基于视觉的无人机着陆导航

表 1.1 国外典型无人机的起飞着陆方式及导引体制 名称 ”全球鹰” (GlobalHawk) 美国 ”捕食者” (Predator) 美国 ”猎人” 美国 ”影子”600 (Shadow) 美国 ”开拓者” (Pathfinder) ”苍鹭”(Heron) 以色列 太阳能试验无 人机 高空长航时无 人机 轮式起飞着陆 多用途无人机 战术无人机 无人侦察机 轮式起飞着陆 可降落伞紧急 回收 常规起飞着陆 也可伞降回收 轮式起飞着陆 可用降落伞/翼 伞回收 轮式起飞着陆 GPS导航， 遥控/ 预编程控制 惯性导航、 远距 无线电导航系统 或者GPS导航系统 遥控飞行 GPS导航系统 飞行中由预先编 好的程序控制 可收放式起落 架 半自主式飞行 类型 高空长航时无 人驾驶侦察机 起飞/着陆方式 轮式起飞着陆 控制与制导 自动完成从起飞 到着陆的整个过 程GPS/INS导航 GPS/INS导航 其他 两个人负责用 差分GPS指挥自 动起飞和着陆 只需一段大约 700米的平坦地 面就可以起飞
华中科技大学 硕士学位论文 基于视觉的无人机着陆导航 姓名：赵昊昱 申请学位级别：硕士 专业：计算数学 指导教师：李红 20061026
摘
要
计算机视觉由于其经济、 无源、 信息丰富等特点， 成为无人机自主着陆中不可缺 少的重要信息源，利用视觉信息对飞机着陆进行导航已经成为一个崭新的研究课题。 本文以国家自然科学基金项目”基于视觉的无人飞行器自主着陆导引信息实时提取与 转换”为背景，以机载摄像机获得的飞机着陆过程中的机场序列图像为研究对象，研 究利用计算机视觉的理论， 通过数字图像处理方法以及代数与几何知识， 实时提取飞 行参数， 为飞机自主着陆提供导航信息。 本文主要在以下四个方面提出了一些新的方 法和尝试。 首先， 在特征提取阶段， 文中提出了一种局部使用方向小波变换的方法， 该方法 提取出的特征具有信息完整性、 准确性以及抗噪性等特点。 其次， 在直线检测阶段， 文中提出一种基于线性函数与二次函数相结合的预测方 法， 将其与Hough直线检测方法相结合， 大大提高了运算的速度和检测的精度。 在此基础上， 文中提出一种计算飞机飞行参数的新方法， 它克服了传统方法中利 用点对应关系而难于提取特征点的问题， 也不需要人为设置着陆标识， 只需对两条跑 道边线和一条着陆线进行检测， 这些线具有明显的可视性和直线性， 由此可直接算出 飞机的三个姿态角； 也可以利用地平线和跑道边线实现上述目的。 若跑道的宽度是已 知的， 进而可以算出飞机的位置矢量。 最后，本文尝试了一种直接利用图像特征，对飞机的飞行状况进行控制的方法。 在控制调整过程中， 用三次样条插值方法， 利用三次样条的光滑性可以使飞机整个调 整过程能够平稳完成。 理论分析和实验结果表明， 基于视觉的飞机自主着陆导航是可行的， 而且具有一 定的实时性和较高的计算精度， 适合为飞机实时着陆进行导航。 关键词： 无人机 直线检测 着陆导航 飞行参数 计算机视觉 三次样条 方向小波 Hough变换
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学位论文作Байду номын сангаас签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
1 绪论
1.1 无人机应用背景
无人机是一种无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。自从1913年世界第一台 自动驾驶仪问世以来，无人机发展受到许多国家的高度重视，目前无人机已发展 到300多种型号，世界市场上销售的无人机就有40多种。无人机的使用范围也已拓展 至军事、民用和科研三大领域：在军事上，可用于侦察监视、通信中继、电子对抗、 火力制导、战果评估、骚扰诱惑、对地(海)攻击、目标模拟和早期预警等；在民用上， 可用于大地测量、城市环境检测、地球资源勘测和森林防火、农业勘测、交通、民用 导航、环境保护、边境巡逻与控制、自然灾害的监视与救援等；在科研上，可用于大 气研究、 气象观测、 对核生化污染区的采样与监控、 新技术新设备和新飞行器的试验 验证等。 与有人机相比， 无人机具备如下优点:第一， 成本低， 效费比好， 一般成本仅为有 人机的几十分之一甚至几百分之一， 而且其使用维护费用低；第二， 无人员伤亡的风 险，可深入复杂或条件恶劣的地区完成各种风险较高的任务；第三，生存力强，有较 强的突防能力；第四， 机动性好。 因此无人机的研究受到越来越多的国家的重视。在目前无人机技术的研究领域， 美国一直处于领先地位， 以色列紧随其后。我国也已推出过多种型号的无人机， 例如 南航研制的长空一号无人机和北航研制的长虹一号无人机。但与国外的研究成果相 比， 仍处于起步阶段， 还有很多关键技术问题尚在初步的摸索研究中。 无人机在执行任务的整个过程中， 着陆阶段是最为重要的阶段， 为了适应各种应 用环境， 在各种复杂气象条件下(如雪、 雾、 烟等)、 夜间、 简易的前线机场等恶劣条件 下， 无人机都能完成返回着陆任务。因此要求无人机具有全天候、 短距自主起飞和自 主精确进场着陆的能力。
I
Abstract
Computer vision is of the characters of economy, passivity and information abundance. So it has became an indispensable information source in the landing of the unmanned aircraft. This article bases on the national natural and science fond projection, studies the application of the computer vision in the navigation for the unmanned aircraft landing on the airport. In this article, we process the image sequence of the runway which is got from an onboard camera, estimate the attitude and position of the aircraft. At first, in the character detection, this article takes use of the directional wavelets. The characters based on this method are of integrate information, accuracy and antinoise. secondly, in the lines extraction, via a technique integrating the linear and quadratic predictors, Hough transform is utilized to detect the lines. This improves the computing speed and the accuracy. Then we propose a new extraction method of vision-based navigation information for aircraft autonomous landing. It avoids the difficulty of feature points extraction in the traditional method using points correspondence relation. It also doesn’t need to set some artificial landmark. It extracts the two edge lines and the threshold line on the runway only. These lines are obviously visual and straight Then the attitude vector of aircraft is directly calculated. And the position vector of aircraft is computed too if the runway width is known. A complete drive of the algorithm is given based on imaging geometry. In the adjustment, we try to utilize the character of the image to control the flying situation. the Cubic Spline interpolation is used so that the adjustment is smooth and efficient. The theoretical analysis and the experiment result show that the extraction and conversion of vision-based navigation information for aircraft autonomous landing are feasible. It is very simple and has a high precision, so very suitable for a real-time navigation for aircraft landing. Key words: unmanned aircraft rectional wavelets rameters cubic spline landing navigation Hough transform computer vision di-
lines detection
flying pa-
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知， 除文中已标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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1.2 无人机着陆导航基础知识
1.2.1 无人机着陆导航系统种类
为了实现准确着陆，必须由高精度导航系统提供各类飞行信息（速度、姿态、位 置等） ，然后通过飞行控制计算机操作发动机和舵机，控制无人机下滑着陆。几种现 有进场着陆导航体制方案的特点简述如下：
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1. 惯性导航系统(INS): 利用惯性元件来感测飞机或其它载体的运动加速度。经 过积分运算， 从而求出导航参数以确定载体位置。 2. 仪表着陆系统(ILS): 地面设备由两部分组成，它们分别向飞机着陆方向连续 发送两个不同频率的高频无线电调幅波，通过判断两个信号的强度关系以及 利用2-3个距离检测点提供的信息， 指引飞机按预定轨迹降落。 3. 微波着陆系统(MLS): 微波着陆系统是新一代飞机精密引导着陆系统， 它是一 种工作在C 波段的自主式飞机进场着陆系统。该系统与目前使用的仪表着陆 系统相比， 具有覆盖范围宽(方位±40°， 仰角0.9°～15°)、 引导精度高、 进 场方式灵活、 抗干扰能力强等特点 [1] 。 4. 全 球 导 航 定 位 系 统(GPS): 近 十 年 来，随 着GPS应 用 技 术 的 发 展，美 国 及 欧 洲 国 家 在 基 于GPS的 进 场 着 陆 技 术 方 面 进 行 了 大 量 的 研 究 工 作。利 用GPS/DGPS所提供的地心坐标，转换为机场跑道为坐标原点的大地坐标 系，由此可方便地设计出任意一条着陆的空间三维基准路线。GPS具有技术 成熟、 精度高等特点。