专利名称：基于自然地标和视觉导航的无人直升机自主着陆方法
技术领域：
本发明是用于直升机自主着陆的方法，能够方便、准确、安全地引导直升机自主着陆。
主要应用在航空航天、无人机和机器人等技术领域。
背景技术：
无人直升机的着陆是一个危险的过程，目前多为人工控制。由于无人直升机通常为垂直降落方式，如果在降落时无人直升机有水平速度，则极易发生滑移，甚至翻覆。因此要使无人直升机在飞行控制计算机的控制下，安全地完成自主着陆，首先必须保证在降落前水平速度为零。以往的解决途径主要是，通过GPS定位和基于地面信号布的视觉导航方法，使无人直升机消除水平位移。GPS信号容易受建筑物和树丛的遮挡。无人直升机在复杂环境中(楼群，树丛中， 甚至室内)降落时，可能会因GPS信号失效而无法完成自主着陆。此外，目前GPS的测量精度与接收机密切相关。普通GPS接收机精度仅为米级。而高精度GPS接收则价格昂贵。这些因素限制了基于GPS的自主着陆功能的实现。基于地面信号布的视觉导航通常需要地面实现铺设着陆指示信号布。无人直升机通过识别信号布的图像，修正自身的水平位移和航向，从而保持对该信号布的水平静止。然而在无人直升机着陆前铺设信号布，不仅耗费人力和具有一定危险性，而且降低无人直升机的机动能力。本发明利用无人直升机上通常配备的机载摄像机和飞行控制计算机，根据相对运动的原理，通过锁定地面上的自然地标，实现着陆过程中的定位功能，从而保证直升机的安全着陆。与采用GPS定位的方法相比，本发明的优点是精度高，工作可靠，并且不受周围环境的限制。与采用信号布指示的方法相比，本发明的优点是利用自身携带的磁航向传感器锁定航向，利用地面的自然地标锁定水平位移。因此，无需事先在地面铺设着陆指示信号布，从而降低地勤保障工作，并显著增强无人直升机的机动能力。由于本发明仅通过算法实现功能，而无需添加额外的硬件，因此不会增加无人直升机的起飞重量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于安全地实现无人直升机自主着陆的方法。本发明的特征在于，含有无人直升机、飞行控制计算机、磁航向传感器、高度计和机载摄像机，其中在无人直升机自主着陆的过程中，飞行控制计算机通过实时读取磁航向传感器的数据，控制并保持直升机的航向不变，同时机载摄像机持续地拍摄的地面图像，并将图像实时传送给飞行控制计算机；飞行控制计算机在图像中搜索特征明显的地面自然地标，并检测该自然地标在机载摄像机图像中的运动速度；由于地面上的自然地标与直升机是相对运动的关系，因此可以间接测量得到直升机相对地面的水平移动速度；飞行控制计算机根据无人直升机相对地面的水平移动速度，实时修正俯仰和滚转控制指令，使无人直升机始终保持在该自然地标的上空；由此， 直升机的水平飞行速度为零，同时在高度计的引导下，飞行控制计算机通过减小无人直升机的总距，使无人直升机缓慢下降高度，直至着陆；在整个着陆的过程中，飞行控制计算机通过锁定地面自然地标，而使无人直升机不出现水平移动；因此无人直升机在触地时不会发生滑动甚至翻覆，可以安全地完成自主着陆。本发明的优点在于指示精确，工作可靠，结构简单，适应范围宽；仅通过算法实现功能，不需要额外的硬件，从而不增加无人直升机的起飞重量。
图1是基于自然地标和视觉导航的无人直升机自主着陆方法的原理图。图中1.无人直升机，2.飞行控制计算机，3.磁航向传感器，4.高度计，5.机载摄像机，6.地面的自然地标。
具体实施例方式基于自然地标和视觉导航的无人直升机自主着陆方法主要由无人直升机(1)、飞行控制计算机(2)、磁航向传感器(3)、高度计(4)和机载摄像机(5)组成。在无人直升机(1)自主着陆的过程中，飞行控制计算机(2)通过实时读取磁航向传感器(3)的数据，控制并保持直升机的航向不变。同时，机载摄像机(5)持续地拍摄地面图像，并将图像实时传送给飞行控制计算机(1)。飞行控制计算机(1)在图像中搜索特征明显的地面自然地标，并检测该自然地标在图像中的运动速度。由于地面上的自然地标与直升机是相对运动的关系，因此可以间接测量得到直升机相对地面的水平移动速度。飞行控制计算机(2)根据无人直升机(1)相对地面的水平移动速度，实时修正俯仰和滚转控制指令，使无人直升机(1)始终保持在该自然地标的上空。由此，直升机的水平飞行速度为零。在高度计(4)的引导下，飞行控制计算机(2)通过减小 无人直升机(1)的总距，使
无人直升机缓慢下降高度，直至着陆。在整个着陆的过程中，飞行控制计算机(2)通过锁定地面自然地标(6)，使无人直升机不出现水平移动。因此无人直升机在触地时不会发生滑动甚至翻覆之情况，可以安全地实现自主着陆。
权利要求
1.基于自然地标和视觉导航的无人直升机自主着陆方法，其特征在于，含有无人直升机、飞行控制计算机、磁航向传感器、高度计和机载摄像机，其中在无人直升机自主着陆的过程中，飞行控制计算机通过实时读取磁航向传感器的数据，控制并保持直升机的航向不变，同时机载摄像机持续地拍摄的地面图像，并将图像实时传送给飞行控制计算机；飞行控制计算机在图像中搜索特征明显的地面自然地标，并检测该自然地标在机载摄像机图像中的运动速度；由于地面上的自然地标与直升机是相对运动的关系，因此可以间接测量得到直升机相对地面的水平移动速度；飞行控制计算机根据无人直升机相对地面的水平移动速度，实时修正俯仰和滚转控制指令，使无人直升机始终保持在该自然地标的上空；由此，直升机的水平飞行速度为零，同时在高度计的引导下，飞行控制计算机通过减小无人直升机的总距，使无人直升机缓慢下降高度，直至着陆；在整个着陆的过程中，飞行控制计算机通过锁定地面自然地标，而使无人直升机不出现水平移动；因此无人直升机在触地时不会发生滑动甚至翻覆，可以安全地完成自主着陆。
全文摘要
基于自然地标和视觉导航的无人直升机自主着陆方法属于无人机技术领域，其特征在于，含有无人直升机、飞行控制计算机、磁航向传感器、高度计和机载摄像机，其中在无人直升机自主着陆的过程中，飞行控制计算机通过实时读取磁航向传感器的数据，控制并锁定直升机的航向；通过修正俯仰和滚转控制指令，锁定地面自然地标在机载摄像机图像中的运动，从而消除无人直升机的水平位移；通过实时读取高度计的数据，控制直升机的下降速度，直至安全着陆。本发明同时利用计算机视觉导航功能、磁航向传感器和高度计，可以精确、安全、可靠地引导无人直升机完成自主着陆。
文档编号G05D1/12GK102156480SQ201010623599
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者朱纪洪, 王冠林 申请人:清华大学