[發(fā)明專利]結(jié)合單目視覺與激光測距的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510943566.2
• 申請日: 2015-12-16
• 公開（公告）號: CN105387860A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊濤;張艷寧;李治;王斯丙;劉小飛;謝秀川
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S17/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種結(jié)合單目視覺與激光測距的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、設(shè)備的安裝以及放置；

首先根據(jù)所需定位的目標(biāo)空間視野，在實驗環(huán)境中選擇三腳架的擺放位置，選擇平坦的地方作為三腳架的擺放地點，并將三維度可獨立調(diào)節(jié)的水平載臺固定在三腳架上；然后裝配相機(jī)鏡頭并將其裝在水平轉(zhuǎn)臺上；最后，將安裝在轉(zhuǎn)動電機(jī)上的激光測距裝置放置在臨近三腳架的一側(cè)并同相機(jī)等高的位置，然后測試激光測距儀以保證其能夠正常工作；

步驟二、相機(jī)以及激光測距裝置的姿態(tài)調(diào)整；

首先分別調(diào)節(jié)水平載臺的水平和豎直轉(zhuǎn)軸使得相機(jī)的前后俯仰以及左右傾斜的角度至水平0°；其次，連接電腦并打開相機(jī)，將標(biāo)志燈放置在使標(biāo)志燈在圖像中處于靠近中心的位置打開，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺的水平轉(zhuǎn)軸使得光點移至圖像長軸的中心，確定相機(jī)的光軸方向，建立光軸方向上的相機(jī)坐標(biāo)系；最后，再次檢查相機(jī)的俯仰以及左右傾斜的角度是否為0°，如是，相機(jī)的姿態(tài)調(diào)整完成，否則繼續(xù)重復(fù)上述步驟調(diào)整直至0°；

根據(jù)無人機(jī)著陸的實際導(dǎo)引范圍控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使激光測距裝置與水平方向有一夾角，保證激光測距儀能盡快地檢測到無人機(jī)上的標(biāo)志物；

步驟三、確定物體的位置信息和圖像像素坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系；

根據(jù)相機(jī)的小孔成像模型，物體的位置信息和圖像像素坐標(biāo)存在以下關(guān)系；

θ＝arctan(off_u/f)(1)

其中θ為像與實物連線與水平軸所成的銳角，off_u為目標(biāo)光點距離光心的水平像素偏移，f為焦距；

運用張正友平面標(biāo)定方法來求解相機(jī)內(nèi)部參數(shù)fx,fy以及光點中心的坐標(biāo)(X,Y)；設(shè)圖像上目標(biāo)光點的像素坐標(biāo)(u,v)，三腳架高度Height；

off_u＝u-X(2)

off_v＝Y(jié)-v(3)

其中，off_v為目標(biāo)光點距離光心的豎直像素偏移；

α＝arctan(off_u/fx)(4)

其中，α為目標(biāo)與相機(jī)光軸方向的豎直夾角；

δ＝arctan(off_v/fy)(5)

其中，δ為目標(biāo)與相機(jī)光軸方向的水平夾角；

β＝arctan(sqrt(tan²(α)+tan²(δ)))(6)

其中，β為目標(biāo)與相機(jī)光軸方向的夾角；

γ＝arctan(off_v/off_u*(fx/fy))(7)

其中，γ為目標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系下豎直距離與水平距離所成的夾角；

激光器的測量：

由于激光測距儀束散角有限，該激光組合裝置所能覆蓋的測量區(qū)域有限，因此需要借助電機(jī)的轉(zhuǎn)動來保證其一直能夠測量到無人機(jī)；當(dāng)測量數(shù)據(jù)來自于最下端的激光器時，表明無人機(jī)當(dāng)前處于激光測量區(qū)域的偏下方位置，此時控制電機(jī)向下轉(zhuǎn)動使無人機(jī)處于測量區(qū)域偏中心位置并讀取數(shù)據(jù)記Dist，該過程使得無人機(jī)在著陸階段一直處在激光器測量區(qū)域內(nèi)；

步驟四、計算三維坐標(biāo)；

目標(biāo)的三維坐標(biāo)為：

Xw＝Dist*cos(β)(8)

Yw＝Dist*sin(β)*cos(γ)(9)

Zw＝Dist*sin(β)*sin(γ)+Height(10)

其中Xw,Yw,Zw分別為目標(biāo)在當(dāng)前坐標(biāo)系下的X,Y,Z方向上的坐標(biāo)，Dist為激光測距儀測得的目標(biāo)無人機(jī)的距離，Height為相機(jī)的高度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合單目視覺與激光測距的無人機(jī)自主著陸導(dǎo)引方法，其特征在于：所述激光測距裝置與三腳架的距離是1米。