[發明專利]一種基于三層品字形多色降落坪的旋翼無人機自主起降系統

有效

• 申請號: 201410089860.7
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103809598A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 雷旭升;陸培;鄒瑩;郭克信;張霄
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種視覺輔助導航的無人機自主起降系統，可用于小型無人飛行器自主導航與控制，特別適用于無人機降落地點固定、導航精度要求較高的軍事和民用領域。?

背景技術

SRUA具有尺寸小、成本低、機動靈活等優點，能夠實現垂直起飛降落、懸停、超低空飛行等功能，在軍用、民用及科研方面應用前景非常廣泛。?

SRUA起飛和飛行技術的研究已經很深入，且取得了較好的結果。但降落階段的高精度導航控制方法仍是目前研究的熱點，國內還處于起步階段。精確的高度信息是實現SRUA安全穩定自主起降的基礎，對系統的性能具有重要影響。由于SRUA機載慣性器件高度方向不穩定，受其尺寸、重量、成本等的限制，通常借助氣壓高度計、輸出定位高度的全球定位系統（GPS）、超聲測高模塊等體積小且功耗低的器件來獲得準確的高度信息。氣壓高度計基于大氣壓強隨高度變化的規律進行相應的高度解算，它結構簡單且自主能力強，然而無人機起降過程中，旋翼引起氣流變化，因此測量準確度難以保證。GPS信號雖然具有定位準確度高、誤差不會隨時間積累等優勢，但GPS信號更新頻率慢，且容易受?到外界干擾，尤其是在城市中多建筑物的工作環境，更容易出現遮擋現象，從而影響測量精度。而超聲只能在4.2米以內的高度范圍提供精確的測量信息。?

目前發展比較成熟的單目視覺系統，只需要一個攝像頭和一個視覺處理單元，通過檢測降落標志引導飛機抵達著陸點。現有的降落坪標志大多為形狀規則的多邊形組合、H型、L型、T型或圓形，其共同點是均設計成對比鮮明的黑白色，以便于在圖像的二值化處理中可以把地標特征提取出來。光線、環境及攝像頭質量等均會對黑白標志物在圖像中所對應的像素點的灰度值造成不同程度的變化，使得黑色部分灰度值降低，白色部分灰度值升高，二者差異縮小，因此，如何對降落坪圖像進行合適的閾值分割處理，以提取降落坪特征信息變得非常重要且算法實現較復雜。另外，受視覺標志尺寸的限制，如無人機距離降落坪太遠，會使得降落坪信息模糊而增大測量誤差，太近會導致部分降落坪圖案信息越出相機視野而造成信息丟失，因此視覺系統的導航范圍具有一定的限制。?

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有視覺導航技術的不足，借助于特殊設計的三層品字形多色降落坪，提供一種精度高、測量范圍廣、魯棒性強、經濟可靠、易于實現的單目視覺輔助測高的無人機自主起降系統。?

本發明的技術解決方案是：一種基于三層品字形多色降落坪?的旋翼無人機自主起降系統，包括小型旋翼無人機（1）、機載傳感器（2）、機上數據處理單元（3）、飛行控制系統（4）、機載攝像頭（5）、地面降落坪（6）、無線圖像傳輸模塊（7）、無線數據傳輸模塊（8）和地面監控站（9）；機載傳感器（2）、數據處理單元（3）、飛行控制系統（4）分別裝載在無人機（1）上，地面監控站（9）由視覺處理單元（10）和顯示終端（11）組成，其中：?

小型旋翼無人機（1）為機載傳感器（2）、數據處理單元（3）及飛行控制系統（4）的載體，它是本自主起降系統的研究主體；?

機載傳感器（2）主要由一些體積小、質量輕、滿足微小型無人機載重需求的傳感器組成，如慣性測量單元（IMU）、全球定位系統（GPS）接收機、磁羅盤、氣壓高度計、超聲等。IMU自主性強、短時間精度高，能連續的提供位置、速度及姿態信息，但是誤差隨時間積累；GPS信息具有全球、全天時、全天候的特點，但其更新頻率低，易受障礙物遮擋；磁羅盤可以提供高精度的航向角信息，但容易受外界磁場影響；氣壓高度計在無下洗氣流影響的情況下可以為無人機提供高度信息；超聲在近地面區域之內可以給出無人機高度信息的精確測量，但超過測量范圍后，超聲信息不可用；?

機上數據處理單元（3）的硬件核心是DSP處理器，首先對各傳感器的量測信息進行野值剔除，坐標統一等預處理，其次基于卡爾曼濾波等完成多個量測信息的融合，以給出高精度高可靠?性的導航信息；在高度信息方面，本系統根據各種高度傳感器的特性，設計了基于自適應加權平均的高度信息融合模塊，不僅提高了高度測量的精度，還可在某一高度傳感器信息不可靠的情況下自適應進行權值調節，保證了SRUA降落過程中的高度信息的可靠性；?

飛行控制系統（4）根據無人機的導航信息及任務需求完成路徑規劃，基于自適應神經網絡的方法完成高精度且穩定的降落控制；?

機載攝像頭（5）固定在小型旋翼無人機（1）上，并且鏡頭垂直向下，無人機降落過程中，攝像頭實時捕獲地面降落坪（6）的圖像，并通過無線圖像傳輸模塊（7）傳輸到地面監控站（9）；?