[发明专利]一种基于机场跑道的无人机视觉定位方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于机场跑道的无人机视觉定位方法及装置，涉及飞行器导航定位技术领域，本发明通过跑道信息和摄像单元所获得的跑道视觉图像实现了对于无人机的视觉定位，无需增加额外设备，对机场设施无要求，无需依赖外部信号源，避免了受到外界的干扰，相较于传统方式当中的定位方法，本发明有效简化了系统，降低了实施成本。

技术领域

本发明涉及飞行器导航定位技术领域，具体而言，涉及一种基于机场跑道的无人机视觉定位方法及装置。

背景技术

飞行器着陆阶段的需要进行精确的下滑轨迹控制，以保证着陆点在合适的区域，这对飞行器起降安全至关重要。落点过于提前，在进入跑道前下降高度过快，有碰到障碍物的风险；落点过于推后，则对跑道长度利用不足，有冲出跑道的风险。起飞和降落时还需要使飞行器保持在跑道中心线附近，偏离过远则有从侧面滑出跑道的风险。

对于有人驾驶飞机，起降时相对跑道的位置判断是由飞行员依靠目视人工完成，起降阶段也是飞行员精神压力最大的阶段，现代航空的事故也多发生在起降阶段。现代化的飞机配备了自动驾驶仪，有效减轻了飞行员的负担，无人飞行器则主要依靠自主控制完成起降过程。

自动驾驶设备在起降阶段需要对下滑轨迹进行精确控制，目前主要有两种方式实现飞行器的定位。一种是微波波束导引，由机场专用设备在降落航迹上发出微波波束，相应的机载设备根据接收到的波束信号判断相对预定航迹的偏差，不断修正保持在合适轨迹上，实现安全着陆。另一种是差分GNSS定位。GNSS(全球卫星导航系统)定位的精度在10米的量级，由于飞机降落时下滑角较小，这通常会导致几百米的落点偏差。但同一时间这种偏差在一定区域是变化不大的，在地面设置差分站，实时测量GNSS定位与实际位置的偏差，为飞行器上的GNSS提供偏差修正，可有效提高定位精度至厘米级，满足飞行器降落轨迹控制的需要。

微波波束导引和差分GNSS都需要在机场及机上安装相应专用设备，增加系统的复杂性和成本。微波波束导引设备价格昂贵，往往在比较高等级的机场才会装备；差分GNSS设备相对廉价，但仍会增加一定的设备成本，差分GNSS与机上的通讯及机上的GNSS接收机还有受到干扰的可能。

发明内容

本发明旨在提供一种基于机场跑道的无人机视觉定位方法，其能够较为简单地、低成本地实现对无人机起降阶段的定位，或者较为简单地、低成本地实现对陌生起降环境中跑道宽度的识别。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于机场跑道的无人机视觉定位方法，包括步骤：

利用摄像单元获取跑道视觉图像；

建立视觉图像与摄像单元坐标系的映射关系；

获取摄像单元的姿态信息，然后识别视觉图像中跑道两侧的边线和中线，然后依据摄像单元的姿态信息、视觉图像与摄像单元坐标系的映射关系对所获得跑道视觉图像进行变换，获得摄像单元光轴与跑道方向平行的变换图像；

在变换图像中，以跑道一侧边线的最低点起始点做水平线，该水平线与跑道两侧边线所在直线分别交于A点、B点；将跑道两边线所在直线交点视为处于无穷远投影点，并以该交点为起始点做与所述水平线相交的垂线；

依据公式在跑道实际宽度已知时，获得摄像单元视点相对于跑道的高度；然后依据摄像单元相对于跑道的高度，判断飞行器是否已起飞或已降落；

或者依据公式在摄像单元视点相对于跑道的高度已知时，获得跑道实际宽度；

其中，H_o为摄像单元视点相对于跑道的高度，h为所述变换图像中垂线的长度，w为跑道实际宽度，d为变换图像中水平线上AB段的长度。

优选的，所述摄像单元的姿态信息包括摄像单元的俯仰角θ、偏航角ψ和滚转角φ。

优选的，所述步骤建立视觉图像与摄像单元坐标系的映射关系，包括步骤：