無人機自動著陸中計算機視覺與激光掃描的應用研究

雷 浩

（廣州市賽皓達智能科技有限公司，廣東 廣州 510000）

無人機自動著陸中計算機視覺與激光掃描的應用研究

雷 浩

（廣州市賽皓達智能科技有限公司，廣東 廣州 510000）

無人機在使用GPS導航的過程當中很容易受到他國的人為干擾，因此具有一定的安全風險，文章提出了一種基于計算機視覺與激光掃描的一種無人機自動著陸技術，這種技術可以實現無人機的全天候自主精確著陸。

無人機；自動著陸；計算機視覺；激光掃描

現階段無人機的主要導航方式，一種是地面或者艦艇上的遙控裝置通過遙感技術所獲得的圖像進行手動導航，另外一種則是無人機的控制裝置通過預先設定相應的程序從而實現自動導航，而在實際的運用過程當中往往采用的是二者相結合的導航方式。無人機在進行遠距離飛行時往往采用的是程序控制進行導航，而如果在近距離飛行時往往采用遙感技術進行導航。當前在無人機導航方面使用最為廣泛的是美國的全球衛星定位系統，該系統可以很容易就被人為干擾，從而造成一定的誤差。

現階段有人飛機的著陸方式存在四種，但是不論是哪種，其隱蔽性都較差，同時由于無人機相比于有人機來說其體型一般都較小，無法按照現階段我國國產的微波雷達設備。1998年俄羅斯的Boguslavskii.I.A.等提出利用激光定位來引導有人飛機的著陸。他們采用CO2激光器發射遠紅外激光，全天候條件下，在4～6km距離內能夠探測到著陸點，指引飛行員駕駛飛機著陸。但是由于無人機無人駕駛，所以還需要研究出針對無人機的總體方案以及對其中的關鍵技術問題進行研究。

1　總體方案的提出

根據以上的國內外研究現狀，提出以GPS導航系統為主，以捷聯慣性導航系統結合主動式紅外激光掃描定位和計算機視覺識別著陸跑道為輔的無人機導航和著陸精確導引方案，實現無人機全天候自主精確著陸。總體方案當中的控制流程如圖1中所示。

圖1　無人機導航和精確著陸總體方案的流程框圖

2　關鍵問題的研究

2.1無人機機載紅外激光掃描系統

在進行無人機機載紅外激光系統設計當中，首先需要確定紅外激光器，在本次研究當中，筆者根據不同波長的光的透光率的差異，選取10.6μm的波長。在確定了紅外激光器之后，我們需要明確激光掃描系統的結構構成，在激光掃描系統當中，首先紅外激光器將激光反射到掃面傳鼓上，同時在電機的帶動之下，掃面轉鼓會發生轉動，在飛機向前前行的時候，激光會以從一定的角度分別對地面進行橫向掃描，從而在地面上形成連續的掃描軌跡。

在實際的掃描過程當中，掃描幅度fk、無人機低空飛行時的高度H、飛行速度V、激光光斑直徑S、掃描探測器的反應時間T、無人機的飛行速度V這些因素共同決定了激光掃面系統當中的掃描速度。即我們可以將紅外激光掃描系統的模型定義為如下的形式：

（1）fk與H的確定。在實際的著陸過程當中，為了尋找合適的著陸點，下降的高度往往需要由著陸切入點、能見度以及導航半徑確定，如果導航的半徑較小，那么掃描的幅寬就越窄，從而導致效率較低。首先假定低空飛行的高度為3km，轉鼓的轉速為為λ，則fk如下所示：

（2）S的確定。在本文當中選擇的激光器為CO2UL，該型號的激光器，發散角為R=5m rad。則S如下所示：

（3）運動規律的研究。根據速度的合成原理，可以得出掃描軌跡如圖2中所示：

圖2　掃描速度和軌跡

（4）掃描速度的確定。在實際的掃描過程當中，掃描軌跡間距不得小于地面上反射裝置之間的距離，只有這樣才能保證地面上的掃描裝置能夠被掃描到。則假設在轉鼓當中相鄰鏡片中心角轉動所需要的時間為T1。

2.2無人機著陸點的激光反射系統的研究

在本次式樣當中我們選擇角錐反射棱鏡作為著陸點激光反射系統當中的反射棱鏡，角錐反射棱鏡的安裝工藝較為簡單，同時也具有較高的反射效率。如上文中所述在實際的掃描過程當中，掃描軌跡間距不得小于地面上反射裝置之間的距離，只有這樣才能保證地面上的掃描裝置能夠被掃描到。反射棱鏡的布局如下圖中所示，下圖當中長臂方向是指跑動的縱向，跑動縱向所需要的尺寸如下下所示：

圖3　角反射棱鏡構成的反射器

在這樣的布局當中我們可以發現，不論激光以何種角度射入，都能夠保證地面上的激光反射器都能夠被掃描到，同時其精確性也不會隨著反射器的具體形狀而產生明顯的差異，從而使得能夠更加精準的確定著陸的切入點。

2.3確定著陸點坐標和著陸跑道方向的研究

（1）確定著陸的坐標。在無人機擬著陸地點放置反射裝置，則無人機就能夠識別出跑道。在放置反射裝置時我們需要明確的是需要將反射裝置安裝在跑道的中點，則無人機就并不需要識別跑道的方向，而只需要識別跑道的位置。假定在進行遠距離的掃描時，透鏡的焦距為15cm，則根據計算機視覺成像的關系可以得出在兩個方面的誤差分別如下文中所示：

通過具體分析我們可以發現，這種誤差是能夠滿足無人機著陸的需求的。

（2）跑道方向的確定。當無人機探測到著陸點后，紅外CCD就會有反射裝置形狀的圖像。通過圖像的識別算法判斷是否是著陸點的反射裝置，若是則以此像的長軸中心線與CCD縱軸（CCD縱軸和飛機縱軸一致）的夾角來得到著陸跑道的方向，調整無人機的航向，再根據無人機著陸曲線就可以指引無人機進場實現著陸。

3　結束語

當前階段無人機在軍事等方面都有著重要的研究，而其導航自動著陸方面還存在著較多的問題，如果不進行相關的完善，則對我國的軍事發展存在著較大的影響。因此，現階段對無人機著陸進行研究具有非常實際的意義。文章采用計算機視覺成像與激光掃描進行自動著陸的方法，希望能對現階段無人機自動著陸的研究有所幫助。

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