基于視覺預瞄的無人機自主駛入駛出

周川翔

航空工業成都飛機設計研究所，四川成都，610091

0 引言

對于三點起落架布局的輪式無人機，地面滑行階段是一個完整飛行任務中的關鍵部分。駛入階段對應無人機進行起飛滑跑前，從機庫駛出滑行至機場跑道起飛指定點的過程；駛出階段對應無人機完成著陸后，從跑道當前位置滑行至機庫的過程。傳統無人機自主駛入駛出的控制方法依賴于預先設置的一系列機場駛入駛出特征點，這些特征點與無人機的相對位置關系依賴于差分GPS進行定位。當無人機在無法使用GPS衛星定位的情況下，只能由地面牽引車將飛機從當前位置拖動至指定位置，致使跑道利用率大幅降低。

基于視覺循跡的無人機自主駛入駛出方法與飛行員早期操縱飛機駛入駛出方法類似，飛行員在地面通過視覺直接判斷飛機與引導線的偏離情況，進而控制前輪轉角，使飛機始終沿引導線滑行。

1 無人機地面簡易模型

對于三點起落架布局的輪式無人機駛入駛出階段，無人機速度相對較低，此時方向舵效率不足，因此多采用前輪轉向進行側向控制。無人機地面滑行轉彎半徑是駛入駛出階段的一個重要參數，轉彎半徑會直接影響到無人機在地面循跡過程的控制精度。當無人機在地面轉彎滑行時，其向心力是由地面作用在機輪上的側向力提供的。在不考慮機輪偏滾和無人機側滑的情況下，無人機前輪轉彎時的幾何關系如圖1所示。

圖1中，δ為前輪轉角，ω為等效轉向角，a為無人機起落架前輪到無人機質心距離，b為起落架主輪到無人機質心距離，B為起落架主輪距[1]。

由圖1中幾何關系可近似計算出無人機在地面內外側主輪轉彎半徑存在下式關系：

以某三點起落架布局的輪式無人機為例，地面轉彎過程中，主輪內側和外側所對應的轉彎半徑與前輪轉角關系如圖2所示。

假設無人機在行駛過程中，x，y分別是機體坐標系下的縱軸（機頭指向）和橫軸，在某一時刻t，在Oy軸上重心處速度的分量為vy，相應的Ox軸上的分量為vx；在t+Δt時刻，可以將沿著Ox軸的速度分量的變化表示如下：

上式中因為Δθ很小，所以可以進行簡化。在有限時間內取極限，可以得到無人機絕對加速度在機體坐標系Ox軸上的分量，同理也可獲得Oy軸上的分量，整理為如下式形式：

前輪和主輪側偏角可分別表示為：

式中，Cn，Cm分別為前輪和主輪的側偏剛度。

整理可得到無人機地面二自由度動力學微分方程為：

式中，IZ為無人機地面繞z軸轉動慣量。

2 基于單點預瞄的前饋控制器設計

基于單點預瞄的循跡方法與飛行員的控制飛機駛入或駛出的行為相似，即飛行員會根據前方引導線的情況并結合其他一些影響因素尋找出一個理想的預瞄距離，并計算出引導線上與預瞄點距離最近的一個目標點與預瞄點之間的距離，這個距離稱為預瞄偏差。預瞄偏差可以通過對視覺成像進行坐標轉化后反算得到[2]。

首先對坐標系進行定義，由于相機一般固定安裝于無人機機體水平中心上，且與機體坐標系中心位置偏差較小，因此定義相機視覺坐標系（C系）為：原點OC在相機光心，光軸為OCZC軸，OCXCYC平面與光軸垂直，與成像平面平行。

定義像素坐標系（Op－uv）：在相機視覺坐標系中（C系）存在點P（XC，YC，ZC），通過透鏡投影點P在成像平面存在成像點P，在像素坐標系中它的坐標為（u，v）（圖3）。其中像素坐標系反映的是像素點的排列狀況，不屬于物理單位[3]。

設點P在相機視覺坐標系內坐標為（xC，yC，zC），點P′在像素坐標系內為（u，v）。由相似三角形的定理，可以得到如下關系式：

由此可以建立相機視覺坐標系到像素坐標系的轉化：

上式中，dx，dy為每個像素的物理尺寸，u0，v0為光軸中心的坐標，f為相機焦距，均為相機固有屬性。

記預瞄點在像素坐標系和相機坐標系下坐標分別為（u1，v1）和（x1，y1，z1），由式可以得到如下等式：

其中y1可看作相機安裝位置離地面高度，由此解出相機坐標系下預瞄點坐標（x1，y1，z1），同理可解算出目標點坐標，即可計算得到預瞄偏差和預瞄距離[4]。

如圖4所示，即所選取預瞄點與當前預期軌跡的橫向偏差為ye，假設無人機在偏轉前輪行駛的過程中保持穩定，由于前輪轉角δ可以通過橫向速度vy與重心橫擺角速度ω表示，因此可以構造vy和ω的函數如下所示：

由此前輪轉角δ與預瞄偏差ye之間的傳遞函數可以表示為如下：

按文獻中的方法對上式進行簡化，得到：

圖5即為基于視覺預瞄的無人機前輪閉環控制架構圖。實際無人機在駛入駛出過程中，預瞄點的選擇還應當結合無人機地面轉彎半徑：當無人機轉彎半徑較大時，應當選擇較遠預瞄點；當無人機轉彎半徑較小時，可以選擇較近預瞄點[5]。

3 視覺預瞄控制仿真分析

為了驗證視覺預瞄控制方法的可行性，建立了無人機地面模型進行仿真驗證。本文以無人機駛入跑道過程為例，假定機場駛入引導線連續且無分叉，且駛入過程無高度變化。如圖6所示粗實線為駛入引導線，駛入起點為坐標原點（0,0），駛入終點為（800,650）。無人機初始速度為10m/s，分別選取預瞄距離為50m和100m進行仿真。

可以看出當預瞄距離選擇為100m時，駛入效果較好。

4 結論

本文針對GPS拒止環境下，三點起落架布局的輪式無人機駛入駛出困難的問題，提出了一種基于視覺預瞄的自主駛入駛出方法。通過建立無人機地面二自由度模型，設計了視覺預瞄的無人機前輪轉彎控制方法，并進行了仿真。仿真結果表明，選擇合適的預瞄距離，該控制方法能夠有效控制無人機完成駛入駛出。