基于紅外合作目標(biāo)的無人機(jī)著陸位姿估計(jì)方法研究.pdf

1、視覺引導(dǎo)無人機(jī)著陸是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題，其中位姿估計(jì)是決定無人機(jī)著陸能否成功的關(guān)鍵。本文研究了基于紅外合作目標(biāo)的無人機(jī)著陸位姿估計(jì)方法。
　　首先，研究了攝像機(jī)的投影模型，建立了無人機(jī)視覺著陸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于視覺的無人機(jī)著陸位姿估計(jì)方案。針對現(xiàn)有圖像分割方法對紅外合作目標(biāo)分割效果不理想的問題，采用了一種自適應(yīng)的區(qū)域生長分割方法。即根據(jù)圖像中紅外合作目標(biāo)亮度較高的特點(diǎn)，尋找到包含在合作目標(biāo)上的生長核，建立生

2、長規(guī)則，分割出目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法比傳統(tǒng)的雙otsu法和最大熵法分割效果好，適用性強(qiáng)。
　　然后，對本課題組已有的基于特征線的位姿估計(jì)方法中特征線提取、滾轉(zhuǎn)角和偏航角估計(jì)中存在的不足，進(jìn)行了改進(jìn)研究，即為本文中的基于投影矩陣的無人機(jī)著陸位姿估計(jì)方法。該方法通過分類合作目標(biāo)上各點(diǎn)到T形頂邊的距離，確定合作目標(biāo)的各邊及其角點(diǎn)。另外，研究了滅影線在圖像上可能的兩種位置與滾轉(zhuǎn)角的關(guān)系，解算出了滾轉(zhuǎn)角。用合作目標(biāo)的對稱中心線代替原方法的主

3、軸線以解算出偏航角。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的方法較基于特征線的方法精度提高明顯，魯棒性更高。
　　最后，針對現(xiàn)有的基于投影矩陣的方法存在需要已知攝像機(jī)的焦距信息，且估計(jì)的俯仰角和高度精度不高及其計(jì)算復(fù)雜的問題，提出了基于合作目標(biāo)幾何模型的位姿估計(jì)方法。即分析研究了合作目標(biāo)各個(gè)幾何特征量與無人機(jī)位姿參數(shù)的關(guān)系，建立了位姿關(guān)系的幾何模型。通過解算可獲得無人機(jī)相對合作目標(biāo)著陸所需的全部位姿參數(shù)。
　　兩種方法的對比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于

4、幾何模型方法與投影矩陣方法相比，姿態(tài)角的估計(jì)誤差降低了20％左右，位置誤差降低了40%左右。
　　此外，紅外圖片實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，在30m范圍內(nèi)，基于幾何模型算法的位置參數(shù)估計(jì)精度約為0.8m，即為2.67%；高度和俯仰角的估計(jì)精度分別為0.7m和3°左右。與韓國航天研究中心Lee提出的方法相比：基于幾何模型方法估計(jì)的位姿參數(shù)平均精度較高；同時(shí)無須借助慣導(dǎo)設(shè)備，僅通過視覺系統(tǒng)就可獲取無人機(jī)著陸的全部位姿參數(shù)；并且能夠適應(yīng)于攝像機(jī)變焦