[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

说明书

本发明涉及一种基于全捷联下视相机的高空旋翼无人机精准着陆控制方法。采用与机体下部完全刚性固联的低成本相机，将拍摄的目标图像根据共线原理和视觉光流等技术估算出无人机与目标的相对位置和相对速度信息，导引无人机到目标上方悬停，然后控制无人机下降精准着陆到目标点。本发明设计的方法在精准着陆过程中不依赖卫星导航系统定位数据，只通过机载相机测量的无人机与目标的相对位置信息和无人机自身的速度与姿态进行控制精准着陆，使得卫星导航定位偏差不进入控制回路，提高了系统的抗干扰鲁棒性。

技术领域

本发明属于无人机导航、定位与控制的技术领域，具体涉及一种基于全捷联下视相机的高空旋翼无人机精准着陆控制方法。

背景技术

旋翼型无人机具有低成本、可垂直起降、悬停、结构简单和开发周期短等优点，能够完成很多有人机无法完成的任务，尤其近年来结合机载视觉识别和人工智能等新兴技术，在军事和民用领域获得了广泛的使用。然而，随着各种不同用途无人机不断涌现，民事领域的无人机回收事故也不断出现；同时在军事领域，也需要无人机具有从高空对地精确打击和精准着陆到目标的能力。因此，研究并解决低成本旋翼型无人机的安全自主精准着陆问题具有重大的应用前景。

旋翼型无人机目前主要依靠卫星导航定位，而在无人机着陆过程中，由于卫星导航系统(GPS)定位误差比较大，且无人机在近地着陆过程中容易受到地效气流和风等环境因素影响，如果不加其它信息如人为控制，很难实现精准着陆。由于光学传感器能够探测周围环境，结合旋翼型无人机可定点悬停的特点，通过机载光学成像相机等传感器采集周围的图像，将摄像信息进行信息分析处理，根据目标图像的特征，得到每个特征点在图像中的对应点，经过数字图像处理后可以得到无人机自身相对目标信息，因此采用视觉导航定位技术等手段可以使无人机具有目标相对定位和自主导航能力。

目前常用的旋翼型无人机精准着陆方法主要分两种：一是基于差分卫星定位(RTK)技术，通过RTK基站给无人机发送其在大地坐标系下的精确位置坐标；一种是基于吊舱云台摄像机的图像识别技术，使无人机的机载图像识别设备识别地面目标，通过控制吊舱云台和无人机，获得目标与无人机的相对位置。其中，基于RTK基站的定位方式过于依赖基站，在不适合基站安装的着陆区域就不能使用，如起伏的山区或敌方区域；基于吊舱云台摄像机的图像定位方式由于需要安装吊舱云台，大幅增加了无人机的成本，同时吊舱云台的机械结构精密复杂，在某些军事领域需要高空抛撒启控的军用无人机，初始抛撒时的冲击过载会破坏云台机械结构。因此，如何设计一种不依赖复杂机械结构，低成本、可靠的旋翼型无人机的精准着陆控制方法需要进一步研究。

发明内容

针对旋翼型无人机从高空下落精准着陆到指定目标点的任务应用问题，本发明的目的是提供一种基于全捷联下视相机的高空旋翼无人机精准着陆控制方法。

实现本发明目的所采用的技术方案具体如下：一种基于全捷联下视相机的无人机精准着陆控制方法，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；