專利名稱：基于自然地標(biāo)和視覺導(dǎo)航的無人直升機(jī)自主著陸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于直升機(jī)自主著陸的方法，能夠方便、準(zhǔn)確、安全地引導(dǎo)直升機(jī)自主著陸。
主要應(yīng)用在航空航天、無人機(jī)和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無人直升機(jī)的著陸是一個(gè)危險(xiǎn)的過程，目前多為人工控制。由于無人直升機(jī)通常為垂直降落方式，如果在降落時(shí)無人直升機(jī)有水平速度，則極易發(fā)生滑移，甚至翻覆。因此要使無人直升機(jī)在飛行控制計(jì)算機(jī)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定位和基于地面信號(hào)布的視覺導(dǎo)航方法，使無人直升機(jī)消除水平位移。GPS信號(hào)容易受建筑物和樹叢的遮擋。無人直升機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中(樓群，樹叢中， 甚至室內(nèi))降落時(shí)，可能會(huì)因GPS信號(hào)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(jī)密切相關(guān)。普通GPS接收機(jī)精度僅為米級(jí)。而高精度GPS接收則價(jià)格昂貴。這些因素限制了基于GPS的自主著陸功能的實(shí)現(xiàn)?；诘孛嫘盘?hào)布的視覺導(dǎo)航通常需要地面實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)著陸指示信號(hào)布。無人直升機(jī)通過識(shí)別信號(hào)布的圖像，修正自身的水平位移和航向，從而保持對該信號(hào)布的水平靜止。然而在無人直升機(jī)著陸前鋪設(shè)信號(hào)布，不僅耗費(fèi)人力和具有一定危險(xiǎn)性，而且降低無人直升機(jī)的機(jī)動(dòng)能力。本發(fā)明利用無人直升機(jī)上通常配備的機(jī)載攝像機(jī)和飛行控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)的原理，通過鎖定地面上的自然地標(biāo)，實(shí)現(xiàn)著陸過程中的定位功能，從而保證直升機(jī)的安全著陸。與采用GPS定位的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是精度高，工作可靠，并且不受周圍環(huán)境的限制。與采用信號(hào)布指示的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)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(biāo)鎖定水平位移。因此，無需事先在地面鋪設(shè)著陸指示信號(hào)布，從而降低地勤保障工作，并顯著增強(qiáng)無人直升機(jī)的機(jī)動(dòng)能力。由于本發(fā)明僅通過算法實(shí)現(xiàn)功能，而無需添加額外的硬件，因此不會(huì)增加無人直升機(jī)的起飛重量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于安全地實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)自主著陸的方法。本發(fā)明的特征在于，含有無人直升機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、磁航向傳感器、高度計(jì)和機(jī)載攝像機(jī)，其中在無人直升機(jī)自主著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)通過實(shí)時(shí)讀取磁航向傳感器的數(shù)據(jù)，控制并保持直升機(jī)的航向不變，同時(shí)機(jī)載攝像機(jī)持續(xù)地拍攝的地面圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送給飛行控制計(jì)算機(jī)；飛行控制計(jì)算機(jī)在圖像中搜索特征明顯的地面自然地標(biāo)，并檢測該自然地標(biāo)在機(jī)載攝像機(jī)圖像中的運(yùn)動(dòng)速度；由于地面上的自然地標(biāo)與直升機(jī)是相對運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，因此可以間接測量得到直升機(jī)相對地面的水平移動(dòng)速度；飛行控制計(jì)算機(jī)根據(jù)無人直升機(jī)相對地面的水平移動(dòng)速度，實(shí)時(shí)修正俯仰和滾轉(zhuǎn)控制指令，使無人直升機(jī)始終保持在該自然地標(biāo)的上空；由此， 直升機(jī)的水平飛行速度為零，同時(shí)在高度計(jì)的引導(dǎo)下，飛行控制計(jì)算機(jī)通過減小無人直升機(jī)的總距，使無人直升機(jī)緩慢下降高度，直至著陸；在整個(gè)著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)通過鎖定地面自然地標(biāo)，而使無人直升機(jī)不出現(xiàn)水平移動(dòng)；因此無人直升機(jī)在觸地時(shí)不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)甚至翻覆，可以安全地完成自主著陸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于指示精確，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)范圍寬；僅通過算法實(shí)現(xiàn)功能，不需要額外的硬件，從而不增加無人直升機(jī)的起飛重量。


圖1是基于自然地標(biāo)和視覺導(dǎo)航的無人直升機(jī)自主著陸方法的原理圖。圖中1.無人直升機(jī)，2.飛行控制計(jì)算機(jī)，3.磁航向傳感器，4.高度計(jì)，5.機(jī)載攝像機(jī)，6.地面的自然地標(biāo)。
具體實(shí)施例方式基于自然地標(biāo)和視覺導(dǎo)航的無人直升機(jī)自主著陸方法主要由無人直升機(jī)(1)、飛行控制計(jì)算機(jī)(2)、磁航向傳感器(3)、高度計(jì)(4)和機(jī)載攝像機(jī)(5)組成。在無人直升機(jī)(1)自主著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)(2)通過實(shí)時(shí)讀取磁航向傳感器(3)的數(shù)據(jù)，控制并保持直升機(jī)的航向不變。同時(shí)，機(jī)載攝像機(jī)(5)持續(xù)地拍攝地面圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送給飛行控制計(jì)算機(jī)(1)。飛行控制計(jì)算機(jī)(1)在圖像中搜索特征明顯的地面自然地標(biāo)，并檢測該自然地標(biāo)在圖像中的運(yùn)動(dòng)速度。由于地面上的自然地標(biāo)與直升機(jī)是相對運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，因此可以間接測量得到直升機(jī)相對地面的水平移動(dòng)速度。飛行控制計(jì)算機(jī)(2)根據(jù)無人直升機(jī)(1)相對地面的水平移動(dòng)速度，實(shí)時(shí)修正俯仰和滾轉(zhuǎn)控制指令，使無人直升機(jī)(1)始終保持在該自然地標(biāo)的上空。由此，直升機(jī)的水平飛行速度為零。在高度計(jì)(4)的引導(dǎo)下，飛行控制計(jì)算機(jī)(2)通過減小 無人直升機(jī)(1)的總距，使
無人直升機(jī)緩慢下降高度，直至著陸。在整個(gè)著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)(2)通過鎖定地面自然地標(biāo)(6)，使無人直升機(jī)不出現(xiàn)水平移動(dòng)。因此無人直升機(jī)在觸地時(shí)不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)甚至翻覆之情況，可以安全地實(shí)現(xiàn)自主著陸。
權(quán)利要求
1.基于自然地標(biāo)和視覺導(dǎo)航的無人直升機(jī)自主著陸方法，其特征在于，含有無人直升機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、磁航向傳感器、高度計(jì)和機(jī)載攝像機(jī)，其中在無人直升機(jī)自主著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)通過實(shí)時(shí)讀取磁航向傳感器的數(shù)據(jù)，控制并保持直升機(jī)的航向不變，同時(shí)機(jī)載攝像機(jī)持續(xù)地拍攝的地面圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送給飛行控制計(jì)算機(jī)；飛行控制計(jì)算機(jī)在圖像中搜索特征明顯的地面自然地標(biāo)，并檢測該自然地標(biāo)在機(jī)載攝像機(jī)圖像中的運(yùn)動(dòng)速度；由于地面上的自然地標(biāo)與直升機(jī)是相對運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，因此可以間接測量得到直升機(jī)相對地面的水平移動(dòng)速度；飛行控制計(jì)算機(jī)根據(jù)無人直升機(jī)相對地面的水平移動(dòng)速度，實(shí)時(shí)修正俯仰和滾轉(zhuǎn)控制指令，使無人直升機(jī)始終保持在該自然地標(biāo)的上空；由此，直升機(jī)的水平飛行速度為零，同時(shí)在高度計(jì)的引導(dǎo)下，飛行控制計(jì)算機(jī)通過減小無人直升機(jī)的總距，使無人直升機(jī)緩慢下降高度，直至著陸；在整個(gè)著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)通過鎖定地面自然地標(biāo)，而使無人直升機(jī)不出現(xiàn)水平移動(dòng)；因此無人直升機(jī)在觸地時(shí)不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)甚至翻覆，可以安全地完成自主著陸。
全文摘要
基于自然地標(biāo)和視覺導(dǎo)航的無人直升機(jī)自主著陸方法屬于無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，含有無人直升機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)、磁航向傳感器、高度計(jì)和機(jī)載攝像機(jī)，其中在無人直升機(jī)自主著陸的過程中，飛行控制計(jì)算機(jī)通過實(shí)時(shí)讀取磁航向傳感器的數(shù)據(jù)，控制并鎖定直升機(jī)的航向；通過修正俯仰和滾轉(zhuǎn)控制指令，鎖定地面自然地標(biāo)在機(jī)載攝像機(jī)圖像中的運(yùn)動(dòng)，從而消除無人直升機(jī)的水平位移；通過實(shí)時(shí)讀取高度計(jì)的數(shù)據(jù)，控制直升機(jī)的下降速度，直至安全著陸。本發(fā)明同時(shí)利用計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)航功能、磁航向傳感器和高度計(jì)，可以精確、安全、可靠地引導(dǎo)無人直升機(jī)完成自主著陸。
文檔編號(hào)G05D1/12GK102156480SQ201010623599
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者朱紀(jì)洪, 王冠林 申請人:清華大學(xué)