[发明专利]一种基于全捷联下视相机的无人机精准着陆控制方法

权利要求书

1.一种基于全捷联下视相机的无人机精准着陆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、高空基于视觉及卫星导航系统进行目标定位；

S12、根据相机视场角和相机方形像素阵列的宽度计算相机焦距；

S13、根据相机焦距和目标在像素阵列上的位置获取相机坐标系中像素位置到坐标原点的距离长度；

S14、由像素位置到坐标原点的距离长度和目标在像素阵列的上的位置得到目标在相机坐标系中的单位坐标向量；

S15、根据目标在相机坐标系中的单位坐标向量，并结合卡尔曼滤波算法估算目标到无人机的相对距离；

S16、通过坐标转换得到目标的地理位置信息与目标到无人机的相对距离之间的关系，并结合卫星导航系统测量得到的无人机位置信息量以及目标在相机坐标系中的单位坐标向量，计算目标的地理位置信息；

S2、高空阶段基于目标位置信息进行无人机控制；

当获得目标位置信息后，可采多环反馈跟踪的控制算法控制无人机飞向目标，具体控制算法如下：

S21、设计位置控制器，采用比例积分PI控制器，根据控制器参数和无人机与目标间的距离得到参考速度；

S22、设计速度控制器，采用比例P控制器，根据控制器参数和参考速度得到参考加速度；

S23、根据参考加速度指令计算所需控制力，再结合目前姿态计算得到姿态角指令及油门控制量；

S24、设计姿态环控制器，采用双闭环PID控制方案，根据设计的PID控制器参数、姿态角指令、和当下姿态角速度，计算得到电机电调控制量；

S3、低空阶段基于目标位置信息进行无人机控制；

当无人机下降到超声波测距仪的有效精度的测量范围内，在此低空阶段运用光流技术获得无人机相对目标的速度估计，包括如下步骤：

S31、根据相机连续拍摄时由时间索引的图像序列从一个时间到下一个时间，相机相对惯性坐标系经历旋转和平移，将目标三维位置根据坐标系转换关系转到相机坐标系，计算得到相机平面的目标特征像素点的相对速度的运动公式；

S32、采用传统的计算光流的差分方法既计算特征像素点在单位时间的运动速度来获得目标特征像素点的相对速度；

S33、基于步骤S32计算得出的目标特征像素点的相对速度，采用目标标识点保持在视场预先设定圆区域内，不断下降高度，同时以目标特征像素点的相对速度和为零的制导控制策略来导引无人机至目标上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于全捷联下视相机的无人机精准着陆控制方法，其特征在于，所述旋翼无人机的动力学方程为：

其中，各个状态含义如下:

位置状态：P_fs＝[X,Y,Z]^T

姿态状态：Θ_fs＝[φ,θ,ψ]，滚转角φ，偏航角ψ，俯仰角θ，滚转角速度偏航角速度俯仰角速度

转动惯量：滚转轴转动惯量I_x，偏航轴转动惯量I_y，俯仰轴转动惯量I_z

空气阻力关系系数：K₁，K₂，K₃

虚拟控制量：U₁，U₂，U₃，U₄

惯性系到机体系旋转矩阵：

其中位置信息、姿态角和姿态角速度由机载卫星导航设备及惯组测量，其它信息通过预先测量获得。