基於自然地標和視覺導航的無人直升機自主著陸方法

2023-04-26 16:26:36

專利名稱：基於自然地標和視覺導航的無人直升機自主著陸方法
技術領域：
本發明是用於直升機自主著陸的方法，能夠方便、準確、安全地引導直升機自主著陸。
主要應用在航空航天、無人機和機器人等技術領域。
背景技術：
無人直升機的著陸是一個危險的過程，目前多為人工控制。由於無人直升機通常為垂直降落方式，如果在降落時無人直升機有水平速度，則極易發生滑移，甚至翻覆。因此要使無人直升機在飛行控制計算機的控制下，安全地完成自主著陸，首先必須保證在降落前水平速度為零。以往的解決途徑主要是，通過GPS定位和基於地面信號布的視覺導航方法，使無人直升機消除水平位移。GPS信號容易受建築物和樹叢的遮擋。無人直升機在複雜環境中(樓群，樹叢中， 甚至室內)降落時，可能會因GPS信號失效而無法完成自主著陸。此外，目前GPS的測量精度與接收機密切相關。普通GPS接收機精度僅為米級。而高精度GPS接收則價格昂貴。這些因素限制了基於GPS的自主著陸功能的實現。基於地面信號布的視覺導航通常需要地面實現鋪設著陸指示信號布。無人直升機通過識別信號布的圖像，修正自身的水平位移和航向，從而保持對該信號布的水平靜止。然而在無人直升機著陸前鋪設信號布，不僅耗費人力和具有一定危險性，而且降低無人直升機的機動能力。本發明利用無人直升機上通常配備的機載攝像機和飛行控制計算機，根據相對運動的原理，通過鎖定地面上的自然地標，實現著陸過程中的定位功能，從而保證直升機的安全著陸。與採用GPS定位的方法相比，本發明的優點是精度高，工作可靠，並且不受周圍環境的限制。與採用信號布指示的方法相比，本發明的優點是利用自身攜帶的磁航向傳感器鎖定航向，利用地面的自然地標鎖定水平位移。因此，無需事先在地面鋪設著陸指示信號布，從而降低地勤保障工作，並顯著增強無人直升機的機動能力。由於本發明僅通過算法實現功能，而無需添加額外的硬體，因此不會增加無人直升機的起飛重量。

發明內容
本發明的目的在於提供一種用於安全地實現無人直升機自主著陸的方法。本發明的特徵在於，含有無人直升機、飛行控制計算機、磁航向傳感器、高度計和機載攝像機，其中在無人直升機自主著陸的過程中，飛行控制計算機通過實時讀取磁航向傳感器的數據，控制並保持直升機的航向不變，同時機載攝像機持續地拍攝的地面圖像，並將圖像實時傳送給飛行控制計算機；飛行控制計算機在圖像中搜索特徵明顯的地面自然地標，並檢測該自然地標在機載攝像機圖像中的運動速度；由於地面上的自然地標與直升機是相對運動的關係，因此可以間接測量得到直升機相對地面的水平移動速度；飛行控制計算機根據無人直升機相對地面的水平移動速度，實時修正俯仰和滾轉控制指令，使無人直升機始終保持在該自然地標的上空；由此， 直升機的水平飛行速度為零，同時在高度計的引導下，飛行控制計算機通過減小無人直升機的總距，使無人直升機緩慢下降高度，直至著陸；在整個著陸的過程中，飛行控制計算機通過鎖定地面自然地標，而使無人直升機不出現水平移動；因此無人直升機在觸地時不會發生滑動甚至翻覆，可以安全地完成自主著陸。本發明的優點在於指示精確，工作可靠，結構簡單，適應範圍寬；僅通過算法實現功能，不需要額外的硬體，從而不增加無人直升機的起飛重量。


圖1是基於自然地標和視覺導航的無人直升機自主著陸方法的原理圖。圖中1.無人直升機，2.飛行控制計算機，3.磁航向傳感器，4.高度計，5.機載攝像機，6.地面的自然地標。
具體實施例方式基於自然地標和視覺導航的無人直升機自主著陸方法主要由無人直升機(1)、飛行控制計算機(2)、磁航向傳感器(3)、高度計(4)和機載攝像機(5)組成。在無人直升機(1)自主著陸的過程中，飛行控制計算機(2)通過實時讀取磁航向傳感器(3)的數據，控制並保持直升機的航向不變。同時，機載攝像機(5)持續地拍攝地面圖像，並將圖像實時傳送給飛行控制計算機(1)。飛行控制計算機(1)在圖像中搜索特徵明顯的地面自然地標，並檢測該自然地標在圖像中的運動速度。由於地面上的自然地標與直升機是相對運動的關係，因此可以間接測量得到直升機相對地面的水平移動速度。飛行控制計算機(2)根據無人直升機(1)相對地面的水平移動速度，實時修正俯仰和滾轉控制指令，使無人直升機(1)始終保持在該自然地標的上空。由此，直升機的水平飛行速度為零。在高度計(4)的引導下，飛行控制計算機(2)通過減小 無人直升機(1)的總距，使
無人直升機緩慢下降高度，直至著陸。在整個著陸的過程中，飛行控制計算機(2)通過鎖定地面自然地標(6)，使無人直升機不出現水平移動。因此無人直升機在觸地時不會發生滑動甚至翻覆之情況，可以安全地實現自主著陸。
權利要求
1.基於自然地標和視覺導航的無人直升機自主著陸方法，其特徵在於，含有無人直升機、飛行控制計算機、磁航向傳感器、高度計和機載攝像機，其中在無人直升機自主著陸的過程中，飛行控制計算機通過實時讀取磁航向傳感器的數據，控制並保持直升機的航向不變，同時機載攝像機持續地拍攝的地面圖像，並將圖像實時傳送給飛行控制計算機；飛行控制計算機在圖像中搜索特徵明顯的地面自然地標，並檢測該自然地標在機載攝像機圖像中的運動速度；由於地面上的自然地標與直升機是相對運動的關係，因此可以間接測量得到直升機相對地面的水平移動速度；飛行控制計算機根據無人直升機相對地面的水平移動速度，實時修正俯仰和滾轉控制指令，使無人直升機始終保持在該自然地標的上空；由此，直升機的水平飛行速度為零，同時在高度計的引導下，飛行控制計算機通過減小無人直升機的總距，使無人直升機緩慢下降高度，直至著陸；在整個著陸的過程中，飛行控制計算機通過鎖定地面自然地標，而使無人直升機不出現水平移動；因此無人直升機在觸地時不會發生滑動甚至翻覆，可以安全地完成自主著陸。
全文摘要
基於自然地標和視覺導航的無人直升機自主著陸方法屬於無人機技術領域，其特徵在於，含有無人直升機、飛行控制計算機、磁航向傳感器、高度計和機載攝像機，其中在無人直升機自主著陸的過程中，飛行控制計算機通過實時讀取磁航向傳感器的數據，控制並鎖定直升機的航向；通過修正俯仰和滾轉控制指令，鎖定地面自然地標在機載攝像機圖像中的運動，從而消除無人直升機的水平位移；通過實時讀取高度計的數據，控制直升機的下降速度，直至安全著陸。本發明同時利用計算機視覺導航功能、磁航向傳感器和高度計，可以精確、安全、可靠地引導無人直升機完成自主著陸。
文檔編號G05D1/12GK102156480SQ201010623599
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者朱紀洪, 王冠林 申請人:清華大學