧，合作目标B和C位于降落跑道的右侧；

合作目标布置在舰船上的步骤是：(1)在航母甲板上首先确定三个定位点；(2)以定位点为中心，垂直跑道方向画一条2m直线；(3)将三个合作目标的定位边与所画直线重合，沿线定位布置合作目标；

设A和B的定位点的间距为d₁，B和C的定位点的间距为d₂；当出现任意一个合作目标识别失败时，根据另外两个合作目标及d₁、d₂值正确确定着舰方向及位置。

2.根据权利要求1所述的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，步骤1所述的合作目标的尺寸为：引导边长为1m，定位边长为2米，定位边和引导边的宽度都为0.5m。

3.根据权利要求1所述的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，步骤1中所述的辐射波段及功率，具体为8～12um波段的红外辐射，辐射功率为2Kw。