用于无人机自主降落的视觉辅助装置及视觉辅助方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人飞行器技术领域，具体涉及一种用于无人机自主降落的视觉辅助 装置及视觉辅助方法。
【背景技术】
[0002] 无人机位置和姿态信息的获取及协同控制是无人机自主降落技术的核心，为了使 无人机在执行任务后能按照计划顺利降落，需要使无人机在远距离时即可感知到着陆区 域，调整俯仰姿态和航向偏移；在感知进近（飞行器下降时对准跑道的过程）后，实时获取 无人机位置和姿态信息，结合无人机飞行控制系统对准航向，按照规划的导航轨迹进行下 滑；在规划拉平点时，确保无人机各飞行参数满足降落条件，并关闭发动机按照拉平轨迹线 着陆；最后在滑跑刹车阶段确保无人机可以沿机场跑道线滑行，避免冲出跑道，并在指定区 域内完成制动。因此如何准确获取无人机的各种参数是该技术实现的关键。
[0003] 当前无人机自主降落过程中所采用的视觉辅助装置，通常是利用机载照相设备获 取识别跑道及地平线来感知无人机降落姿态，但仍存在一些不足。首先，环境感知缺乏多尺 度分析机制，无人机整个降落过程需要一系列连续操作，视场分辨率逐步提高，每个操作阶 段所需获取的关键参数又有所差异，当前的视觉辅助系统大多采用同一尺度特征，难以满 足上述过程的实际需求；其次，姿态及位置标定效果较差，对照相设备参数的标定未能良好 地与无人机平台进行耦合，照相设备参数的获取更多依靠离线标定过程或在飞行过程中通 过标定物孤立自标定获取，未能充分结合无人机自身平台器件的优势，影响了视觉辅助参 数提取的精度；最后，缺乏对无人机运动行为的深度预测，当前的视觉辅助装置更多侧重于 参数的采集，缺乏对采集参数的分析与深度挖掘，若对参数数据进行深度挖掘可将进一步 提高无人机视觉辅助降落的精度和效果。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有利用机载照相设备获取识别跑道及地平线来感知无人机降落姿态 的视觉辅助装置存在的缺乏多尺度分析机制而难以满足降落需求、姿态及位置标定效果较 差、缺乏对无人机运动行为的深度预测的问题，本发明提供一种用于无人机自主降落的视 觉辅助装置及视觉辅助方法。
[0005] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0006] 本发明的用于无人机自主降落的视觉辅助装置，包括：
[0007] 安装在无人机头部位置的两轴转台；
[0008] 与两轴转台相连的转台电机，用于驱动两轴转台运动；
[0009] 与转台电机相连的电源模块；
[0010]与电源模块相连的单目定焦相机、视觉辅助信息处理模块和信息存储模块，所述 单目定焦相机与视觉辅助信息处理模块相连，所述视觉辅助信息处理模块分别与信息存储 模块和无人机飞行控制系统相连，所述信息存储模块用于存储视觉辅助信息处理模块输出 的视频编码信息；
[0011] 所述转台电机、电源模块、单目定焦相机、视觉辅助信息处理模块和信息存储模块 均固定在两轴转台上；
[0012] 视觉辅助信息处理模块包括：着陆轨迹重规划模块、数据对比器、信息过滤器、基 于图像控制的计算机视觉处理器、基于位置控制的计算机视觉处理器、第一反馈修正器、第 二反馈修正器、信息融合参数提取器和RS485通讯接口；
[0013] 所述基于图像控制的计算机视觉处理器与第一反馈修正器相连，基于位置控制的 计算机视觉处理器与第二反馈修正器相连；无人机飞行控制系统与数据对比器、单目定焦 相机、信息过滤器、第二反馈修正器、信息融合参数提取器、着陆轨迹重规划模块、基于图像 控制的计算机视觉处理器相连；信息融合参数提取器分别与第一反馈修正器、无人机机载 传感器、数据对比器、单目定焦相机、信息过滤器、第二反馈修正器相连；着陆轨迹重规划模 块分别与无人机机载传感器、数据对比器、单目定焦相机、信息过滤器均相连；所述视觉辅 助信息处理模块与无人机飞行控制系统通过RS485通讯接口相连，实现两者之间的数据通 信。
[0014] 进一步的，所述电源模块为转台电机和单目定焦相机提供12V电源。
[0015] 进一步的，所述电源模块为视觉辅助信息处理模块和信息存储模块提供5V电源。
[0016] 进一步的，所述视觉辅助信息处理模块采用四核C〇rteXA9作为处理核心芯片，电 压5V。
[0017] 进一步的，所述信息存储模块采用三星MB-MP32D进行储存，电压5V。
[0018] 本发明还提供一种用于无人机自主降落的视觉辅助装置的视觉辅助方法，该方法 包括以下步骤：
[0019] (1)将信息数据库与历史评估后的数据输入至视觉辅助信息处理模块中，同时着 陆航迹重规划模块利用知识库以及从无人机机载传感器、数据对比器、单目定焦相机、信息 过滤器中获取的原始信息对无人机的着陆轨迹进行实时修正；
[0020] (2)将无人机机载传感器获取的惯导信息、GPS信息、星光信息传输给信息融合参 数提取器，同时将数据对比器获取的参考信息、单目定焦相机获取的视觉信息、信息过滤器 获取的参考信息传输给信息融合参数提取器；
[0021] (3)基于图像控制的计算机视觉处理器获取无人机的图像信息并将其转换为基于 图像的视觉控制信号，同时将该基于图像的视觉控制信号传输给第一反馈修正器，第一反 馈修正器再将该基于图像的视觉控制信号传输给信息融合参数提取器；
[0022] (4)基于位置控制的计算机视觉处理器获取无人机的位置信息并将其转换为基于 位置的视觉控制信号，同时将该基于位置的视觉控制信号传输给第二反馈修正器，第二反 馈修正器再将该基于位置的视觉控制信号传输给信息融合参数提取器；
[0023] (5)信息融合参数提取器通过对接收到的惯导信息、GPS信息、星光信息、参考信 息、视觉信息、参考信息进行信息整合，对整合出的融合参数进行分析、学习与判别，解析出 无人机飞行控制系统用于飞行管理控制的参数，并通过RS485通讯接口与无人机自主降落 飞行控制模块进行通讯，辅助无人机飞行控制系统针对不同的降落阶段划分完成相应的控 制工作；
[0024] (6)最后无人机飞行控制系统利用视觉辅助装置提供的信息，结合非线性控制与 无人机姿态更新，控制无人机中的舵机完成无人机自主降落的所有工作。
[0025] 进一步的步骤（1)中，原始信息指的是：无人机机载传感器获取的惯导信息、GPS 信息、星光信息，以及数据对比器获取的参考信息、单目定焦相机获取的视觉信息、信息过 滤器获取的参考信息。
[0026] 进一步的，步骤（5)中，降落阶段划分为感知进近、下滑对准、拉平着陆和滑跑制 动。
[0027] 本发明的有益效果是：无人机的相对位置和姿态角是它稳定飞行和安全着陆必备 的导航参数，本发明的目的是在于提供一种无人机降落时利用视觉信息，通过分析处理进 行实时位置、姿态信息获取采集，实现降落运动轨迹跟踪与预测，辅助飞行控制系统完成自 主降落中的感知进近、对准下滑及滑跑刹车等任务，同时具备结构简单、处理速度快及精度 尚等优点。
[0028] 本发明针对无人机自主降落过程中视觉辅助装置需要解决的问题，构建了相应的 装置结构，并设计了整体方案，无人机在自主降落过程中，通过摄像头和信息处理系统采集 无人机降落位置及姿态参数并进行标定，预