一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法技术

本发明专利技术公开了一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，包括步骤：S1、建立无人机自主着陆系统，包括一台欠驱动的四旋翼无人机和一台附有圆形特征的移动平台；S2、引入虚拟相机平面，并基于虚拟相机平面中的圆形特征定义图像矩，构造虚拟相机平面的视觉动力学；S3、构造时变李亚普洛夫函数和性能管道函数，并基于时变李亚普洛夫函数和性能管道函数设计一种鲁棒的基于图像的平移控制律；S4、根据平移控制律解算四旋翼无人机着陆所需的角度信息，进而设计几何姿态控制律，完成四旋翼无人机在移动平台上的着陆。本发明专利技术无须得到传统方法中需要的相对高度，移动平台的速度与角度，具有鲁棒的着陆表现、低成本的计算量和可控的瞬态性能优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法
本专利技术涉及无人机
，特别涉及一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法。
技术介绍
随着技术的进步以及一系列潜在的应用，近年来垂直起降无人机的自动化受到了越来越多的关注。无人机虽然有高机动性和垂直起降能力，但是受电池技术的制约，它的续航能力使它无法得到大规模的，快速的发展。目前，存在技术方案是配合移动平台共同作业，它适合于在危险和复杂的环境中自主执行任务，例如空中监视、电网巡检、探索与营救等。但是，这些自主操作仍然不可靠，由于着陆过程中容易发生事故，比如全球定位系统(GPS)信号不稳定，获取的移动平台的信息不准确，降落误差大等。为了促进垂直起降无人机的无人部署和回收，亟需发展相关的自主着陆能力。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，其目的是为了解决
技术介绍
中垂直起降无人机自主着陆的技术问题。一方面，本专利技术提供了一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，包括如下步骤：S1、建立无人机自主着陆系统，该无人机自主着陆系统包括一台欠驱动的四旋翼无人机和一台附有圆形特征的移动平台；S2、引入虚拟相机平面，并基于虚拟相机平面中的圆形特征定义图像矩，进而构造虚拟相机平面的视觉动力学；S3、构造时变李亚普洛夫函数和性能管道函数，并基于时变李亚普洛夫函数和性能管道函数设计一种鲁棒的基于图像的平移控制律；S4、根据平移控制律解算四旋翼无人机着陆所需的角度信息，进而设计几何姿态控制律，完成四旋翼无人机在移动平台上的着陆。进一步地，步骤S1具体表现为：S101、构建无人机自主着陆系统，该无人机自主着陆系统由配备视觉传感器的四旋翼无人机和附有圆形特征的移动平台组成；S102、四旋翼无人机的动力学模型描述如下：其中，和分别为p、v、R和Ω的一阶微分，分别是四旋翼无人机质心在世界坐标系下的位置和速度矢量，表示实体集，以下定义了在四旋翼无人机本体坐标系中的符号：Ω是四旋翼无人机角速度，m是四旋翼无人机质量，J＝diag(J1,J2,J3)表示惯性矩阵，J1、J2和J3表示，f和分别表示四旋翼无人机产生的推力和力矩向量，i3＝[0,0,1]Τ是单位向量，旋转矩阵R表示从四旋翼无人机本体坐标系到世界坐标系的旋转变换，ΩΛ表示Ω的斜对称矩阵，操作符(·)^表示即从三维向量变换为斜对称矩阵，SO(3)是包含旋转矩阵R的一种特殊正交群，即三维旋转群，且公式(1)和(2)表征四旋翼无人机的平移动力学，公式(3)和(4)表征四旋翼无人机的姿态动力学；S103、移动平台提供一个平面放置圆形特征，并且为了无需测量或者估算移动平台的速度，使用表示移动平台的速度。进一步地，步骤S2具体包括如下步骤：S201、一个单目相机被固定在四旋翼无人机的重心下方，基于透视相机模型，在真实相机坐标系下的三维点PC＝[XC,YC,ZC]到图像坐标qc＝[mc,nc]Τ的映射关系表示如下；其中，fc＞0是单目相机的焦距，XC、YC、ZC分别为三维点PC的横坐标、纵坐标和竖坐标，mc、nc分别为qc的横坐标和纵坐标，T表示矩阵转置；S202、定义虚拟相机平面的一个虚拟相机坐标系的坐标原点与真实相机坐标系重合，并且它仅仅继承了真实相机的平移，将真实相机坐标系做旋转变换R，因此虚拟相机平面始终与世界坐标系的X,Y面平行；S203、由于真实的图像坐标点可以得到，所以对于一个虚拟图像坐标点通过如下公式得到：其中，qv表示虚拟图像坐标点，mv、nv分别为qv的横坐标和纵坐标，是旋转矩阵R的第k行，k＝{1,2,3}，并且表示归一化的真实图像坐标；S204、利用虚拟图像坐标点qv＝[mv,nv]Τ，选择图像矩来控制四旋翼无人机的平移运动，鉴于圆形特征在虚拟相机平面始终是一个圆，其i+j阶的2D矩mij定义为:式中，i＝{0,1}，j＝{0,1}；因此，圆形特征的图像矩定义为：st＝[αnxg,αnyg,αn]Τ；其中，xg＝m10/α，yg＝m01/α，α＝m00，[xg,yg]Τ为圆形特征的圆心，α表示圆形特征的面积，α*表示期望的圆形特征的面积，且所定义圆形特征的图像矩中不包含圆形特征到单目相机的相对高度Z*；S205、鉴于传统的平面矩特征视觉动力学以及考虑移动平台的运动，因此得到虚拟相机平面的视觉动力学如下：其中，为st的一阶微分，Z*＞0。进一步地，所述S3具体包括如下步骤：S301、为了约束误差的变化，定义一个性能管道函数为：其中，表示非负实数的集合，t表示时间，ei表示无人机自主着陆系统中第i个误差，决定了瞬态和稳态下的着陆性能，其中ρi(0)为最大允许误差，常数li＞0和分别表示误差的指数收敛率和稳态性能规范；S302、特征错误定义为其中表示期望圆形特征的图像矩，表示期望圆形特征的圆心，则定义如下误差坐标变换为：其中，et,k为特征误差et的第k个变量，ρt,k为无人机自主着陆系统中第k个管道函数，k＝{1,2,3}，它保证了定义李亚普洛夫函数如下所示：对Vt求微分可得式中，vk表示四旋翼无人机的线速度，vt,k表示移动平台的线速度，为管道函数ρt,k的导数；设计虚拟速度使et，k收敛，则可以基于反演控制技术继续设计推力输入：其中，Kt,k＞0是一个常数；S303、定义速度误差为ξv,k＝ev,k/ρv,k，类似步骤S302，针对速度误差，构造时变李亚普洛夫函数为：对V求微分，并结合公式(2)可得其中，是的第k个变量，g表示重力加速度，为的第k个变量，S304、设计基于圆形特征的平移控制律，即推力f为：f＝FΤ(Ri3)(15)其中，F＝[F1,F2,F3]Τ，T表示矩阵转置，是的第k个变量，k＝{1,2,3}，且Kt,k＞0是一个常数，此时，设计的推力f不仅使得表征四旋翼无人机平移动力学的公式(1)、(2)稳定，而且可以指定图像和线性速度误差的瞬态和稳态表现，兼低成本和实时性。进一步地，所述S4具体包括如下步骤：S401、为了稳定表征四旋翼无人机姿态动力学的公式(3)和(4)，在SO(3)的基础上设计几何姿态控制律，对于期望的姿态和角速度(Rd,Ωd)，Rd＝[rd1,rd2,rd3]是通过来构造的，具体表示如下：其中，b表示期望的偏航向量，且b＝[cos(ψ*),sin(ψ*),0]Τ，Ψ*表示期望偏航角；S402、在SO(3)中定义一个误差函数保证四旋翼无人机的姿态，其用单位矩阵I表示如下：式中，tr[·]表示矩阵的迹，为Rd的转置矩阵，三维旋转群SO(3)是围绕三维欧几里德空间原点的所有旋转变换矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、建立无人机自主着陆系统，该无人机自主着陆系统包括一台欠驱动的四旋翼无人机和一台附有圆形特征的移动平台；/nS2、引入虚拟相机平面，并基于虚拟相机平面中的圆形特征定义图像矩，进而构造虚拟相机平面的视觉动力学；/nS3、构造时变李亚普洛夫函数和性能管道函数，并基于时变李亚普洛夫函数和性能管道函数设计一种鲁棒的基于图像的平移控制律；/nS4、根据平移控制律解算四旋翼无人机着陆所需的角度信息，进而设计几何姿态控制律，完成四旋翼无人机在移动平台上的着陆。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立无人机自主着陆系统，该无人机自主着陆系统包括一台欠驱动的四旋翼无人机和一台附有圆形特征的移动平台；
S2、引入虚拟相机平面，并基于虚拟相机平面中的圆形特征定义图像矩，进而构造虚拟相机平面的视觉动力学；
S3、构造时变李亚普洛夫函数和性能管道函数，并基于时变李亚普洛夫函数和性能管道函数设计一种鲁棒的基于图像的平移控制律；
S4、根据平移控制律解算四旋翼无人机着陆所需的角度信息，进而设计几何姿态控制律，完成四旋翼无人机在移动平台上的着陆。


2.根据权利要求1所述的基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，其特征在于，步骤S1具体表现为：
S101、构建无人机自主着陆系统，该无人机自主着陆系统由配备视觉传感器的四旋翼无人机和附有圆形特征的移动平台组成；
S102、四旋翼无人机的动力学模型描述如下：












其中，和分别为p、v、R和Ω的一阶微分，分别是四旋翼无人机质心在世界坐标系下的位置和速度矢量，表示实体集，以下定义了在四旋翼无人机本体坐标系中的符号：Ω是四旋翼无人机角速度，m是四旋翼无人机质量，J＝diag(J1,J2,J3)表示惯性矩阵，J1、J2和J3表示，f和分别表示四旋翼无人机产生的推力和力矩向量，i3＝[0,0,1]Τ是单位向量，旋转矩阵R表示从四旋翼无人机本体坐标系到世界坐标系的旋转变换，ΩΛ表示Ω的斜对称矩阵，操作符(·)∧表示即从三维向量变换为斜对称矩阵，SO(3)是包含旋转矩阵R的一种特殊正交群，即三维旋转群，且公式(1)和(2)表征四旋翼无人机的平移动力学，公式(3)和(4)表征四旋翼无人机的姿态动力学；
S103、移动平台提供一个平面放置圆形特征，并且为了无需测量或者估算移动平台的速度，使用表示移动平台的速度。


3.根据权利要求2所述的基于圆形特征的无人机在移动平台上鲁棒着陆方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：
S201、一个单目相机被固定在四旋翼无人机的重心下方，基于透视相机模型，在真实相机坐标系下的三维点PC＝[XC,YC,ZC]到图像坐标qc＝[mc,nc]Τ的映射关系表示如下；



其中，fc＞0是单目相机的焦距，XC、YC、ZC分别为三维点PC的横坐标、纵坐标和竖坐标，mc、nc分别为qc的横坐标和纵坐标，T表示矩阵转置；
S202、定义虚拟相机平面的一个虚拟相机坐标系的坐标原点与真实相机坐标系重合，并且它仅仅继承了真实相机的平移，将真实相机坐标系做旋转变换R，因此虚拟相机平面始终与世界坐标系的X,Y面平行；
S203、由于真实的图像坐标点可以得到，所以对于一个虚拟图像坐标点通过如下公式得到：



其中，qv表示虚拟图像坐标点，mv、nv分别为qv的横坐标和纵坐标，是旋转矩阵R的第k行，k＝{1,2,3}，并且表示归一化的真实图像坐标；
S204、利用虚拟图像坐标点qv＝[mv,nv]Τ，选择图像矩来控制四旋翼无人机的平移运动，鉴于圆形特征在虚拟相机平面始终是一个圆，其i+j阶的2D矩mij定义为:



式中，i＝{0,1}，j＝{0,1}；
因此，圆形特征的图像矩定义为：st＝[αnxg,αnyg,αn]Τ；
其中，xg＝m10/α，yg＝m01/α，α＝m00，[xg,yg]Τ为圆形特征的圆心，α表示圆形特征的面积，α*表示期望的圆形特征的面积，且所定义圆形特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王耀南，林杰，缪志强，毛建旭，朱青，张辉，刘敏，钟杭，聂静谋，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43