一种运动平台上无人机自主精确着陆系统及着陆方法技术方案

本发明专利技术提供一种运动平台上无人机自主精确着陆系统及着陆方法，包括旋翼无人机1、机载云台相机2、机载计算机3、机载起落架磁性器件4、车载铁质降落坪6以及多层嵌套标识7；其中多层嵌套标识7为由相互重叠、尺寸不同、图案不同且分布不对称的二维码组成；其中小尺寸二维码覆盖在大尺寸二维码上；且大尺寸二维码上沿机动车5的前进方向覆盖多个小尺寸二维码，其中尺寸最大的二维码只有一个。本发明专利技术利用旋翼无人机搭载的云台相机，采用机载云台相机2去识别多层嵌套标识7，提供一种精度高、可靠性好、成本低的视觉辅助旋翼无人机自主着陆系统，特别适用于在运动机动车顶端的着陆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无人机
，尤其涉及一种运动平台上无人机自主精确着陆系统及着陆方法。
技术介绍
如今小型旋翼无人机越来越广泛地用于各种军用、民用行业，如植保、电力巡检、航拍、灾后救援，通常的使用方法是用小汽车携带旋翼无人机到任务区域，人工控制旋翼无人机起飞，执行任务，最后降落到地面。在降落时通常需要很大一块空地，由于旋翼无人机自身定位精度较差，降落花费时间长，控制效果差，容易发生意外。如果能实现旋翼无人机自主精确降落在车顶，就能节省很多时间，也能降低对降落地点的要求。旋翼无人机上现有的传感器主要依靠GPS定位，只能实现米级精度的降落，采用差分GPS技术会大幅增加硬件成本。考虑到现有的旋翼无人机一般都会搭载云台相机，可充分利用这个云台相机，只需要再增加一台嵌入式计算机即可实现视觉辅助降落，具有成本低，精度高的优点。用于旋翼无人机的单目视觉辅助着陆的相关研究已经有很多，但现有技术无法实现在运动平台上自主精确着陆，主要有以下几个原因：1、受图标尺寸限制，无人机在低处容易超出相机视野范围，在高处又看不清。现有的解决尺寸限制问题的方案是增加嵌套图标，但现有的嵌套图标都是由形状完全相同的不同大小的图案同心嵌套而成。由于完全相同，识别的时候计算机无法判断自己识别到的是大图标还是小图标，因此无法算出准确的位置信息，只能得到图标与画面中心的像素偏差(例如x轴偏100像素，y轴偏150像素)，使无人机的控制精度大幅降低，一般只适用于静止平台的降落，在运动平台上仅靠像素偏差无法满足精确着陆的要求。在运动平台降落实验中同心嵌套的图标还曝露出一个严重的问题：图标的可识别范围是以图标中心为顶点，向上逐渐扩大的锥体，如图3所示，飞行高度越低(或相机与图标的距离越小)，水平方向可识别的范围就越小。运动平台着陆时车速不稳定，当无人机下降到很低的位置时，一旦车速发生变化，无人机很容易脱离可识别范围，导致降落失败。2、现有的图像识别算法无法处理倾斜的相机拍摄到的图标。现有的视觉定位所用的图标多是基于形状的，比如矩形、圆形、三角形，这种图标的识别方法是分析图标的轮廓，如果轮廓与预先设置的形状一致，则认为识别成功，如果相机倾斜，由于透视效应，拍摄到的图标不再是标准的形状，则无法识别。因此即使加上云台，当拍摄角度较大时也无法正常识别和定位，无法利用云台来扩大识别范围。3、现有的图标由于形状过于简单且仅仅通过形状轮廓来判断，没有考虑对图标整个表面的识别，判断条件不够严谨，容易出现把地面上的其他物体误识别为图标的情况。4、现有的视觉辅助降落多采用与旋翼无人机固连的竖直向下的相机，这种方式视野范围较小且受旋翼无人机姿态影响。当无人机飞行速度较快时相机始终处在倾斜状态，使图标无法进入相机视野。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种运动平台上无人机自主精确着陆系统及着陆方法。采用云台相机去识别由相互重叠、尺寸不同、图案不同且分布不对称的二维码组成的多层嵌套标识，提供一种精度高、可靠性好、成本低的视觉辅助旋翼无人机自主着陆系统。一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，包括旋翼无人机1、机载云台相机2、机载计算机3、机载起落架磁性器件4、车载铁质降落坪6以及多层嵌套标识7；所述机载云台相机2安装在旋翼无人机1的下方，包括相机和云台；所述云台被电机驱动旋转到任意给定角度；所述机载计算机3安装在旋翼无人机1上，根据机载云台相机2拍摄的包含多层嵌套标识7的画面，向旋翼无人机1发送控制指令并引导旋翼无人机1着陆；同时机载计算机3控制云台的转动，并与旋翼无人机1的飞行控制器通信，接收旋翼无人机1的位置和速度；所述机载起落架磁性器件4安装在旋翼无人机1起落架的下端；所述车载铁质降落坪6固定在机动车5的顶部；所述多层嵌套标识7附着在车载铁质降落坪6上；其中多层嵌套标识7为由相互重叠、尺寸不同、图案不同且分布不对称的二维码组成；其中小尺寸二维码覆盖在大尺寸二维码上；且大尺寸二维码上沿机动车5的前进方向覆盖多个小尺寸二维码，其中尺寸最大的二维码只有一个。一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，所述二维码均为正方形，且正方形包括N行×N列的小正方形，其中N的取值至少为5，与机载云台相机2的分辨率有关；所述二维码只包含黑白两种颜色；位于正方形边缘的小正方形全为黑色，内部的小正方形不全为黑色，且白色小正方形和黑色小正方形分布不对称；小尺寸二维码覆盖在大尺寸二维码的黑色小正方形上。一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，除尺寸最大的二维码外，其他尺寸二维码的四边均设置有白边，且白边的宽度与相机分辨率有关，相机分辨率越高，所述白边越窄。一种基于运动平台上无人机自主精确着陆系统的着落方法，包括以下步骤：步骤1：标定机载云台相机2，得到内参数和畸变参数；并记录所有二维码的大小以及各个二维码相对多层嵌套标识7中心的位置坐标；同时分别采用N×N二维矩阵A＝[aij]N×N表征各个二维码，其中aij为二维矩阵A的第i行第j列的元素，与各个二维码第i行第j列的小正方形对应，得到表征所有二维码的二维矩阵集合∪A；其中黑色小正方形对应的矩阵元素值为0，白色小正方形对应的矩阵元素值为1；步骤2：机载计算机3控制机载云台相机2转动，并识别来自机载云台相机2拍摄的图像，判断是否找到二维码；具体识别步骤如下：步骤21：将机载云台相机2读取到的画面依次进行灰度化、二值化和降噪处理，得到0/1二值图，其中0代表黑色像素，1代表白色像素；步骤22：利用边界跟踪算法从0/1二值图中提取画面所拍摄到的所有物体的轮廓，选取凸四边形轮廓，得到物体对应的凸四边形图像；步骤23：通过仿射变换，将所述凸四边形图像变为正方形图像；步骤24：将正方形图像等分为N行N列的小正方形，计算每个小正方形中1的个数；其中，如果小正方形中1的个数超过像素总数的一半，则判定该小正方形为白色，否则为黑色；步骤25：采用N×N二维矩阵B＝[bij]N×N表征步骤23中的正方形图像，其中bij为二维矩阵B第i行第j列的元素，与第i行第j列小正方形对应；其中，如果小正方形为黑色，则其对应二维矩阵的元素值为0；如果小正方形为白色，则其对应二维矩阵的元素值为1；步骤26：将正方形图像对应的二维矩阵B与二维码对应的集合∪A中的二维矩阵进行对比；其中：如果二维矩阵B与集合∪A中的任意二维矩阵A完全相同，则机载云台相机2成功识别多层嵌套标识7中的二维码，并进入步骤3；如果二维矩阵B与二维矩阵A不相同，则重复步骤21-25；步骤3：利用机载云台相机2的内参数和畸变参数、各个二维码相对多层嵌套标识7中心的位置坐标、二维码在机载云台相机2所拍摄画面上的像素坐标以及机载云台相机2相对于旋翼无人机1的姿态角，通过梯度法寻优计算机载云台相机2相对于多层嵌套标识7的位置和姿态角；其中，机载云台相机2相对于旋翼无人机1的姿态角为云台被电机驱动旋转的角度；步骤4：机载计算机3根据机载云台相机2拍摄的画面和机载云台相机2相对于多层嵌套标识7的位置和姿态角，计算旋翼无人机1当前相对于多层嵌套标识7的姿态角和位置信息，从而生成控制指令控制旋翼无人机1缩小相对于多层嵌套标识7中心位置的偏差，沿水平方向与多层嵌套标识7中心位置对齐，再沿竖直方向降低高度；步骤5：当旋翼无人机1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，其特征在于，包括旋翼无人机(1)、机载云台相机(2)、机载计算机(3)、机载起落架磁性器件(4)、车载铁质降落坪(6)以及多层嵌套标识(7)；所述机载云台相机(2)安装在旋翼无人机(1)的下方，包括相机和云台；所述云台被电机驱动旋转到任意给定角度；所述机载计算机(3)安装在旋翼无人机(1)上，根据机载云台相机(2)拍摄的包含多层嵌套标识(7)的画面，向旋翼无人机(1)发送控制指令并引导旋翼无人机(1)着陆；同时机载计算机(3)控制云台的转动，并与旋翼无人机(1)的飞行控制器通信，接收旋翼无人机(1)的位置和速度；所述机载起落架磁性器件(4)安装在旋翼无人机(1)起落架的下端；所述车载铁质降落坪(6)固定在机动车(5)的顶部；所述多层嵌套标识(7)附着在车载铁质降落坪(6)上；其中多层嵌套标识(7)为由相互重叠、尺寸不同、图案不同且分布不对称的二维码组成；其中小尺寸二维码覆盖在大尺寸二维码上；且大尺寸二维码上沿机动车(5)的前进方向覆盖多个小尺寸二维码，其中尺寸最大的二维码只有一个。

【技术特征摘要】
1.一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，其特征在于，包括旋翼无人机(1)、机载云台相机(2)、机载计算机(3)、机载起落架磁性器件(4)、车载铁质降落坪(6)以及多层嵌套标识(7)；所述机载云台相机(2)安装在旋翼无人机(1)的下方，包括相机和云台；所述云台被电机驱动旋转到任意给定角度；所述机载计算机(3)安装在旋翼无人机(1)上，根据机载云台相机(2)拍摄的包含多层嵌套标识(7)的画面，向旋翼无人机(1)发送控制指令并引导旋翼无人机(1)着陆；同时机载计算机(3)控制云台的转动，并与旋翼无人机(1)的飞行控制器通信，接收旋翼无人机(1)的位置和速度；所述机载起落架磁性器件(4)安装在旋翼无人机(1)起落架的下端；所述车载铁质降落坪(6)固定在机动车(5)的顶部；所述多层嵌套标识(7)附着在车载铁质降落坪(6)上；其中多层嵌套标识(7)为由相互重叠、尺寸不同、图案不同且分布不对称的二维码组成；其中小尺寸二维码覆盖在大尺寸二维码上；且大尺寸二维码上沿机动车(5)的前进方向覆盖多个小尺寸二维码，其中尺寸最大的二维码只有一个。2.如权利要求1所述的一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，其特征在于，所述二维码均为正方形，且正方形包括N行×N列的小正方形，其中N的取值至少为5，与机载云台相机(2)的分辨率有关；所述二维码只包含黑白两种颜色；位于正方形边缘的小正方形全为黑色，内部的小正方形不全为黑色，且白色小正方形和黑色小正方形分布不对称；小尺寸二维码覆盖在大尺寸二维码的黑色小正方形上。3.如权利要求2所述的一种运动平台上无人机自主精确着陆系统，其特征在于，除尺寸最大的二维码外，其他尺寸二维码的四边均设置有白边，且白边的宽度与相机分辨率有关，相机分辨率越高，所述白边越窄。4.一种基于权利要求2的一种运动平台上无人机自主精确着陆系统的着落方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：标定机载云台相机(2)，得到内参数和畸变参数；并记录所有二维码的大小以及各个二维码相对多层嵌套标识(7)中心的位置坐标；同时分别采用N×N二维矩阵A＝[aij]N×N表征各个二维码，其中aij为二维矩阵A的第i行第j列的元素，与各个二维码第i行第j列的小正方形对应，得到表征所有二维码的二维矩阵集合∪A；其中黑色小正方形对应的矩阵元素值为0，白色小正方形对应的矩阵元素值为1；步骤2：机载计算机(3)控制机载云台相机(2)转动，并识别来自机载云台相机(2)拍摄的图像，判断是否找到二维码；具体识别步骤如下：步骤21：将机载云台相机(2)读取到的画面依次进行灰度化、二值化和降噪处理，得到0/1二值图，其中0代表黑色像素，1代表白色像素；步骤22：利用边界跟踪算法从0/1二值图中提取画面所拍摄到的所有物体的轮廓，选取凸四边形轮廓，得到物体对应的凸四边形图像；步骤23：通过仿射变换，将所述凸四边形图像变为正方形图像；步骤24：将正方形图像等分为N行N列的小正方形，计算每个小正方形中1的个数；其中，如果小正方形中1的个数超过像...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘浩平，王章龙，司维永，韦浪，张本科，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11