CN108710383A - 一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，属于飞行器控制技术领域。本发明为了实现四旋翼飞行器在运动目标上的自主降落。主要步骤包括：1)建立自主降落问题的公式化描述：定义描述降落过程的坐标系与变量并建立相对运动方程；分析四旋翼飞行器降落路径约束；2)设计四旋翼飞行器的路径规划算法：规划降落过程中四旋翼飞行器期望航点的位置；优化期望航点的位置以实现期望降落路径的平滑；3)设计四旋翼飞行器的降落控制算法：确定四旋翼飞行器切换降落控制律的时刻；设计四旋翼飞行器的分段降落控制律。本发明具有较强的自适应性，并且一体化跟踪降落过程，同时有效解决了传感器测速干扰问题。

Description

一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器自主降落控制方法。特别是涉及一种四旋翼飞行器自主航点规划与跟踪方法。

背景技术

多旋翼飞行器是一种能垂直起降，具有体积小，结构简单，质量轻，飞行高度低，机动性强，安全性好，易于维护等特点，可自由悬停的飞行器。四旋翼飞行器是多旋翼飞行器的一种，与常规飞行器相比，在垂直/短距起降，负载能力和飞行控制原理上都有很强的优越性。加之近年来，微电子，微机械技术和计算机技术的飞速发展，使得小型四旋翼无人机的体积，重量，灵活性和机动性等多个方面有了很大改观。四旋翼无人机由于其新颖的结构，独特的位姿控制方式和良好的飞行特性，使其无论是在军事领域还是民用领域，都有非常广泛的应用价值，尤其是在地势险要或者人员无法到达的地区，能够准确地把侦查到的信息传送回来。而四轴飞行器能以灵活性、多功能性以及高效的处理能力来胜任复杂环境中的信息获取的角色。

由于续航时间较短，应用环境复杂，任务种类多样的限制，四旋翼飞行器在运动平台上自主起降的功能是其实际应用的重要基础。例如，在火灾现场，四旋翼飞行器可以代替消防员进入火场，进行搜救或者检测有害气体等工作，此时消防车可以作为中继平台，为四旋翼提供相对安全的降落场地及充足的能源补给，搜救人员也可以在车辆上对飞行器回传的数据及返回的飞行器本体进行实时的监控和分析，以及时制定有效的方案，这在很大程度上提高了搜救的效率和效果；在农业上，利用四旋翼飞行器对农作物进行监测及喷洒药物时，场地范围往往很大，且飞行器携带的药量较少，飞行时间较短，此时，移动的车辆平台可将飞行器运载至制定区域，并为飞行器提供电池和药物的补给，以及有效率的对四旋翼进行回收，在提高效率的同时降低了成本；在航拍中，飞行器在移动平台上的降落可以被近似替换为稳定跟随移动目标，利用程序实现飞行器对目标的稳定跟随，可以获得高质量，无抖动的清晰拍摄画面，由于专业飞手的训练需要耗费较高成本及较长时间，并且手动操控遥控器也很难精确控制飞行器的运动，因此利用算法来控制飞行器是一种成本低，可重复利用，效果优良的解决方案。综上，在四旋翼的实际应用中，运动平台上自主降落的能力可提高飞行器对复杂环境的适应性，也有利于新应用领域的开辟。

在四旋翼飞行器的跟踪控制算法方面，一些已有成果如下：美国科罗拉多大学的Eric W.Frew和Dale A.Lawrence提出了一种Lyapunov向量场的方法，指引飞行器沿目标点附近的环形轨迹飞行；哈尔滨工业大学的姜运宇在追踪法的基础上，融合其它的非线性制导方法，在确保跟踪轨迹满足Lyapunov稳定的前提下，实现了四旋翼对机动目标的恒定距离跟踪。在四旋翼飞行器的降落控制算法方面，一些已有成果如下：华南理工大学的李永健设计了一种“飞行器—地面站”系统，利用无线数据透传与无线视频传输，将机载相机拍摄的视频传送到服务器上，并利用服务器的运算能力实时计算飞行器与标识点的相对位置，控制四旋翼方向，实现了四旋翼在静止目标上的定点降落；沈阳理工大学的陈盛福采用了基于运动补偿的动目标检测方法，可实现四旋翼和目标同时运动时对目标轮廓的提取，以提供运动目标点的位置信息，他同时给出了一种基于波门跟踪法的运动目标跟踪方法，可实时预测并跟踪运动目标；大连理工大学的汤博麟将粒子群算法(PSO)融入到PID控制器的设计中，相比于经典的PID控制算法，改进后的算法让系统更快的收敛。尽管已有的研究成果中，四旋翼飞行器可以降落在静止目标上或跟踪运动目标，但是四旋翼飞行器在运动目标上的自主降落仍然是一个待解决的问题。同时，如何整合四旋翼飞行器对运动目标的跟踪过程与降落过程，以及如何处理运动目标对飞行器测速的干扰，也是自主降落方法设计中需要解决的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供一种四旋翼飞行器对运动目标的基于航点规划和跟踪的自主降落控制方法，以实现四旋翼飞行器在运动目标上的自主降落。

本发明所采用的技术方案是：一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立自主降落问题的公式化描述，包括：

步骤1.1：定义描述降落过程的坐标系与变量，并建立相对运动方程；

步骤1.2：分析四旋翼飞行器降落路径的约束；

步骤2：设计四旋翼飞行器的路径规划算法，包括：

步骤2.1：规划降落过程中四旋翼飞行器期望航点的位置；

步骤2.2：优化期望航点的位置以实现期望降落路径的平滑；

步骤3：设计四旋翼飞行器的降落控制算法，包括：

步骤3.1：确定四旋翼飞行器切换降落控制律的时刻；

步骤3.2：设计四旋翼飞行器的分段降落控制律。

步骤1所述的描述降落过程的坐标系是：

定义地理坐标系{W}用以描述降落过程。{W}为惯性坐标系，{W}的三个坐标轴x_W，y_W，z_W对应指向地理北方向，地理东方向与重力方向，{W}的原点为运动目标上期望的降落点。后文中带下角标x,y,z的分量均定义在地理坐标系{W}内，分别表示变量在地理坐标系{W}x_W轴，y_w轴，z_w轴上的分量。

步骤1所述的描述降落过程的变量是：

定义r＝[r_x r_y r_z]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的实际相对位置。

定义r₀＝[r_x0 r_y0 r_z0]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的实际相对位置的初始值。

定义r^*＝[r_x ^* r_y ^* r_z ^*]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的期望相对位置。r^*由四旋翼飞行器的路径规划算法给出。

定义v_T＝[v_Tx v_Ty v_Tz]^T表示运动目标的移动速度。

定义v＝[v_x v_y v_z]^T表示四旋翼飞行器的实际飞行速度。

定义v^*＝[v_x ^* v_y ^* v_z ^*]^T表示四旋翼飞行器的期望飞行速度。v^*由四旋翼飞行器的分段降落控制律给出。

定义v_m＝[v_mx v_my v_mz]^T表示四旋翼飞行器的飞行速度测量值。v_m由四旋翼飞行器搭载的光流测速模块给出。

当运动目标在光流测速模块视野内所占面积大于光流测速模块视野面积的二分之一时，v^*与v_m均以运动目标为参照；当运动目标在光流测速模块视野内所占面积小于等于光流测速模块视野面积的二分之一时，v^*与v_m均以地面为参照。

上述所有的变量均定义在地理坐标系{W}中。

步骤1所述的相对运动方程是：

其中s＝r表示系统状态向量，u＝v^*表示控制输入向量，w＝v_T表示扰动向量，t₀表示初始时刻，t_f表示降落完成时刻，t_s表示v^*与v_m开始以运动目标为参照的时刻。

相对运动方程的边界条件为：

步骤1所述的分析四旋翼飞行器降落路径的约束是：

定义h表示四旋翼飞行器搭载的相机镜头距期望降落点的直线距离，其表达式为：

定义相机镜头在运动目标平面内投影视野的长边和短边的长度分别为m和n，其表达式为：

其中β表示相机镜头的视场角，j/k表示相机的宽高比。

定义θ表示相机镜头距期望降落点的连线与水平面之间小于90°的夹角，其表达式为：

降落路径的约束不等式为：

其中，s_A表示运动目标上标识图形的边长，p_t表示标识图形的每条边在相机视野内最少占据的像素点个数，p_w/p_h表示相机的像素比。

进一步整理，得到降落路径的约束表达式为：

步骤2所述的规划降落过程中四旋翼飞行器期望航点的位置是：

定义R_t表示降落过程中水平面内降落路径的约束半径，其表达式为：

定义p_a表示像素阈值增量，用以提高自主降落的可靠性，降落路径的约束表达式修改为：

定义R_T表示水平面内降落路径的修正约束半径，其表达式为：

定义v_r＝[v_rx v_ry v_rz]^T表示四旋翼飞行器相对于运动目标的飞行速度，其表达式为：v_r＝v-v_T＝[v_x v_y v_z]^T-[v_Tx v_Ty v_Tz]^T

v_r的三维分量表达式为：

定义[r_x2 r_y2 r_z2]^T表示期望航点距期望降落点的相对距离，其表达式为：

其中，T_w是期望航点的生成周期。

步骤2所述的优化期望航点的位置以实现期望降落路径的平滑是：

限制四旋翼飞行器的速度以确保飞行安全，表达式为：

其中，j表示x,y和z，Δv_jmax是速度阈值，t₁,t₂与t₃之间各相隔T_w周期。

限制四旋翼飞行器的加速度以提升飞行平稳性，表达式为：

其中，j表示x,y和z，Δa_jmax是加速度阈值，t₁,t₂,t₃与t₄之间各相隔T_w周期。

期望航点的位置经过上述两个不等式的约束，期望相对位置[r_x ^* r_y ^* r_z ^*]^T的表达式为：

步骤3所述的确定四旋翼飞行器切换降落控制律的时刻是：

定义S表示光流模块的视野面积，其表达式为：

其中，α表示光流模块的视场角。

定义S₀表示运动目标在光流模块视野内所占的面积，其表达式为：

其中，a和b表示运动目标长边和短边的长度。

定义[v_arx v_ary]^T表示差分速度均值，[v_amx v_amy]^T表示测速均值，表达式为：

其中，n₁和n₂为滞后权值。

切换条件表达式为：

其中，S_t与[v_tx v_ty]^T表示切换条件中的面积阈值和速度阈值。

四旋翼飞行器切换控制律的时刻为首次满足切换条件的时刻。

步骤3所述的设计四旋翼飞行器的分段降落控制律是：

定义r_i＝[r_xi r_yi r_zi]^T为控制器的输入，表达式为：

切换前的控制律表达式为：

其中，K_P,K_I和K_D为比例项，积分项和微分项系数矩阵，均为对角阵。

切换后的控制律表达式为：

v^*＝Kr_i-v_m

其中，K为比例系数矩阵，为对角阵。

本发明所述的基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，给出基于运动目标的降落轨迹约束，并依据轨迹约束设计航点规划方法与跟踪控制方法，可控制四旋翼飞行器跟踪并降落在具有不同运动特性的目标上；给出的航点规划方法，整合四旋翼飞行器在水平方向上对目标的跟踪过程与在竖直方向上的降落过程，给出平滑的期望轨迹；给出的跟踪控制方法，融合目标位置数据与光流模块测速数据，并基于速度前馈方法与PID控制律，给出控制律切换时刻以及具体的分段控制律。

本发明具有较强的自适应性，并且一体化跟踪降落过程，同时有效解决了传感器测速干扰问题。

本发明具有如下特点：

1.自适应性强。可适用于目标静止、目标匀速运动、目标非匀速运动等多种情况，特别是适应目标速度未知的情况。本发明给出基于运动目标的降落轨迹约束，并依据轨迹约束设计航点规划方法与跟踪控制方法，可控制四旋翼飞行器跟踪并降落在具有不同运动特性的目标上。

2.跟踪降落过程一体化。已有方法中，将降落过程拆分为跟踪阶段和降落阶段，并分别对这两个独立的部分进行设计。本发明给出的航点规划方法，整合四旋翼飞行器在水平方向上对目标的跟踪过程与在竖直方向上的降落过程，给出平滑的期望轨迹，缩短跟踪降落过程中的飞行距离，减少跟踪降落过程中的能耗。

3.抗扰性强。四旋翼飞行器下方搭载的光流模块用于速度测量，但测量结果容易受到运动目标的干扰。本发明给出的跟踪控制方法，融合目标位置数据与光流模块测速数据，给出控制律切换时刻，并基于速度前馈方法与PID控制律设计分段控制律，可抵抗测速干扰，控制四旋翼飞行器平稳飞行，并降落在运动目标上。

附图说明

图1是系统框图；

图2是相机视野示意图；

图3是相机视野投影侧视图；

图4是忽略相对速度时四旋翼飞行器与运动目标的位置关系俯视图；

图5是考虑相对速度时四旋翼飞行器与运动目标的位置关系俯视图；

图6是光流模块视野投影示意图；

图7是光流模块视野投影俯视图；

图8是降落路径约束范围示意图；

图9是第一次数值仿真的路径示意图；

图10a是水平方向上运动目标与四旋翼飞行器的相对位置曲线图；

图10b是水平方向上运动目标与四旋翼飞行器的相对速度曲线图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法做出详细说明。

本发明的基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立自主降落问题的公式化描述，包括：

(1)定义描述降落过程的坐标系与变量，并建立相对运动方程：

定义地理坐标系{W}用以描述降落过程。{W}为惯性坐标系，{W}的三个坐标轴x_W，

y_W，z_W对应指向地理北方向，地理东方向与重力方向，{W}的原点为运动目标上期望的降落点。后文中带下角标x,y,z的分量均定义在地理坐标系{W}内，分别表示变量在地理坐标系{W}x_W轴，y_W轴，z_W轴上的分量。

定义r＝[r_x r_y r_z]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的实际相对位置。

定义r₀＝[r_x0 r_y0 r_z0]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的实际相对位置的初始值。

定义r^*＝[r_x ^* r_y ^* r_z ^*]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的期望相对位置。r^*由四旋翼飞行器的路径规划算法给出。

定义v_T＝[v_Tx v_Ty v_Tz]^T表示运动目标的移动速度。

定义v＝[v_x v_y v_z]^T表示四旋翼飞行器的实际飞行速度。

定义v^*＝[v_x ^* v_y ^* v_z ^*]^T表示四旋翼飞行器的期望飞行速度。v^*由四旋翼飞行器的分段降落控制律给出。

定义v_m＝[v_mx v_my v_mz]^T表示四旋翼飞行器的飞行速度测量值。v_m由四旋翼飞行器搭载的光流测速模块给出。

当运动目标在光流测速模块视野内所占面积大于光流测速模块视野面积的二分之一时，v^*与v_m均以运动目标为参照；当运动目标在光流测速模块视野内所占面积小于等于光流测速模块视野面积的二分之一时，v^*与v_m均以地面为参照。

上述所有的变量均定义在地理坐标系{W}中，系统框图如图1所示。

用以描述四旋翼飞行器与目标之间运动关系的相对运动方程是：

其中s＝r表示系统状态向量，u＝v^*表示控制输入向量，w＝v_T表示扰动向量，t₀表示初始时刻，t_f表示降落完成时刻，t_s表示v^*与v_m开始以运动目标为参照的时刻。

相对运动方程的边界条件为：

(2)分析四旋翼飞行器降落路径的约束：

定义h表示四旋翼飞行器搭载的相机镜头距期望降落点的直线距离，其表达式为：

如图2所示，定义相机镜头在运动目标平面内投影视野的长边和短边的长度分别为m和n，其表达式为：

其中β表示相机镜头的视场角，j/k表示相机的宽高比。

如图3所示，定义θ表示相机镜头距期望降落点的连线与水平面之间小于90°的夹角，其表达式为：

降落路径的约束不等式为：

其中，s_A表示运动目标上标识图形的边长，p_t表示标识图形的每条边在相机视野内最少占据的像素点个数，p_w/p_h表示相机的像素比。

进一步整理，得到降落路径的约束表达式为：

步骤2：设计四旋翼飞行器的路径规划算法，包括：

(1)规划降落过程中四旋翼飞行器期望航点的位置：

定义R_t表示降落过程中水平面内降落路径的约束半径，其表达式为：

定义p_a表示像素阈值增量，用以提高自主降落的可靠性，降落路径的约束表达式修改为：

定义R_T表示水平面内降落路径的修正约束半径，其表达式为：

忽略四旋翼飞行器与运动目标之间的相对速度时，期望航点位于图4中A₁点，其中A点表示四旋翼飞行器，B点表示期望降落点，C点降落路径约束圆确定，A₁点与B点的相对距离为R_T。

定义v_r＝[v_rx v_ry v_rz]^T表示四旋翼飞行器相对于运动目标的飞行速度，其表达式为：

v_r＝v-v_T＝[v_x v_y v_z]^T-[v_Tx v_Ty v_Tz]^T

v_r的三维分量表达式为：

考虑四旋翼飞行器与运动目标之间的相对速度时，期望航点位于图5中A₂点，图中A₁点，A点，B点与C点的定义与图4中相同。

定义[r_x2 r_y2 r_z2]^T表示期望航点距期望降落点的相对距离，其表达式为：

其中，T_w是期望航点的生成周期。

(2)优化期望航点的位置以实现期望降落路径的平滑：

限制四旋翼飞行器的速度以确保飞行安全，表达式为：

其中，j表示x,y和z，Δv_jmax是速度阈值，t₁,t₂与t₃之间各相隔T_w周期。

限制四旋翼飞行器的加速度以提升飞行平稳性，表达式为：

其中，j表示x,y和z，Δa_jmax是加速度阈值，t₁,t₂,t₃与t₄之间各相隔T_w周期。

期望航点的位置经过上述两个不等式的约束，期望相对位置[r_x ^* r_y ^* r_z ^*]^T的表达式为：

步骤3：设计四旋翼飞行器的降落控制算法，包括：

(1)确定四旋翼飞行器切换降落控制律的时刻：

光流模块的视野如图6所示，定义S表示光流模块的视野面积，其表达式为：

其中，α表示光流模块的视场角。

视野投影俯视图如图7所示，定义S₀表示运动目标在光流模块视野内所占的面积，其表达式为：

其中，a和b表示运动目标长边和短边的长度。

定义[v_arx v_ary]^T表示差分速度均值，[v_amx v_amy]^T表示测速均值，表达式为：

其中，n₁和n₂为滞后权值。

切换条件表达式为：

其中，S_t与[v_tx v_ty]^T表示切换条件中的面积阈值和速度阈值。

四旋翼飞行器切换控制律的时刻为首次满足切换条件的时刻。

(2)设计四旋翼飞行器的分段降落控制律：

定义r_i＝[r_xi r_yi r_zi]^T为控制器的输入，表达式为：

切换前的控制律表达式为：

其中，K_P,K_I和K_D为比例项，积分项和微分项系数矩阵，均为对角阵。

切换后的控制律表达式为：

v^*＝Kr_i-v_m

其中，K为比例系数矩阵，为对角阵。

为验证本发明的基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法的效果，本发明应用通过输入输出信号辨识得到的四旋翼飞行器速度控制模型，替代四旋翼飞行器动力学模型进行数值仿真。

水平方向上，四旋翼飞行器速度控制模型表达式为：

竖直方向上，四旋翼飞行器速度控制模型表达式为：

降落路径约束的参数为：

由上述参数可计算出R_C＝5.57m，降落路径约束范围示意图如图8所示。

三次数值仿真的初始条件为：

三次数值仿真的仿真结果为：

第一次数值仿真的路径示意图如图9所示。由图9可以看出，四旋翼飞行器的期望路径可以与目标的运动路径会合，四旋翼飞行器的降落路径可以与四旋翼飞行器的期望路径会合。

三次数值仿真中，水平方向上运动目标与四旋翼飞行器的相对位置曲线图如图10a所示，水平方向上运动目标与四旋翼飞行器的相对速度曲线图如图10b所示。由图10a和图10b可以看出，相对位置和相对速度可以在降落时间内平滑的收敛。

从仿真结果中可知，当运动目标具有不同的水平速度时，四旋翼飞行器可以沿一条平滑的降落路径自主地降落在运动目标上。仿真结果说明了本发明所设计的基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法的有效性。

Claims (9)

1.一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立自主降落问题的公式化描述，包括：

(1)定义描述降落过程的坐标系与变量，并建立相对运动方程；

(2)确定四旋翼飞行器降落路径的约束；

步骤2：设计四旋翼飞行器的路径规划算法，包括：

(1)规划降落过程中四旋翼飞行器期望航点的位置；

(2)优化期望航点的位置以实现期望降落路径的平滑；

步骤3：设计四旋翼飞行器的降落控制算法，包括：

(1)确定四旋翼飞行器切换降落控制律的时刻；

(2)设计四旋翼飞行器的分段降落控制律。

2.根据权利要求1所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤1所述的描述降落过程的坐标系是：

定义地理坐标系{W}用以描述降落过程；{W}为惯性坐标系，{W{的三个坐标轴x_W，y_W，z_W对应指向地理北方向、地理东方向与重力方向，{W}的原点为运动目标上期望的降落点；带下角标x,y,z的分量均定义在地理坐标系{W}内，分别表示变量在地理坐标系{W}x_W轴，y_W轴，z_w轴上的分量。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤1所述的描述降落过程的变量是：

定义r＝[r_x r_y r_z]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的实际相对位置；

定义r₀＝[r_x0 r_y0 r_z0]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的实际相对位置的初始值；

定义r^*＝[r_x ^* r_y ^* r_z ^*]^T表示期望降落点与四旋翼飞行器的期望相对位置，r^*由四旋翼飞行器的路径规划算法给出；

定义v_T＝[v_Tx v_Ty v_Tz]^T表示运动目标的移动速度；

定义v＝[v_x v_y v_z]^T表示四旋翼飞行器的实际飞行速度；

定义v^*＝[v_x ^* v_y ^* v_z ^*]^T表示四旋翼飞行器的期望飞行速度，v^*由四旋翼飞行器的分段降落控制律给出；

定义v_m＝[v_mx v_my v_mz]^T表示四旋翼飞行器的飞行速度测量值，v_m由四旋翼飞行器搭载的光流测速模块给出；

当运动目标在光流测速模块视野内所占面积大于光流测速模块视野面积的二分之一时，v^*与v_m均以运动目标为参照；当运动目标在光流测速模块视野内所占面积小于等于光流测速模块视野面积的二分之一时，v^*与v_m均以地面为参照；

上述所有的变量均定义在地理坐标系{W}中。

4.根据权利要求3所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤1所述的相对运动方程是：

其中s＝r表示系统状态向量，u＝v^*表示控制输入向量，w＝v_T表示扰动向量，t₀表示初始时刻，t_f表示降落完成时刻，t_s表示v^*与v_m开始以运动目标为参照的时刻；

相对运动方程的边界条件为：

5.根据权利要求1或4所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤1所述的分析四旋翼飞行器降落路径的约束是：

定义h表示四旋翼飞行器搭载的相机镜头距期望降落点的直线距离，其表达式为：

定义相机镜头在运动目标平面内投影视野的长边和短边的长度分别为m和n，其表达式为：

其中β表示相机镜头的视场角，j/k表示相机的宽高比；

定义θ表示相机镜头距期望降落点的连线与水平面之间小于90°的夹角，其表达式为：

降落路径的约束不等式为：

其中，s_A表示运动目标上标识图形的边长，p_t表示标识图形的每条边在相机视野内最少占据的像素点个数，p_w/p_h表示相机的像素比；

最后得到降落路径的约束表达式为：

6.根据权利要求5所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤2所述的规划降落过程中四旋翼飞行器期望航点的位置是：

定义R_t表示降落过程中水平面内降落路径的约束半径，其表达式为：

定义p_a表示像素阈值增量，用以提高自主降落的可靠性，降落路径的约束表达式修改为：

定义R_T表示水平面内降落路径的修正约束半径，其表达式为：

定义v_r＝[v_rx v_ry v_rz]^T表示四旋翼飞行器相对于运动目标的飞行速度，其表达式为：

v_r＝v-v_T＝[v_x v_y v_z]^T-[v_Tx v_Ty v_Tz]^T

v_r的三维分量表达式为：

定义[r_x2 r_y2 r_z2]^T表示期望航点距期望降落点的相对距离，其表达式为：

其中，T_w是期望航点的生成周期。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤2所述的优化期望航点的位置以实现期望降落路径的平滑是：

限制四旋翼飞行器的速度以确保飞行安全，表达式为：

其中，j表示x,y和z，Δv_jmax是速度阈值，t₁,t₂与t₃之间各相隔T_w周期。

限制四旋翼飞行器的加速度以提升飞行平稳性，表达式为：

其中，j表示x,y和z，Δa_jmax是加速度阈值，t₁,t₂,t₃与t₄之间各相隔T_w周期。

期望航点的位置经过上述两个不等式的约束，期望相对位置[r_x ^* r_y ^* r_z ^*]^T的表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤3所述的确定四旋翼飞行器切换降落控制律的时刻是：

定义S表示光流模块的视野面积，其表达式为：

其中，α表示光流模块的视场角；

定义S₀表示运动目标在光流模块视野内所占的面积，其表达式为：

其中，a和b表示运动目标长边和短边的长度；

定义[v_arx v_ary]^T表示差分速度均值，[v_amx v_amy]^T表示测速均值，表达式为：

其中，n₁和n₂为滞后权值。

切换条件表达式为：

其中，S_t与[v_tx v_ty]^T表示切换条件中的面积阈值和速度阈值；

四旋翼飞行器切换控制律的时刻为首次满足切换条件的时刻。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于航点规划与跟踪的四旋翼飞行器自主降落控制方法，其特征在于，步骤3所述的设计四旋翼飞行器的分段降落控制律是：

定义r_i＝[r_xi r_yi r_zi]^T为控制器的输入，表达式为：

切换前的控制律表达式为：

其中，K_P,K_I和K_D为比例项，积分项和微分项系数矩阵，均为对角阵。

切换后的控制律表达式为：

v^*＝Kr_i-v_m

其中，K为比例系数矩阵，为对角阵。