一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法技术

本发明专利技术属于航空导航制导技术领域，特别涉及一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法，包括如下步骤：第一步，计算待飞距，无人机跑道采用平放着陆地标，跑道尽头采用竖放着陆地标，QR码着陆地标作为跑道地标；第二步，计算相对高度，第三步，计算升降速度，第四步，计算侧偏距，第五步，姿态估计计算，通过QR码地标，简化地标结构，提高视觉处理速度，特征区别于跑道背景，增强检测的鲁棒性，实现对无人机着陆点的快速识别定位。无人机着陆下滑过程中，通过地标水平放置和竖直放置两种摆放方式，基于机器视觉的无人机自主着陆导航方法研究，进行着陆参数的估计，有效预防无人机着陆过程中的危险，实现无人机的安全着陆。实现无人机的安全着陆。实现无人机的安全着陆。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法


[0001]本专利技术属于航空导航制导
，特别涉及一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机已经成为热点研究对象。GPS作为全球定位系统，导航精度高，无时间累积误差，广泛应用于无人机系统，但其易受电磁干扰，存在因干扰或卫星信号丢失而丧失定位能力的风险，且无人机在着陆阶段，卫星信号弱，极易受到各种干扰，所以在低速和低高度情况下，不能获得精确的高度、速度等自身运动信息，造成无人机的起降阶段事故发生率高于其他飞行阶段，因此开展GPS缺失环境下的自主安全着陆对无人机系统具有重要意义。
[0003]随着机器视觉技术的快速发展，视觉导航技术已经陈成为热点研究对象，比较有代表性的视觉导航为双目视觉导航。与传统的导航方式相比，双目导航传感器造价低、体积小、不易被发现、抗干扰能力强，且捕捉信息丰富，使其广泛应用于军事方面。进入21世纪以来，国内外在无人机视觉着陆开展了很多理论探索和实物研究，但固定翼无人机自主着陆难度大、事故率高，所以着陆阶段的导航技术一直以来都是无人机领域的重点研究内容。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在GPS缺失环境下的无人机自主安全着陆的问题，本专利技术提出一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法。
[0005]为了实现上述技术效果，本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法，包括如下步骤：
[0007]第一步，计算待飞距，下滑过程无人机到着陆点的距离为待飞距，采用两种地标摆放方式来辅助无人机进行着陆，无人机跑道采用平放着陆地标，跑道尽头采用竖放着陆地标，QR码着陆地标作为跑道地标；
[0008]进一步地，所述步骤一中的平放着陆地标：当着陆地标平放在跑道上，视野中地标和相机的关系包括两种情况，一种为着陆地标在无人机同侧，另一种着陆地标处于无人机异侧；竖放着陆地标的待飞距计算同平放着陆地标。
[0009]再进一步地，当着陆地标在无人机同侧，以着陆地标在无人机左侧为例计算待飞距：
[0010][0011][0012][0013]式中，D为着陆地标A、B的间距，M为着陆地标A、M的间距，D
A
为无人机距着陆地标A的距离，D
B
为无人机距着陆地标B的距离，β为着陆地标A与无人机的视线夹角；待飞距为MO。
[0014]再进一步地，当着陆地标在无人机异侧，以无人机在相邻两个着陆地标之间为例计算待飞距：
[0015][0016][0017][0018]式中，D为着陆地标A、C的间距，M为着陆地标A、M的间距，D
A
为无人机距着陆地标A的距离，D
c
为无人机距着陆地标C的距离，γ为着陆地标A与无人机的视线夹角；待飞距为MO。
[0019]第二步，计算相对高度，下滑过程无人机到着陆点水平面的垂直距离为相对高度；
[0020]进一步地，竖放着陆地标：
[0021][0022][0023]式中，α为下滑俯仰角，MO为待飞距，PO为相对高度。
[0024]进一步地，平放着陆地标：当着陆地标在无人机同侧，以着陆地标在无人机左侧为例计算相对高度；
[0025][0026][0027][0028]式中，D为着陆地标A、B的间距，D
A
为无人机距着陆地标A的距离，D
B
为无人机距着陆地标B的距离，γ为着陆地标A、B与无人机的视线夹角，PO为相对高度。
[0029]进一步地，平放着陆地标：当着陆地标在无人机异侧，以无人机在相邻两个着陆地标之间为例计算相对高度；
[0030][0031][0032][0033]式中，D为着陆地标A、C的间距，D
A
为无人机距着陆地标A的距离，D
c
为无人机距着陆地标C的距离，γ为着陆地标A、C与无人机的视线夹角；PO为相对高度。
[0034]第三步，计算升降速度，下滑过程中无人机单位时间内高度的变化量为升降速度；
[0035]进一步地，所述第三步具体升降速度计算方法为：
[0036]d
diff
＝d
pre
‑
d
cur
[0037][0038][0039][0040]式中，d
cur
为当前帧相机距地标的距离，d
pre
为前一帧相机距地标的距离，v
curr
为当前帧的速度，i为当前帧数，为俯仰角，v
l
为升降速度。
[0041]第四步，计算侧偏距，侧偏距是飞机的实际航线和计划航线之间的距离，即图像中心偏离左右跑道的距离即为左右侧偏距离；
[0042]进一步地，第四步具体计算过程为：
[0043][0044][0045]式中，D为跑道间的实际距离，D1为像素距离，L1为图像中心点到直线L的像素距离，R1为图像中心点到直线R的像素距离，LL为左侧偏距，RR为右侧偏距。
[0046]第五步，姿态估计计算，通过无人机相对于着陆标志的三维信息，实现无人机的姿态估计，需要结合双目视觉的坐标关系，将世界坐标系的目标点转换到相机坐标系。
[0047]进一步地，所述第五步具体计算过程为：
[0048][0049][0050]式中，R为世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，(θ,φ,ψ)为无人机的俯仰角、滚转角、偏航角。
[0051]本申请的优点在于：
[0052]1、本专利技术以无人机自主着陆为应用背景，开展了一种基于机器视觉的无人机待飞距/相对高速/升降速度/侧偏距/姿态估计算法研究。通过QR码地标，简化地标结构，提高视觉处理速度，特征区别于跑道背景，增强检测的鲁棒性，实现对无人机着陆点的快速识别定位。无人机着陆下滑过程中，通过地标水平放置和竖直放置两种摆放方式，基于机器视觉的无人机自主着陆导航方法研究，进行着陆参数的估计，有效预防无人机着陆过程中的危险，实现无人机的安全着陆。
[0053]2、在GPS信号缺失环境下，利用双目视觉着陆导航技术，能够有效提高无人机系统的鲁棒性；
[0054]3、开展基于机器视觉的无人机待飞距/相对高度/升降速度/侧偏距/姿态估计算法研究，解算无人机着陆信息，为无人机自主安全着陆提供保障；
[0055]4、使用两种QR码的着陆地标设计方法辅助无人机着陆，QR码不仅结构简单，信息丰富，而且颜色易于识别，方便检测。
附图说明
[0056]图1是本专利技术的QR码着陆地标。
[0057]图2是本专利技术的着陆地标平放下滑过程三角形示意图1。
[0058]图3是本专利技术的着陆地标平放下滑过程三角形示意图2。
[0059]图4是本专利技术的着陆地标竖放下滑过程三角形示意图。
[0060]图5是跑道和QR码跑道地标二值图。
[0061]图6是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，计算待飞距，下滑过程无人机到着陆点的距离为待飞距，采用两种地标摆放方式来辅助无人机进行着陆，无人机跑道采用平放着陆地标，跑道尽头采用竖放着陆地标，QR码着陆地标作为跑道地标；第二步，计算相对高度，下滑过程无人机到着陆点水平面的垂直距离为相对高度；第三步，计算升降速度，下滑过程中无人机单位时间内高度的变化量为升降速度；第四步，计算侧偏距，侧偏距是飞机的实际航线和计划航线之间的距离，即图像中心偏离左右跑道的距离即为左右侧偏距离；第五步，姿态估计计算，通过无人机相对于着陆标志的三维信息，实现无人机的姿态估计，需要结合双目视觉的坐标关系，将世界坐标系的目标点转换到相机坐标系。2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法，其特征在于：所述步骤一中的平放着陆地标：当着陆地标平放在跑道上，视野中地标和相机的关系包括两种情况，一种为着陆地标在无人机同侧，另一种着陆地标处于无人机异侧；竖放着陆地标的待飞距计算同平放着陆地标。3.根据权利要求2所述的一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法，其特征在于：当着陆地标在无人机同侧，以着陆地标在无人机左侧为例计算待飞距：当着陆地标在无人机同侧，以着陆地标在无人机左侧为例计算待飞距：当着陆地标在无人机同侧，以着陆地标在无人机左侧为例计算待飞距：式中，D为着陆地标A、B的间距，M为着陆地标A、M的间距，D
A
为无人机距着陆地标A的距离，D
B
为无人机距着陆地标B的距离，β为着陆地标A与无人机的视线夹角；待飞距为MO。4.根据权利要求2所述的一种基于双目视觉导引着陆的无人机位姿估计方法，其特征在于：当着陆地标在无人机异侧，以无人机在相邻两个着陆地标之间为例计算待飞距：当着陆地标在无人机异侧，以无人机在相邻两个着陆地标之间为例计算待飞距：当着陆地标在无人机异侧，以无人机在相邻两个着陆地标之间为例计算待飞距：式中，D为着陆地标A、C的间距，M为着陆地标A、M的间距，D
A
为无人机距着陆地标A的距离，D
c
为无人机距着陆地标C的距离，γ为着陆地标A与无人机的视线夹角；待飞距为MO。
5.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖励，唐瑞卿，任杰，李静洪，李娟，杨晨，马越峤，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：