CN108974373A - 基于双目视觉飞行器自主着陆装置 - Google Patents

基于双目视觉飞行器自主着陆装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞行器自主着陆方法，采用基于双目视觉飞行器自主着陆装置，两个图像采集装置同步实时采集多个信标灯在各自视场中的图片，得出信标灯在两个光学视场中的实时位置，以激光高度计测出的高度信息作为飞行器的高度，确定出飞行器相对于着陆场坐标系的位置、姿态和飞行速度，并传输给飞控系统，由飞控系统调整飞行器的姿态和位置，使其按照既定的下滑航线飞行；当飞行器飞行高度在可降落范围内时，切断图像采集装置，使用激光高度计测出的飞行器的高度信息，传输至飞控系统，当其高度和姿态满足着陆要求时，飞控系统控制飞行器着陆。使用该自主着陆装置对预着陆场的条件没有限制，降低了对技术人员的依赖。

Description

基于双目视觉飞行器自主着陆装置
技术领域
本发明属于飞行器控制技术领域，具体涉及基于双目视觉飞行器自主着陆装置。
背景技术
飞行器通常采用伞降和遥控滑跑着陆方式回收。伞降会对飞行器造成较大损伤，严重影响后续使用。滑跑着陆需要专业人员完成，无论是技术人员培养还是实际使用都是一个漫长的过程，过高的技术门槛严重制约了飞行器的应用范围和行业发展。国内外飞行器的自主着陆控制基本上是依靠机场导引雷达，机载差分GPS设备、应答机等共同作用实现。地面设施昂贵，灵活性差。而对于航母这样的运动平台，无论载人机还是飞行器的着陆，基本靠菲涅尔光学助降系统在人工的操作或干预下实现着陆。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于双目视觉飞行器自主着陆装置，采用该着陆装置对预着陆场的条件是静止或者运动没有限制，且降低了对技术人员的依赖程度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种飞行器自主着陆方法，采用基于双目视觉飞行器自主着陆装置，该自主着陆装置包括多个信标灯、两个图像采集装置和激光高度计，两个图像采集装置通过控制器相连接；多个信标灯用于布设于着陆场的跑道两侧；两个图像采集装置和激光高度计均用于放置在飞行器上；
两个图像采集装置同步实时采集多个信标灯在各自视场中的图片，得出信标灯在两个光学视场中的实时位置，以激光高度计测出的高度信息作为飞行器的高度，确定出飞行器相对于着陆场坐标系的位置、姿态和飞行速度，并传输给飞控系统，由飞控系统调整飞行器的姿态和位置，使其按照既定的下滑航线飞行；
当飞行器飞行高度在可降落范围内时，切断图像采集装置，使用激光高度计测出的飞行器的高度信息，传输至飞控系统，当其高度和姿态满足着陆要求时，飞控系统控制飞行器着陆；如果不满足着陆要求，则飞控系统控制飞行器复飞。
进一步地，得到飞行器在着陆场坐标系中的位置和姿态的过程如下：设定信标灯的个数为4个，在着陆场坐标系中的位置分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)和(X4,Y4,Z4)，得出飞行器与各个信标灯之间的距离，构建方程组，并解算，计算出飞行器在着陆场坐标系中的位置(X,Y,Z)：
(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2＝d1 2
(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2＝d2 2
(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2＝d3 2 (1)；
(X-X4)2+(Y-Y4)2+(Z-Z4)2＝d4 2
其中：d1、d2、d3和d4为飞行器到对应的信标灯的距离。
进一步地，构建飞行器姿态解算方程，求解飞行器的俯仰角、航向角和滚动角：
S＝GA (2)；
通过最小二乘法解得：
A＝(GTG)-1(GTS) (6)；
根据单位时间内飞行器位置的变化，得到飞行器的速度V和速度矢量
其中：S代表信标灯在摄像机焦平面坐标系位置矩阵；
G代表信标灯在着陆场坐标系位置矩阵；
A代表摄像机焦平面坐标系和着陆场坐标系的姿态变换矩阵；
T代表对应矩阵的转置；
Xs1、Ys1、Zs1代表第一个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs2、Ys2、Zs2代表第二个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs3、Ys3、Zs3代表第三个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs4、Ys4、Zs4代表第四个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
T21代表姿态转移矩阵A中第二行第一列的元素；
T31代表姿态转移矩阵A中第三行第一列的元素；
T11代表姿态转移矩阵A中第一行第一列的元素；
Ψ代表飞行器在着陆场坐标系中的俯仰角；
Φ代表飞行器在着陆场坐标系中的航向角；
γ代表飞行器在着陆场坐标系中的滚动角。
本发明还公开了一种基于双目视觉飞行器自主着陆装置，包括多个信标灯、两个图像采集装置和激光高度计，所述信标灯用于放置于预着陆场的跑道两侧，且它们不同时在同一直线上；所述图像采集装置和激光高度计均用于放置在飞行器上，且两个所述图像采集装置通过控制器相连接。
进一步地，该图像采集装置为红外测量系统或者可见光测量系统，当为可见光测量系统时，选用窄波段的可见光光源。
进一步地，每一个信标灯均包括球冠形灯罩，所述灯罩的内壁面上镀有一层金属反射层，灯罩内的壁面形成了反射面，当选用红外测量系统时，灯罩内设置热源，所述热源位于反射面的焦点上；当选用可见光测量系统时，灯罩内设置可见光源，所述可见光源位于反射面的焦点上；所述灯罩的开口端朝向安装由图像采集装置的飞行器，热源或者可见光源发出的光照射于反射面上，反射面将入射的光反射，以用于图像采集装置采集图片。
进一步地，该灯罩安装于立柱上，所述灯罩的外壁与立柱通过转轴连接。
进一步地，该热源采用相连接的加热电阻加热。
进一步地，该热源均通过支撑架安装，所述支撑架与灯罩的内壁面相连接。
进一步地，当选用红外测量系统时，图像采集装置选用红外相机。
本发明基于双目视觉飞行器自主着陆装置具有如下优点：1.实时测出无人机相对于着陆场坐标系的位置和姿态，既适用于静坐标系，也适合于航母这类动坐标系，对着陆场没有限制。2.降低了对专业技术人员的依赖，现场不需要有专业技术人员。3.不需要采用以往采用的昂贵的机场导引雷达，机载差分GPS设备、应答机等设备，降低了成本。4.可以随时布设和更换，提高了使用的灵活性。
附图说明
图1是本发明基于双目视觉飞行器自主着陆装置现场使用的结构示意图；
图2是本发明中信标灯的结构示意图；
其中：1.信标灯；1-1.灯罩；1-2.加热电阻；1-3.立柱；1-4.支撑架；1-5.金属反射层；2.图像采集装置；3.激光高度计。
具体实施方式
本发明一种飞行器自主着陆方法，采用基于双目视觉飞行器自主着陆装置，该自主着陆装置包括多个信标灯1、两个图像采集装置2和激光高度计3，两个图像采集装置2通过控制器相连接；多个信标灯1用于布设于着陆场的跑道两侧；两个图像采集装置2和激光高度计3均用于放置在飞行器上；
如图1所示，当飞行器与坐标原点的距离在50～300米时，两个图像采集装置2同步实时采集多个信标灯1在各自视场中的图片，得出信标灯1在两个光学视场中的实时位置，以激光高度计3测出的高度信息作为飞行器的高度，确定出飞行器相对于着陆场坐标系的位置、姿态和飞行速度，并传输给飞控系统，由飞控系统调整飞行器的姿态和位置，使其按照既定的下滑航线飞行；
当飞行器飞行高度在可降落范围内时，一般为3-5米，切断图像采集装置，使用激光高度计3测出的飞行器的高度信息，传输至飞控系统，当其高度和姿态满足着陆要求时，飞控系统控制飞行器着陆；如果不满足着陆要求，则飞控系统控制飞行器复飞。运动参数的解算基于着陆场坐标系，能够有效估计坐标系的运动规律，所以，可实现动坐标系的计算，可实现在航母上降落。
根据仿真结果得到，飞行器进入进近航线后，按照一个固定的下滑角实现自主着陆的过程中，飞行器的俯仰姿态能够保持稳定状态。当激光高度计3测距达到接地的要求后，飞行器将抬头最终实现后起落架接地并完成着陆控制。
得到飞行器在着陆场坐标系中的位置和姿态的过程如下：设定信标灯1的个数为4个，在着陆场坐标系中的位置分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)和(X4,Y4,Z4)，得出飞行器与各个信标灯之间的距离，构建方程组，并解算，计算出飞行器在着陆场坐标系中的位置(X,Y,Z)：
(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2＝d1 2
(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2＝d2 2
(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2＝d3 2 (1)；
(X-X4)2+(Y-Y4)2+(Z-Z4)2＝d4 2
其中：d1、d2、d3和d4为飞行器到对应的信标灯(1)的距离。
构建飞行器姿态解算方程，求解飞行器的俯仰角、航向角和滚动角：
S＝GA (2)；
通过最小二乘法解得：
A＝(GTG)-1(GTS) (6)；
根据单位时间内飞行器位置的变化，得到飞行器的速度V和速度矢量
其中：S代表信标灯在摄像机焦平面坐标系位置矩阵；
G代表信标灯在着陆场坐标系位置矩阵；
A代表摄像机焦平面坐标系和着陆场坐标系的姿态变换矩阵；
T代表对应矩阵的转置；
Xs1、Ys1、Zs1代表第一个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs2、Ys2、Zs2代表第二个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs3、Ys3、Zs3代表第三个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs4、Ys4、Zs4代表第四个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
T21代表姿态转移矩阵A中第二行第一列的元素；
T31代表姿态转移矩阵A中第三行第一列的元素；
T11代表姿态转移矩阵A中第一行第一列的元素；
Ψ代表飞行器在着陆场坐标系中的俯仰角；
Φ代表飞行器在着陆场坐标系中的航向角；
γ代表飞行器在着陆场坐标系中的滚动角。
飞行器的机体坐标系和着陆场坐标系之间，通过三次旋转来完成转换，即将图像采集装置焦点与第一个信标灯连线，该连线在着陆场坐标系中空间指向分别绕X、Y、Z轴进行转动变化，得到姿态解算方程。
本发明还公开了上述自主着陆方法中使用的基于双目视觉飞行器自主着陆装置，如图2所示，包括多个信标灯1、两个图像采集装置2和激光高度计3，信标灯1用于放置于预着陆场的跑道两侧，且它们不同时在同一直线上；图像采集装置2和激光高度计3均用于放置在飞行器上，且两个图像采集装置2通过控制器相连接。
使用的图像采集装置为红外测量系统或者可见光测量系统，当为可见光测量系统时，选用窄波段的可见光光源，即采用单一色的光源。每一个信标灯1均包括球冠形灯罩1-1，灯罩1-1的内壁面上镀有一层金属反射层1-5，灯罩1-1内的壁面形成了反射面，当选用红外测量系统时，灯罩1-1内设置热源，热源位于反射面的焦点上；当选用可见光测量系统时，灯罩1-1内设置可见光源，可见光源位于反射面的焦点上；灯罩1-1的开口端朝向安装由图像采集装置2的飞行器，热源或者可见光源发出的光照射于反射面上，反射面将入射的光反射，以用于图像采集装置2采集图片。
上述灯罩1-1安装于立柱1-3上，灯罩1-1的外壁与立柱1-3通过转轴连接。可随飞行器的方位调整。热源采用相连接的加热电阻1-2加热。热源和可见光源均时通过支撑架1-4安装，支撑架1-4与灯罩1-1的内壁面相连接。当选用红外测量系统时，图像采集装置2选用红外相机。

Claims (9)

1.一种飞行器自主着陆方法，其特征在于，采用基于双目视觉飞行器自主着陆装置，该自主着陆装置包括多个信标灯(1)、两个图像采集装置(2)和激光高度计(3)，两个所述图像采集装置(2)通过控制器相连接；多个信标灯(1)用于布设于着陆场的跑道两侧；两个所述图像采集装置(2)和激光高度计(3)均用于放置在飞行器上；
两个所述图像采集装置(2)同步实时采集多个信标灯(1)在各自视场中的图片，得出信标灯(1)在两个光学视场中的实时位置，以激光高度计(3)测出的高度信息作为飞行器的高度，确定出飞行器相对于着陆场坐标系的位置、姿态和飞行速度，并传输给飞控系统，由飞控系统调整飞行器的姿态和位置，使其按照既定的下滑航线飞行；
当飞行器飞行高度在可降落范围内时，切断图像采集装置，使用激光高度计(3)测出的飞行器的高度信息，传输至飞控系统，当其高度和姿态满足着陆要求时，飞控系统控制飞行器着陆；如果不满足着陆要求，则飞控系统控制飞行器复飞。
2.根据权利要求1所述的一种飞行器自主着陆方法，其特征在于，得到飞行器在着陆场坐标系中的位置和姿态的过程如下：设定信标灯(1)的个数为4个，在着陆场坐标系中的位置分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)和(X4,Y4,Z4)，得出飞行器与各个信标灯之间的距离，构建方程组，并解算，计算出飞行器在着陆场坐标系中的位置(X,Y,Z)：
(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2＝d1 2
(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2＝d2 2
(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2＝d3 2 (1)；
(X-X4)2+(Y-Y4)2+(Z-Z4)2＝d4 2
其中：d1、d2、d3和d4为飞行器到对应的信标灯(1)的距离。
3.根据权利要求2所述的一种飞行器自主着陆方法，其特征在于，构建飞行器姿态解算方程，将图像采集装置焦点与第一个信标灯连线，该连线在着陆场坐标系中空间指向分别绕X、Y、Z轴进行三次转动变化，得到姿态解算方程，求解飞行器的俯仰角、航向角和滚动角：
S＝GA(2)；
通过最小二乘法解得：
A＝(GTG)-1(GTS) (6)；
根据单位时间内飞行器位置的变化，得到飞行器的速度V和速度矢量
其中：S代表信标灯在摄像机焦平面坐标系位置矩阵；
G代表信标灯在着陆场坐标系位置矩阵；
A代表摄像机焦平面坐标系和着陆场坐标系的姿态变换矩阵；
T代表对应矩阵的转置；
Xs1、Ys1、Zs1代表第一个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs2、Ys2、Zs2代表第二个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs3、Ys3、Zs3代表第三个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
Xs4、Ys4、Zs4代表第四个信标灯在摄像机焦平面坐标系中的位置；
T21代表姿态转移矩阵A中第二行第一列的元素；
T31代表姿态转移矩阵A中第三行第一列的元素；
T11代表姿态转移矩阵A中第一行第一列的元素；
Ψ代表飞行器在着陆场坐标系中的俯仰角；
Φ代表飞行器在着陆场坐标系中的航向角；
γ代表飞行器在着陆场坐标系中的滚动角。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种飞行器自主着陆方法，其特征在于，多个信标灯(1)不在同一直线上。
5.基于双目视觉飞行器自主着陆装置，其特征在于，包括多个信标灯(1)、两个图像采集装置(2)和激光高度计(3)，所述信标灯(1)用于放置于预着陆场的跑道两侧，且它们不同时在同一直线上；所述图像采集装置(2)和激光高度计(3)均用于放置在飞行器上，且两个所述图像采集装置(2)通过控制器相连接。
6.根据权利要求6所述的基于双目视觉飞行器自主着陆装置，其特征在于，所述图像采集装置为红外测量系统或者可见光测量系统，当为可见光测量系统时，选用窄波段的可见光光源。
7.根据权利要求6或7所述的基于双目视觉飞行器自主着陆装置，其特征在于，每一个所述信标灯(1)均包括球冠形灯罩(1-1)，所述灯罩(1-1)的内壁面上镀有一层金属反射层(1-5)，灯罩(1-1)内的壁面形成了反射面，当选用红外测量系统时，灯罩(1-1)内设置热源，所述热源位于反射面的焦点上；
当选用可见光测量系统时，灯罩(1-1)内设置可见光源，所述可见光源位于反射面的焦点上；
所述灯罩(1-1)的开口端朝向安装由图像采集装置(2)的飞行器，热源或者可见光源发出的光照射于反射面上，反射面将入射的光反射，以用于图像采集装置(2)采集图片。
8.根据权利要求8所述的基于双目视觉飞行器自主着陆装置，其特征在于，所述灯罩(1-1)安装于立柱(1-3)上，所述灯罩(1-1)的外壁与立柱(1-3)通过转轴连接。
9.根据权利要求6所述的基于双目视觉飞行器自主着陆装置，其特征在于，所述热源采用相连接的加热电阻(1-2)加热。
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