一种小型无人机降落方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小型无人机降落方法及系统，该方法包括以下步骤：无人机利用GPS/INS组合导航系统进入预降落区域，当无人机进入预降落区域后，和地面降落台间建立通信，同时机载视觉系统搜索降落台标志，并发送指令给地面降落台，然后地面视觉系统利用相对关系搜寻机载标志灯，如果检测目标模糊，或者无法检测，便发送指令给机载控制模块，地面视觉系统再对标志灯进行检测，进而检测到无人机，最后利用相应算法完成无人机的精确定位和跟踪，控制无人机的降落，从而实现无人机的精确自主定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及无人机和机器视觉领域，尤其设及一种小型无人机降落方法及系统。
技术介绍
当今，无人飞行器OJAV) -直是航空领域研究的热点，具有使用便利、运营成本 低、机动灵活易于智能化等优点，被广泛地用于视频监视、侦查、航测航拍、灾害捜救、线路 巡查、影视制作等场合。而无人直升机不需要专口的跑道，可W垂直起飞和降落，对需用空 间要求低等优点，近年来小型无人直升机的研究与应用越来越受到关注。 然而，小型无人机复杂环境下的自主回收降落既是技术难点，也是我们越来越关 注的焦点。目前无人机使用GPS/INS组合导航系统进行飞行导航，但是当前民用GI^定位 精度只能达到10米W内，特别是在自主降落过程中，运个精度还是无法达到无人机的精确 降落要求。 因此，相关学者做了大量的研究：在小型无人机自主降落的过程中，合理设计人 工降落地标，W及利用机载摄像头获取图像，并设计算法提取降落地标特征信息，辅助小型 无人机自主降落；如张广军《基于双圆特征的无人机着陆位置姿态视觉测量方法》采用的 是双圆特征作为地标；SankalpArora《Infrast;ruc1:ure-free化ipdeckTrackingfor AutonomousLanding》采用的是圆形标志作为地标；专利号化200510095085. 7采用的是 十字形的地标。更多的是采用的H标志作为地标，如戴中兴《基于视觉的小型垂直起降UAV 降落引导技术》也用的是H标志作为地标。 阳0化]W上运些方法都是采用无人机装载摄像头识别地标，运种方法用在大型稳定性好 的无人机上可W，使用在小型无人机上，由于其不稳定性，它的水平方向的位移会使降落台 标志逃出视野，导致无法识别降落台标志。又因为地面摄像头对空中目标的捜索范围会小 很多，再考虑到复杂的自然环境（如强光、阴天等）对地面摄像头检测空中目标的干扰，针 对运些问题，设计一种无人机降落方法及系统，辅助小型无人机进行精准自主降落，显得尤 为重要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种小型无人机降落 方法及系统。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小型无人机降落系统，包括W下模块：[000引导航模块，用于引导无人机进入预降落区域； 通信模块，用于无人机和降落台的通信； 视觉系统，包括标志单元、采集单元、处理单元； 所述标志单元包括机载标志单元和降落台标志单元，分别为地面和机载采集单元 提供义集目标； 所述采集单元包括机载采集单元和降落台采集单元，分别用于对降落台标志和机 载标志的采集和检测； 处理单元，包括机载处理单元和地面处理单元，机载处理单元用于实现无人机的 初步定位；地面处理单元用于实现无人机的精确定位与跟踪； 控制模块，用于控制无人机的降落。 按上述方案，所述机载标志单元包括=个分别布置在无人机的=个顶点的显示单 元；所述=个显示单元形成等腰=角状，每个显示单元能W不同的频率显示多种颜色。 按上述方案，所述降落台标志单元为黑白颜色的四边形状。 按上述方案，所述机载采集单元是位于无人机底部的摄像头；降落台采集单元为 分布在降落台四周的多个摄像头组。 按上述方案，所述处理单元视觉系统对无人机的定位与跟踪，属于多摄像头对目 标的定位，包括如下步骤： 4. 1)采用平面标定"棋盘格"法对摄像机进行标定，从而获得相应摄像机的内参 数：焦距也，fy)，主点（U。，V。)，及四个崎变因子k;外参数：平移矢量T和旋转矢量R; 4. 2)根据摄像机的参数信息，建立目标在图像中坐标位置与其空间坐标之间的关 系式，采用基于最小二乘法原理的光束法平差对多目摄像机定位测量进行优化求解； 所述目标在图像中坐标位置与其空间坐标之间的关系式为：阳02；3] 其中，KVy)为实际像点，像素p(Ux，Vy)代表目标标记点戊，YwZJ在图像平面上 的坐标位置；咕为理想像点，（Sx，5y)为崎变因子，rc、ri，r2……为旋转矩阵Rj。 内的元素，（L，Ty,TJ为平移向量Tw内的元素，（Ut，v。）为图像主点，是光轴与像平面交点 的图像坐标；（fx，fy)为横纵向等效焦距。 按上述方案，所述采集单元中地面视觉系统利用机载标志检测无人机采用基于显 著性分析的自适应模式的目标检测算法；主要包括W下几个步骤：首先根据包括颜色、纹 理、局部对比度的特征信息对整个场景进行图像理解并建立显著性图，提取得到包括无人 机的目标区域；然后采用基于时间频率特征的检测算法对机载标志灯进行检测和识别。 一种小型无人机降落方法，包括W下步骤： 1)通过GPS/INS组合导航系统引导无人机进入预降落区域； 2)将无人机与地面降落台建立通信；[002引 3)驱动无人机的机载视觉系统捜索降落台标志，同时开启机载标志灯并发送指令 给地面降落台； 4)地面视觉系统利用机载标志检测无人机，完成对无人机的跟踪与定位； 5)控制无人机缓慢降落。 按上述方案，所述机载标志灯包括=个分别布置在无人机的=个顶点的显示单 元；所述=个显示单元形成等腰=角状，每个显示单元能W不同的频率显示多种颜色。 按上述方案，所述降落台标志为黑白颜色的四边形状。 按上述方案，所述机载视觉系统是位于无人机底部的摄像头；地面视觉系统为多 个摄像头组，分布在降落台四周。 按上述方案，所述步骤4)中上述步骤中视觉系统对无人机的定位与跟踪，属于多 摄像头对目标的定位，包括如下步骤： 4. 1)采用平面标定"棋盘格"法对摄像机进行标定，从而获得相应摄像机的内参 数：焦距也，fy)，主点（U。，V。)，及四个崎变因子k;外参数：平移矢量T和旋转矢量R; 4. 2)根据摄像机的参数信息，建立目标在图像中坐标位置与其空间坐标之间的关 系式，采用基于最小二乘法原理的光束法平差对多目摄像机定位测量进行优化求解； 所述目标在图像中坐标位置与其空间坐标之间的关系式为： 其中，KVy)为实际像点，像素p(Ux，Vy)代表目标标记点戊，YwZJ在图像平面上 的坐标位置；咕为理想像点，（5 " 5y)为崎变因子，r。、Tl,。......，rs为旋转矩阵R3x3 内的元素，（L，Ty,TJ为平移向量Tw内的元素，（Ut，v。）为图像主点，是光轴与像平面交点 的图像坐标；（fx，fy)为横纵向等效焦距。 按上述方案，所述步骤4)中地面视觉系统利用机载标志检测无人机采用基于显 著性分析的自适应模式的目标检测算法；主要包括W下几个步骤：首先根据包括颜色、纹 理、局部对比度的特征信息对整个场景进行图像理解并建立显著性图，提取得到包括无人 机的目标区域；然后采用基于时间频率特征的检测算法对机载标志灯进行检测和识别； 按上述方案，所述建立显著性图采用W下公式： 阳042] S(x,y) =IIy)II，其中，I^^是图像特征量的平均值，I"h(x,y)是经过高 斯滤波后对应图像像素的特征值，IMI是欧式距离公式。 本专利技术产生的有益效果是：本专利技术设计了一种降落台标志用于无人机的初步定 位，其次提出一种可更改颜色的机载标志单元应对复杂的自然环境，采用机器视觉的方法 实现对无人机精确定位和跟踪，进而完成无人机的自主降落。本专利技术能有效提高无人机的 现代化水平。【附图说明】 下面将结合附图及实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型无人机降落系统，其特征在于，包括以下模块：导航模块，用于引导无人机进入预降落区域；通信模块，用于无人机和降落台的通信；视觉系统，包括标志单元、采集单元、处理单元；所述标志单元包括机载标志单元和降落台标志单元，分别为地面和机载采集单元提供采集目标；所述采集单元包括机载采集单元和降落台采集单元，分别用于对降落台标志和机载标志的采集和检测；处理单元，包括机载处理单元和地面处理单元，机载处理单元用于实现无人机的初步定位；地面处理单元用于实现无人机的精确定位与跟踪；控制模块，用于控制无人机的降落。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖长诗，邹雄，元海文，文元桥，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42