一种用于低空航空器的自主停机装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于低空航空器的自主停机装置和方法，属于多传感器检测领域，装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。本发明专利技术装置和方法能够实现远距离停机坪与障碍物的高精度识别，提高低空航空器自主停机的准确度和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于低空航空器的自主停机装置和方法
本专利技术属于多传感器检测领域，更具体地，涉及一种用于低空航空器的自主停机装置和方法。
技术介绍
早年，由于低空航空器(最大飞行高度为500米)无法实现自主感知环境，故对于航空器的停机方案多采用基于无线遥控的手动停机方法，该方法操作难度大，需要飞手具备相当的遥控经验，同时，其停机精度完全取决于飞手的专业素养及工作时的状态，由此，导致航空器的停机具有相当大的不确定性。这种不确定性的存在，极有可能导致严重经济损失与人员伤亡，为此，急需研发与停机过程相关的辅助装置，以提高低空航空器停机过程的准确性与安全性。为实现上述目的，近年来，国内外众多研究人员开发了多种辅助停机装置或自主停机装置。其中，通过将摄像头获取的停机坪图像与标志的先验知识相结合，以分割出图像中待检测的部分，并根据着陆场图案的不变矩特征和透视投影不变性，得到无人机与着陆场之间的相对位置以及偏航偏差，从而实现自主停机；或者通过将摄像头实时采集的图像与模板图像进行匹配，根据匹配结果得到着陆场的横向与纵向位移，结合角度传感器和测距传感器得到飞行器的姿态；此外，还可通过相关目标识别算法对停机坪进行检测，既可以通过先利用Hough算法对停机坪中的特征圆进行识别，再使用特征角点识别算法识别停机坪中的特征字符“H”；也可以通过先将传统的“H”地标的中间的横线向下移动，得到上下两部分不对称的着陆场图标，再采用双目视觉系统检测图像特征，最后运用姿态估计算法，得到无人机与着陆场的相对位置。上述方法多采用视觉手段，由于视觉检测无法获取停机坪的深度信息，导致停机精度较低；而采用双目视觉技术虽然可以获取深度信息，但由于摄像头之间的距离限制，对于检测较远距离障碍物有一定的难度。总体而言，基于视觉的自主停机装置与方法无法实现远距离、高精度的停机过程，造成低空航空器自动停机的准确度和安全性较低。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于低空航空器的自主停机装置，其目的在于实现远距离停机坪与障碍物的高精度识别，提高低空航空器自主停机的准确度和安全性。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于低空航空器的自主停机装置，该装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；所述摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。进一步地，激光雷达为多线激光雷达或单线激光雷达。进一步地，所述控制器包括图像处理单元、融合单元、校正单元、预警单元、停机单元：图像处理单元，用于对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；融合单元，用于对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；校正单元，用于利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δhp，Δhw}满足：Δhp≤(e·ph)/(2Htanθ/2)；Δhw≤(e·pw)/(2Htanθ/2)；其中，Δhp、Δhw为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，ph，pw为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；预警单元，用于根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；停机单元，用于当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行上述停机运动。进一步地，对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸，具体为：通过以下公式对停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，得到停机坪和周边障碍物的实际尺寸；hT＝(2Hhptanθ/2)/phwT＝(2Hwptanθ/2)/pw其中，hT，wT为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，hp，wp为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度。进一步地，所述装置还包括：机壳和底座；所述底座为四方体支架结构；所述机壳为空心四方体结构，且其内部设置有H型结构的安装框架；激光雷达固定在安装框架上，机壳固定在底座上方。进一步地，所述装置还包括备用电源、稳压模块、存储模块和显示模块，分别通过所述安装框架固定在机壳内部。本专利技术另一方面提供了一种用于低空航空器的自主停机方法，包括：S1.获取航空器到停机坪的距离信息；S2.对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；S3.根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。进一步地，步骤S3具体包括：S3.1.对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；S3.2.对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；S3.3.利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δhp，Δhw}满足：Δhp≤(e·ph)/(2Htanθ/2)；Δhw≤(e·pw)/(2Htanθ/2)；其中，Δhp、Δhw为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，ph，pw为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；S3.4.根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；S3.5.当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行上述停机运动。进一步地，S3.2所述对激光雷达的距离信息与图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，所述装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；/n激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；/n摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；所述摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；/n控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，所述装置固定于航空器底部，该装置包括：激光雷达、摄像部件和控制器；
激光雷达，用于获取航空器到停机坪的距离信息；
摄像部件，用于对停机坪及周边障碍物进行检测，获取停机坪及周边障碍物的图像信息；所述摄像部件对角线视角不小于75度，其检测距离不小于航空器最大飞行高度；
控制器，用于根据激光雷达采集到的距离信息和摄像部件采集到的图像信息，确定航空器的可行停机区域，实现航空器安全、准确、自主停机。


2.如权利要求1所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，激光雷达为多线激光雷达或单线激光雷达。


3.如权利要求1或2所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，所述控制器包括图像处理单元、融合单元、校正单元、预警单元、停机单元：
图像处理单元，用于对摄像部件获取到的图像信息的背景、亮度、对比度、角度进行调整，增强图片质量，利用前部卷积层提取质量增强后图片的颜色、亮度、边缘特征，利用后部卷积层提取质量增强后图片的高层语义特征，实现停机坪的实时检测与周围障碍物的检测、识别与分类，得到停机坪图像和周边障碍物图像；
融合单元，用于对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸；
校正单元，用于利用停机坪实际尺寸，获取航空器的可行停机区域，通过改变航空器的位置，使停机坪图像中心与目标停机区域中心相对误差max{Δhp，Δhw}满足：
Δhp≤(e·ph)/(2Htanθ/2)；
Δhw≤(e·pw)/(2Htanθ/2)；
其中，Δhp、Δhw为不同方向上停机坪图像中心与目标停机区域中心的相对误差，e为停机精度，ph，pw为摄像部件采集图像的像素高度与宽度，H为飞行高度，θ为摄像部件对角线视角大小；
预警单元，用于根据周边障碍物图像实际尺寸，获取航空器的不可行停机区域并进行预警；
停机单元，用于当航空器的飞行高度不超过最大飞行高度时，根据航空器的可行停机区域，经过下降、转平、停机三个过程实现航空器的自主停机，其中，转平高度为100米；当航空器的飞行高度超过最大飞行高度，将高度降至最大飞行高度以下，再进行上述停机运动。


4.如权利要求3所述的一种用于低空航空器的自主停机装置，其特征在于，对激光雷达的距离信息与图像处理单元输出的停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，获取停机坪和周边障碍物的实际尺寸，具体为：通过以下公式对停机坪图像和周边障碍物图像进行融合，得到停机坪和周边障碍物的实际尺寸；
hT＝(2Hhptanθ/2)/ph
wT＝(2Hwptanθ/2)/pw
其中，hT，wT为停机坪或周边障碍物的实际高度与宽度，hp，wp为停机坪图像或周边障碍物图像的像素高度与宽度。


5.如权利要求1-4任一项所述的一种用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩然，樊慧津，刘磊，王博，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42