基于地面合作标志的无人机助降视觉引导方法及机载系统

摘要

本发明公开了一种基于地面合作标志的无人机助降视觉引导方法及机载系统，属于飞行导航控制领域。利用至少4个圆形发光体排列为具有方向性的地面合作标志，预定着陆位置设定在其中顶点灯前方。无人机在预定高度悬停，检测机载摄像头每帧图像中每个高亮区域并判断其是否为一个圆形发光体，然后根据圆形发光体的数量及各圆形发光体之间的排列关系，与目标库中预存的地面合作标志特征进行对比和识别，获得顶点灯位置及预定着陆位置，控制无人机朝向该预定着陆位置下降飞行并同时进行目标预测和跟踪。本发明地面合作标志布置约束少灵活性大且支持多种标志以引导不同着陆位置，有效提高无人机助降引导效率和可靠性且不受GPS限制。

主权项

一种基于地面合作标志的无人机助降视觉引导方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：布设地面合作标志所述地面合作标志包括至少4个实心圆形发光体并分别编号，每个圆形发光体的直径至少为300mm，各圆形发光体形心之间的距离至少为圆形发光体半径的3倍；这些圆形发光体固定于地面深色背景上，并使这些圆形发光体所组成的形状从空中看具有方向性，即当这些圆形发光体所组成的形状进行平行于地面的整体旋转时，各圆形发光体不发生编号混淆；令这些圆形发光体中位于外围的一个圆形发光体作为顶点灯；预定着陆位置设定在顶点灯前方，且预定着陆位置到顶点灯的距离大于其到其他各圆形发光体的距离，且预定着陆位置与顶点灯边缘之间的距离大于无人机机身最大长度；每个预定着陆位置对应一个特定的地面合作标志，该地面合作标志包括特定数量和排列关系的圆形发光体；建立目标库，在目标库中预先存储各地面合作标志所包含的圆形发光体数量、各圆形发光体的半径和编号、各圆形发光体之间的排列关系，此外还包括顶点灯编号、预定着陆位置与顶点灯之间的位置关系；机载摄像头设置在无人机上，机载摄像头的光轴保持下视；步骤2：无人机在预定高度悬停，启动助降引导，将置信度初始化为0，目标跟踪标志初始化为0，潜在发光体目标个数即待识别的发光体数量初始化为0；持续检测判断地面是否有潜在的地面合作标志，方法如下：对机载摄像头所拍摄的每帧图像，检测其中高亮的像素，并将相邻的高亮像素合并为高亮区域；将这些高亮区域作为潜在的发光体目标，即认为可能是地面合作标志中的一个发光体；步骤3：目标静态识别：对步骤2机载摄像头所拍摄的图像，提取该帧图像中每个潜在发光体目标的静态特征，包括各潜在发光体目标的周长、半径、面积、形心位置，并判断其是否为一个圆形发光体：若判定此发光体为一个圆形发光体，则更新潜在发光体目标个数；若判定不是一个圆形发光体，否则认为该潜在发光体目标为干 扰；直到对该帧图像中的每个潜在发光体目标都完成判定；步骤4：获得预定着陆位置：步骤4.1：对步骤3获得的各圆形发光体的静态特征与步骤1所建立的目标库中预存的地面合作标志特征进行对比，以判定是否为同一目标；所述目标静态特征指圆形发光体的数量及各圆形发光体之间的排列关系：判断方法为：(1)根据步骤3获得当前图像中的潜在发光体目标个数，与目标库中预存的各地面合作标志所包含的圆形发光体数量进行对比，选择与步骤3获得的潜在发光体目标个数相等的地面合作标志作为待匹配目标；若没有数量相等的预存地面合作标志，则返回步骤2重新检测地面合作标志；(2)将待匹配目标和步骤3获得的各发光体的静态特征进行对比，判断是否为同一目标；步骤4.2：若是同一目标，则根据目标库中预存的信息获得顶点灯编号和位置，即获得顶点灯的形心横纵坐标，并获得各圆形发光体的编号，且将目标跟踪标志设置为1，置信度设置为T；根据当前帧获得的顶点灯的形心位置坐标及目标库中预存的该地面合作标志所对应的预定着陆位置与顶点灯的位置关系，获得预定着陆位置坐标；若不是同一目标，则返回步骤2重新检测地面合作标志；步骤5：判断目标跟踪标志是否等于1；若目标跟踪标志等于1，根据无人机当前机身状态参数和步骤4获得的预定着陆位置，计算该预定着陆位置与摄像机光轴的俯仰偏差、方位偏差，并发送给无人机的飞行状态控制器，以控制无人机朝向该预定着陆位置下降飞行，并且机载摄像头实时从空中采集该地面合作标志的图像；无人机当前机身状态参数包括偏航、俯仰、滚转参数；若目标跟踪标志不等于1，则返回步骤2重新检测地面合作标志；步骤6：在无人机下降过程中进行目标预测和跟踪：无人机下降过程中对机载摄像头拍摄的每帧图像按照下述方法计算一次所有观测值及其相应的预测值，并进行相关性判定：步骤6.1：流水缓存机载摄像头拍摄的连续N帧图像，N最低要求3帧， 每帧图像的观测值为地面合作标志所包括的全部M个圆形发光体的每个圆形发光体的面积、平均灰度以及形心位置横纵坐标，采用二元线性回归方法根据这N帧的观测值对下一帧即第(N+1)帧图像中的每个圆形发光体的面积、平均灰度以及形心位置坐标进行预测，即获得第(N+1)帧中地面合作标志的第i个圆形发光体的面积、平均灰度、X方向形心位置、Y方向形心位置；步骤6.2：相关性判断：从第(N+1)帧开始，对当前帧的每个圆形发光体的面积、平均灰度、X方向形心位置、Y方向形心位置的观测值与步骤6.1给出的该帧相应预测值进行相关性判断，当该帧的各观测值与相应预测值误差均小于预定门限K时，则认为该帧满足相关性条件；否则认为不满足相关条件；步骤6.3：当该帧不满足相关性条件时，将当前置信度减1；并且将该帧的所有4M个观测值，包括每个圆形发光体的面积、平均灰度、X方向形心位置、Y方向形心位置，均用该帧相应的预测值代替，用于步骤6.4获得顶点灯位置，以及再次迭代获得下一帧的预测值，所述的预测值是根据前N帧观测值进行步骤6.1二元线性回归预测获得的；当该帧满足相关性条件时，将当前置信度更新为设定值T；使用该帧的所有4M个观测值，用于步骤6.4获得顶点灯位置，以及再次迭代获得下一帧的预测值；步骤6.4：当置信度大于0时，将当前目标跟踪标志设置为1；则根据当前帧观测值中的顶点灯的形心位置坐标及目标库中预存的该地面合作标志中顶点灯与预定着陆位置之间的关系，计算预定着陆位置；然后根据无人机当前机身状态参数和预定着陆位置，计算该预定着陆位置与摄像机光轴的俯仰、方位偏差；由飞行状态控制器控制无人机跟踪预定着陆位置进行下降飞行，直至无人机降落至预定着陆位置；无人机当前机身状态参数包括偏航、俯仰、滚转参数；当置信度小于等于0时，则认为丢失目标即当前飞行中无法正确跟踪地面合作标志，此时将目标跟踪标志设置为0，飞行状态控制器控制无人机停止下降，并返回步骤2重新检测地面合作标志。