一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法技术

本发明专利技术公开了一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法，采用基于openmv4机器视觉模块的Apriltags识别算法，在已知相机分辨率、焦距以及Apriltags标记尺寸的情况下，当无人机与Apriltags标记之间的距离和角度满足识别距离时，无人机的制导系统自动由GPS制导系统切换到视觉制导系统，openmv4机器视觉模块自动识别Apriltags标记，解算出无人机与相机之间的相对位置信息和姿态信息，并将解算出位姿信息传送给无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统根据接收到的位姿信息，通过纵向制导方法控制无人机撞网回收。

A vision guided longitudinal guidance method for small fixed wing UAV to recover from collision net

【技术实现步骤摘要】
一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法
本专利技术属于无人机控制领域，特别涉及了一种固定翼无人机撞网回收纵向制导方法。
技术介绍
在撞网回收时，无人机会面临系统误差、环境干扰等问题，需要考虑将理想回收点设计在一定的范围之内，并且保证合理的撞击角。并且在各种动力学条件与操作的限制下，着舰时无人机的动能和势能发生突变，此时的无人机最脆弱也最容易发生事故。目前末端着舰导引系统主要有雷达导航系统、电视跟踪系统、激光导引系统、视觉导航系统、捷联导引头系统、GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系统等。雷达导航系统主要设备安装于地面，价格昂贵，导航精度受限于雷达的定向精度；电视跟踪系统、激光导引系统、捷联导引头系统受天气、环境限制比较大，作用距离短，需要快速响应目标的变换，并且对目标视线角有一定的要求；GPS系统不受环境和作用距离限制，但精度较差，差分GPS在移动舰船上无法高精度作业。这些常见的制导设备包括特殊设备和无线电通信，由于操作环节复杂性、成本或其他限制，这些技术很难应用到小型固定翼无人机上。现代战场越来越着重小型无人机的轻量级和廉价性，发展的方向要求其着舰时不依赖跑道和除相机与视觉处理器之外的任何特殊设备，此时不会消耗或者散发出任何可能被敌人检测到的能量。在这种背景之下，提出一种新的小型无人机回收方法具有重大研究意义。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提到的技术问题，本专利技术提出了一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法。<br>为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法，采用基于openmv4机器视觉模块的Apriltags识别算法，在已知相机分辨率、焦距以及Apriltags标记尺寸的情况下，当无人机与Apriltags标记之间的距离和角度满足识别距离时，无人机的制导系统自动由GPS制导系统切换到视觉制导系统，openmv4机器视觉模块自动识别Apriltags标记，解算出无人机与相机之间的相对位置信息和姿态信息，并将解算出位姿信息传送给无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统根据接收到的位姿信息，通过纵向制导方法控制无人机撞网回收。进一步地，所述纵向制导方法为基于虚拟着陆点的伪跟踪制导方法；在伪跟踪制导中，设定虚拟回收点Pi，各虚拟回收点Pi位于回收网中心的水平直线上并与无人机相距特定距离ri，则伪跟踪制导律如下：上式中，λlongi为虚拟回收点Pi对应的虚拟纵向视线角度，hA为无人机相对于回收网底部的高度，hT为回收网中心到回收网底部的高度，下标i表示第i个虚拟回收点，将回收网中心当作最后一个虚拟着陆点。采用上述技术方案带来的有益效果：(1)本专利技术不依赖于全球定位系统，可以在GPS信号差或者没有信号的情况下完成自主着舰；(2)本专利技术采用Apriltags识别算法，抗干扰能力强；(3)本专利技术设计的跟踪虚拟目标的纵向制导律响应十分迅速，克服了比例导引制导对末端变化过于敏感的缺点。附图说明图1是以恒定速度引导无人机到标记目标的制导轨迹图；图2是含图像处理噪声在内的对标记目标的制导轨迹图；图3是无人机撞网回收X-Y平面纵向制导律模型图；图4是本专利技术设计的伪跟踪制导轨迹图；图5是设置一个虚拟着陆点的纵向视线角仿真验证图；图6是设置三个虚拟着陆点的纵向视线角仿真验证图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术基于Openmv4机器视觉模块，采用了Apriltags识别算法。Apriltags识别算法是一款由密歇根州立大学的April实验室开发的开源视觉定位系统，可以快速识别标签的同时解算出目标与相机之间的三维位置(x，y，z)及姿态(roll，pitch，yaw)数据。该算法的标记图编码数据量小，易于获取，且具有高精度局部准确性，目前已经广泛运用在机器人学、相机校准等大量任务中。本专利技术的原理是Openmv4视觉模块通过串口通讯方式将Apriltags算法解算的无人机与回收网之间相对位置信息数据打包发送给飞行控制系统芯片，飞控通过中断程序读取Openmv4数据函数。1、Apriltags算法原理Openmv4上的相机试图找到内部颜色比外部颜色更深的四边形区域，为了便于实现这一点，设计了有黑白边框的标签。(1)当切换到视觉制导系统时，系统首先会识别出标签中的线段①标签检测算法首先计算每个像素的梯度，计算它们的大小。②得到梯度方向。③通过聚类将梯度方向与幅值相似的聚集到一起。④然后用加权最小二乘对每个分量中的像素进行线段拟合。(2)随后系统将检测标签中的四边形当系统识别出直线段后，下一步就是检测四边形。整个任务转化为一个深度为4的递归深度优先搜索。在深度1处，依次把每条线段作为起始线段。在深度2到4处，去找和这个起始线段终点(默认每条线段都是逆时针方向)足够近的线段。(3)最后根据单应性及外估计，解算出位置信息。利用DLT(DirectLinearTransform)算法计算单应性矩阵H，该矩阵可以将齐次坐标形式的2D点从Tag坐标系转换到2D图像坐标系，这里的Tag坐标系原点为标签正中心。在计算标签的位置和姿态信息时，需要知道相机的焦距和识别标记的物理尺寸。3×3的单应性矩阵H可以写成3×4的相机投影矩阵P与4×3的截断外部参数矩阵E的乘积。本来外参矩阵典型的是4×4，但是由于标签上的每个位置在Tag坐标系下的Z方向坐标都等于0。因此，将每个Tag坐标重写为Z向为0的2D齐次坐标，而且移除了外参矩阵的第三列，剩余的便是截断外参矩阵E，单应性矩阵H：上式中，Rij为外参矩阵E的旋转分量，Tk为位移分量表示，s为未知的尺度因子，fx为相机的焦距。需要注意的是，不能直接求解出E，因为P不是满秩矩阵。但是可以拓展等式的右边变为：h00＝sR00/fxh01＝sR01/fxh02＝sTx/fx…此时能够比较容易的计算出Rij的元素和Tk的元素。由于旋转矩阵的列必须是单位向量，所以可以基于此抑制s的幅值。此处有旋转矩阵中的两列信息，可以用其两列幅值的几何平均值来计算s。s的符号可以通过要求标签出现在相机的前方来决定，比如Tz＜0的位置。根据旋转矩阵是正交的，其第三列可以计算已知两列的叉乘得出。2、纵向制导律设计本专利技术中无人机的纵向运动数学模型：其中，x＝[Δv,Δα,Δq,Δθ]T，u＝ΔδeB＝[0-0.001100.3107]T上式中，Δv为飞机速度变化量，Δα为飞机迎角变化量，Δq为飞机俯仰角速度变化量，Δθ为飞机俯仰角变化量，Δδe为飞机升降舵变化量。在视线角速率制导律中，比例导引制导对拦截匀速机动目标具有重要作用，相比之下本专利技术采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法，其特征在于：采用基于openmv4机器视觉模块的Apriltags识别算法，在已知相机分辨率、焦距以及Apriltags标记尺寸的情况下，当无人机与Apriltags标记之间的距离和角度满足识别距离时，无人机的制导系统自动由GPS制导系统切换到视觉制导系统，openmv4机器视觉模块自动识别Apriltags标记，解算出无人机与相机之间的相对位置信息和姿态信息，并将解算出位姿信息传送给无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统根据接收到的位姿信息，通过纵向制导方法控制无人机撞网回收。/n

【技术特征摘要】
1.一种视觉引导的小型固定翼无人机撞网回收纵向制导方法，其特征在于：采用基于openmv4机器视觉模块的Apriltags识别算法，在已知相机分辨率、焦距以及Apriltags标记尺寸的情况下，当无人机与Apriltags标记之间的距离和角度满足识别距离时，无人机的制导系统自动由GPS制导系统切换到视觉制导系统，openmv4机器视觉模块自动识别Apriltags标记，解算出无人机与相机之间的相对位置信息和姿态信息，并将解算出位姿信息传送给无人机飞行控制系统，无人机飞行控制系统根据接收到的位姿信息，通过纵向制导方法控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欣，张航，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32