[發明專利]結合單目視覺與激光測距的無人機自主著陸導引方法

在審

• 申請號: 201510943566.2
• 申請日: 2015-12-16
• 公開（公告）號: CN105387860A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（設計）人: 楊濤;張艷寧;李治;王斯丙;劉小飛;謝秀川
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S17/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種無人機自主著陸導引方法，特別涉及一種結合單目視覺與激光測距的無人機自主著陸導引方法。

背景技術

運動目標定位是獲取空間中運動目標三維坐標的方法，對無人機空間位置動態地實時測量具有非常重要的意義。

文獻“TargetpositioningforUAVTrackingBasedonCameraCalibration”公開了一種基于相機標定的無人機定位算法，并將其應用四旋翼無人機中。此方法首先建立線性相機成像模型，運用張正友平面標定方法來計算相機內部參數，然后根據已知特殊標記的相對位置確定相機姿態參數。但是，張正友所述的外參標定方法只能針對小范圍場景，且在距離的測量上誤差大。因此不適用于大場景內的目標定位。

發明內容

為了克服現有無人機自主著陸導引方法精度差的不足，本發明提供一種結合單目視覺與激光測距的無人機自主著陸導引方法。該方法采用激光測距儀實時獲取無人機距離著陸點的距離信息，利用單目視覺進行目標識別。首先通過一個三維度可獨立調節的水平載臺調節相機使其前后俯仰以及左右傾斜的角度至水平零度狀態，然后依據目標圖像確定其實際位置信息和像素坐標之間的幾何轉換關系，最后計算出無人機在給定坐標系下三維坐標。從而實現對無人機的自主著陸導引。本發明將激光測距儀與單目視覺相結合，故精度高、范圍廣而且性能穩定。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種結合單目視覺與激光測距的無人機自主著陸導引方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、設備的安裝以及放置。

首先根據所需定位的目標空間視野，在實驗環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節的水平載臺固定在三腳架上；然后裝配相機鏡頭并將其裝在水平轉臺上；最后，將安裝在轉動電機上的激光測距裝置放置在臨近三腳架的一側并同相機等高的位置，然后測試激光測距儀以保證其能夠正常工作。

步驟二、相機以及激光測距裝置的姿態調整。

首先分別調節水平載臺的水平和豎直轉軸使得相機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，將標志燈放置在使標志燈在圖像中處于靠近中心的位置打開，調節轉臺的水平轉軸使得光點移至圖像長軸的中心，確定相機的光軸方向，建立光軸方向上的相機坐標系；最后，再次檢查相機的俯仰以及左右傾斜的角度是否為0°，如是，相機的姿態調整完成，否則繼續重復上述步驟調整直至0°。

根據無人機著陸的實際導引范圍控制電機轉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上的標志物。

步驟三、確定物體的位置信息和圖像像素坐標之間的幾何關系。

根據相機的小孔成像模型，物體的位置信息和圖像像素坐標存在以下關系。

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。

運用張正友平面標定方法來求解相機內部參數fx,fy以及光點中心的坐標(X,Y)；設圖像上目標光點的像素坐標(u,v)，三腳架高度Height。

off_u＝u-X(2)

off_v＝Y-v(3)

其中，off_v為目標光點距離光心的豎直像素偏移。

α＝arctan(off_u/fx)(4)

其中，α為目標與相機光軸方向的豎直夾角。

δ＝arctan(off_v/fy)(5)

其中，δ為目標與相機光軸方向的水平夾角。

β＝arctan(sqrt(tan²(α)+tan²(δ)))(6)

其中，β為目標與相機光軸方向的夾角。

γ＝arctan(off_v/off_u*(fx/fy))(7)

其中，γ為目標在相機坐標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域有限，因此需要借助電機的轉動來保證其一直能夠測量到無人機。當測量數據來自于最下端的激光器時，表明無人機當前處于激光測量區域的偏下方位置，此時控制電機向下轉動使無人機處于測量區域偏中心位置并讀取數據記Dist，該過程使得無人機在著陸階段一直處在激光器測量區域內。

步驟四、計算三維坐標。

目標的三維坐標為：

Xw＝Dist*cos(β)(8)