基于視覺(jué)輔助技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主著陸系統(tǒng)研究

郭瞻　肖祖銘

摘 要：在本次研究中，筆者主要設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)自主著陸系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中發(fā)揮主要作用的是視覺(jué)技術(shù)。本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，第一部分是硬件平臺(tái)，第二部分則是軟件算法。為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的有效性，筆者開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，最終證明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，最終結(jié)果的精確度也是可以接受的。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)輔助技術(shù)；無(wú)人機(jī)；自主著陸系統(tǒng)

早在20世紀(jì)美國(guó)就開(kāi)始了關(guān)于無(wú)人機(jī)的研究，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在新的時(shí)代背景下，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，無(wú)人機(jī)技術(shù)也變得越來(lái)越成熟。在戰(zhàn)斗中，對(duì)無(wú)人機(jī)而言最為關(guān)鍵的問(wèn)題主要有兩個(gè)：一個(gè)是順利起飛，并按照預(yù)定軌跡進(jìn)場(chǎng)；另一個(gè)問(wèn)題則是任何準(zhǔn)確的開(kāi)展著陸操作。因此，關(guān)于無(wú)人家著陸問(wèn)題的研究是該領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，好多學(xué)者都開(kāi)展了相關(guān)研究，并取得了一定的成果。現(xiàn)階段，隨著視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，好多人開(kāi)始研究如何將視覺(jué)技術(shù)融入無(wú)人機(jī)的著落系統(tǒng)中。基于視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，并收到了人們的重視，在很多領(lǐng)域得到了使用。在本次研究中，筆者首先介紹了基于視覺(jué)技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主著陸系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，接下來(lái)介紹了該系統(tǒng)的軟件算法，最后探討了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，攝像機(jī)的位置是無(wú)人機(jī)的機(jī)頭下部。在無(wú)人機(jī)進(jìn)入著陸狀態(tài)之后，操作人員可以技術(shù)攝像機(jī)獲得相關(guān)信息。通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行一系列的處理，操作人員可以得到關(guān)于無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主著陸。硬件是組成系統(tǒng)的重要部分，筆者在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)選擇的硬件平臺(tái)是基于模擬攝像機(jī)和模擬輸入接口的圖象處理開(kāi)發(fā)模式，這是一種比較常見(jiàn)的硬件平臺(tái)模式。該硬件平臺(tái)可以發(fā)揮的作用主要有四個(gè)：

第一，借助于CCD 相機(jī)獲取機(jī)場(chǎng)中的環(huán)境信息，這是保證后續(xù)工作得到順利開(kāi)展的基礎(chǔ)和前提；

第二，可以對(duì)CCD數(shù)據(jù)執(zhí)行一定的操作，如讀操作和保存操作；

第三，可以處理一些圖像數(shù)據(jù)，從圖像數(shù)據(jù)中獲得需要的信息，從而為確定無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)提供有效依據(jù)；

第四，確保系統(tǒng)可以和飛控計(jì)算機(jī)開(kāi)展一定的數(shù)據(jù)交換操作。在本系統(tǒng)的協(xié)助之下，可以得到關(guān)于無(wú)人機(jī)在著陸過(guò)程中飛行參數(shù)的結(jié)果，之后系統(tǒng)需要將上述參數(shù)評(píng)估結(jié)果傳遞到飛控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的自主控制。

在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，筆者選需要的設(shè)備主要有：圖像處理開(kāi)發(fā)平臺(tái)； CCD 模擬攝像機(jī)；視頻輸入接口；dsp 仿真器；計(jì)算機(jī)一級(jí)監(jiān)視器等。

2 軟件算法構(gòu)成

軟件算法對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常關(guān)鍵的，在無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，傳感器發(fā)揮著重要作用。當(dāng)無(wú)人機(jī)在視覺(jué)導(dǎo)航的范圍之內(nèi)時(shí)，無(wú)人機(jī)上的是攝像機(jī)就開(kāi)始發(fā)揮作用，操作人員可以借助攝像機(jī)了解無(wú)人機(jī)的著陸情況以及著陸跑道的情況等。接下來(lái)通過(guò)一定的算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，從而得到關(guān)于著陸跑道的具體信息，如跑道的邊緣線以及地平線。上述兩項(xiàng)信息是非常有用的，有了上述信息，才能繼續(xù)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。

本文系統(tǒng)的軟件算法主要有下述幾個(gè)部分：

第一，圖像采集與預(yù)處理部分。無(wú)人機(jī)上裝有CCD 攝像機(jī)，這樣操作人員就可以得到一系列的圖像。這些圖像會(huì)傳遞到預(yù)處理結(jié)構(gòu)，這里的預(yù)處理操作主要有兩個(gè)，分別是重采樣，以及高斯金字塔濾波。經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，原來(lái)的圖像就變成了濾波圖像。

第二，飛機(jī)前視場(chǎng)跑道識(shí)別部分。這一部分軟件的主要作用是對(duì)前面得到的預(yù)處理圖像開(kāi)展進(jìn)一步的處理，處理目的是對(duì)跑道區(qū)域進(jìn)行有效的查處，使用的具體處理技術(shù)主要有兩個(gè)：一個(gè)是多尺度模版匹配技術(shù)，另一個(gè)則是支持向量機(jī)技術(shù)。

第三，地平線檢測(cè)部分。該部分的主要功能是對(duì)圖像進(jìn)行切割處理，從而有效的將天空和地面區(qū)別開(kāi)來(lái)，這樣就可以確定地平線。實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)需要借助的主要是模式分類算法。

第四，跑道邊緣線檢測(cè)部分。這一部分的主要功能是確定無(wú)人機(jī)的跑道區(qū)域，需要借助的主要是一些邊緣檢測(cè)算法。

第五，Hough 變換直線檢測(cè)部分。這一部分的主要作用是利用前面兩步得到的結(jié)果確定地平線和跑道邊緣線的直線方程。

第六，著陸參數(shù)估計(jì)部分。這一部分的主要作用是確定無(wú)人機(jī)的參數(shù)，主要有五個(gè)，分別是滾轉(zhuǎn)角、偏航角、俯仰角、距離跑道中線的側(cè)偏距以及單位高度。在獲取上述參數(shù)時(shí)，主要需要視覺(jué)技術(shù)的支持。

3 半物理仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)仿真

結(jié)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的工作之后，接下來(lái)需要做的就是對(duì)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行科學(xué)合理的驗(yàn)證。為了做到這一點(diǎn)，筆者首先建立了半物理仿真平臺(tái)。該平臺(tái)的主要作用是對(duì)無(wú)人機(jī)的進(jìn)場(chǎng)著陸進(jìn)行有效的模擬。仿真平臺(tái)中安裝了攝像頭，從而可以對(duì)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行完整的記錄，并將實(shí)驗(yàn)過(guò)程以實(shí)時(shí)的方式反饋給實(shí)驗(yàn)者，從而方便實(shí)驗(yàn)者更好的掌握實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，通過(guò)一定的算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而確定相關(guān)飛行參數(shù)。本次仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，可以發(fā)揮預(yù)期功能，精確度也是可以接受的。

4 結(jié)語(yǔ)

視覺(jué)技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，就無(wú)人機(jī)領(lǐng)域而言，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)在無(wú)人機(jī)的著陸過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。筆者主要設(shè)計(jì)了一套基于視覺(jué)技術(shù)的無(wú)人機(jī)著陸系統(tǒng)，希望可以為相關(guān)人員帶來(lái)一定的啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：

《基于視覺(jué)輔助技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主著陸系統(tǒng)研究》，GJJ151286

作者簡(jiǎn)介：

郭瞻（1982-），女，本科，江西景德鎮(zhèn)人，景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)電系，副教授，研究方向：汽車電子。