王廣彪，李華偉，丁文銳，李紅光

(1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第54 研究所，石家莊 050081)

0 引 言

艦載無人機(jī)的高性能、低成本和能在惡劣條件下執(zhí)行任務(wù)等特點(diǎn)，使得艦載無人機(jī)的發(fā)展成為一種趨勢(shì)。然而在航母的整個(gè)作戰(zhàn)鏈條中，艦載無人機(jī)的降落是事故率最高的環(huán)節(jié)。這主要是因?yàn)楹Ｉ蠍毫拥淖鲬?zhàn)環(huán)境導(dǎo)致的，所以研究一種能在惡劣環(huán)境下正常工作的輔助導(dǎo)航著艦系統(tǒng)迫在眉睫?，F(xiàn)有的導(dǎo)航方法有:全球定位系統(tǒng)(GPS)［1］、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)［2］、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)［3］及各種方式組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)［4］。其中GPS 受國(guó)外限制，當(dāng)被關(guān)閉或干擾時(shí)，著艦系統(tǒng)的安全性和可靠性受到很大影響;慣性導(dǎo)航存在誤差隨時(shí)間無限增加的問題。相比之下，視覺導(dǎo)航技術(shù)是利用傳感器獲得圖像，通過圖像處理得到無人機(jī)導(dǎo)航定位姿態(tài)參數(shù)，視覺傳感器具有輕便、低功耗和體積小等優(yōu)點(diǎn);此外，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的工作波段遠(yuǎn)離當(dāng)前電磁對(duì)抗的頻率范圍，具有精度適中，成本低等優(yōu)點(diǎn)，采用它獨(dú)立完成或輔助完成無人機(jī)的自主著陸、著艦任務(wù)已成為國(guó)際上的一種發(fā)展趨勢(shì)［5］。然而，以往的研究中均沒考慮艦船在海面上做六自由度的運(yùn)動(dòng)對(duì)視覺導(dǎo)航算法的可靠性和精度的影響［6、7］，還有海上可見度低等惡劣環(huán)境使得著艦過程變得更為危險(xiǎn)。在這種背景下，提出了一種適用于海上惡劣環(huán)境下的無人機(jī)視覺導(dǎo)航著艦方法。

1 概 述

艦載無人機(jī)視覺著艦存在兩個(gè)問題:一是海上可見度低;二是艦船在海面上做六自由度的運(yùn)動(dòng)，對(duì)視覺導(dǎo)航算法的可靠性和精度產(chǎn)生了很大影響。針對(duì)第一個(gè)問題，根據(jù)大氣窗口及透射率特點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)檢測(cè)相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)由五個(gè)分立的、有一定布置特點(diǎn)的紅外圓組成的合作目標(biāo)，根據(jù)理論知識(shí)并考慮一定的余度，設(shè)計(jì)了合作目標(biāo)的位置、大小。針對(duì)第二個(gè)問題，分析了艦船運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型，并根據(jù)簡(jiǎn)化模型提出了基于卡爾曼濾波提高導(dǎo)航精度的新方法。為驗(yàn)證上述兩種解決方案的可行性，設(shè)計(jì)了一套基于上述兩種解決方案的機(jī)艦相對(duì)位姿解算驗(yàn)證系統(tǒng)，總體框架圖如圖1 所示。

圖1 總體框架圖

框架主要分為四部分:合作目標(biāo)設(shè)計(jì)、艦船運(yùn)動(dòng)建模、機(jī)艦相對(duì)位姿解算和方案評(píng)估。涉及四大關(guān)鍵技術(shù):合作目標(biāo)設(shè)計(jì)、合作目標(biāo)識(shí)別定位、艦船運(yùn)動(dòng)建模和卡爾曼濾波進(jìn)行精度補(bǔ)償。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 合作目標(biāo)設(shè)計(jì)

合作目標(biāo)的設(shè)計(jì)包括合作目標(biāo)輻射波段選取、合作目標(biāo)形狀設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)和目標(biāo)位置布置。如圖2 所示。

2.1.1 合作目標(biāo)輻射波段

圖2 合作目標(biāo)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)全天候的艦載無人機(jī)著艦的需求，根據(jù)文獻(xiàn)［7］中研究，選用紅外輻射作為合作目標(biāo)輻射的對(duì)應(yīng)波段，波段選取8 ～12 μm 波段。輻射功率設(shè)計(jì)要求5 km 可以探測(cè)合作目標(biāo)。在8 ～12 μm波段，設(shè)計(jì)合作目標(biāo)2 kW，5 km 處探測(cè)接受功率為0.5 W，滿足紅外相機(jī)探測(cè)要求［8］。故設(shè)計(jì)合作目標(biāo)輻射功率2 kW。

2.1.2 目標(biāo)形狀設(shè)計(jì)

圓形目標(biāo)因其具有的各向同性特性，在處理輪廓模糊的紅外圖像中具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)用重心表征一個(gè)點(diǎn)的位置，增加了算法的魯棒性和精度。同時(shí)，采用N 點(diǎn)算法作為解算機(jī)艦相對(duì)位姿的方法，根據(jù)文獻(xiàn)［9］的分析，為保證實(shí)時(shí)性需求，選用四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行解算。但為了保證合作目標(biāo)快速可靠的識(shí)別，采用五個(gè)獨(dú)立的圓形作為合作目標(biāo)并以特定方式布置在艦船上。解算過程中僅用邊緣的四點(diǎn)進(jìn)行解算，中間點(diǎn)作為輔助識(shí)別定位點(diǎn)。分布圖如圖3 所示。

圖3 合作目標(biāo)布置圖

2.1.3 合作目標(biāo)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［10］研究，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)艦距離1 km時(shí)合作目標(biāo)的可靠識(shí)別，并增加尺度余度，設(shè)計(jì)圓直徑為5 m。

2.1.4 合作目標(biāo)位置布置

如圖3 所示:P3布置在第一根攔阻索和第二根攔阻索中間位置，且在航母橫搖中心軸上。P2、P4與P3共線且平行于攔阻索。P1、P5在P2、P4、P3三點(diǎn)形成的線段的中垂線上。

設(shè)目標(biāo)的探測(cè)距離為S(km)，合作目標(biāo)最小間距為D(m)，為滿足圖像合作目標(biāo)能夠分辨開，根據(jù)瑞利判據(jù)，合作目標(biāo)最小間距D 滿足

式中，φ 為紅外探測(cè)儀最小分辨角，φ =8.79 ×10－3度，當(dāng)探測(cè)距離為1 km 時(shí)，D =1.11 ～1.67 m。選取D=15 m，滿足分辨條件。即P2、P4、P5、P1相距P3分別為15 m、15 m、25 m 和35 m。

2.2 合作目標(biāo)識(shí)別定位

合作目標(biāo)識(shí)別定位分為兩步:一是根據(jù)紅外圖像獲得圖像中各合作目標(biāo)的像點(diǎn)位置;二是根據(jù)像點(diǎn)位置進(jìn)行物像點(diǎn)匹配。

2.2.1 解算合作目標(biāo)像點(diǎn)位置

針對(duì)海上環(huán)境背景單一，提出了一種快速的目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別算法，如圖4 所示。

圖4 合作目標(biāo)識(shí)別定位

首先，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行第一次閾值分割，分離出艦船目標(biāo)和背景圖像;然后對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行第二次閾值分割，并采用腐蝕、膨脹形態(tài)學(xué)方法分離出合作目標(biāo);最后求解每個(gè)紅外圓的重心，用來表征紅外圓的位置。本算法計(jì)算量小，解算實(shí)時(shí)性好，合作目標(biāo)檢測(cè)可靠性高。

2.2.2 物像點(diǎn)匹配

所謂物像點(diǎn)匹配，就是把圖像中的點(diǎn)和艦船上的合作目標(biāo)進(jìn)行一一匹配。合作目標(biāo)之間的距離比例關(guān)系具有仿射變換不變特性，適用于檢測(cè)經(jīng)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)后的合作目標(biāo)。具體算法如下。

(1)選定在同一直線上的三個(gè)點(diǎn)，確定中間點(diǎn)為P3;

(2)分別計(jì)算兩端點(diǎn)到中間點(diǎn)的距離，并進(jìn)行比較;

(3)若距離相等，則證明此兩點(diǎn)為P2、P4;若為此情況，選擇另外在同一直線上的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行步驟2;

(4)若不等，則距離大的為P5，小的為P1，從P1向P5看去，左邊的為P2，右邊的為P4。

經(jīng)過上述判斷即可確定物像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 N 點(diǎn)算法解算機(jī)艦相對(duì)位姿

N 點(diǎn)算法最先由德國(guó)數(shù)學(xué)家Grunert 進(jìn)行了詳細(xì)闡述［11］，隨后用于圖像測(cè)量學(xué)［12］和計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域。用N 點(diǎn)算法解算飛機(jī)位姿的具體過程在文獻(xiàn)［9、13］中，本文不再贅述。

2.4 艦船運(yùn)動(dòng)建模

航空母艦在海浪中由于受到風(fēng)浪等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生各種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。若把航母視為一個(gè)剛體，當(dāng)它在海面上航行時(shí)可產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，如圖5 所示。其中以橫搖、升降和縱搖對(duì)航母的影響最為顯著［14］。

圖5 航母在海上的六自由度運(yùn)動(dòng)

根據(jù)文獻(xiàn)［15］中的研究，對(duì)這三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，如圖6 所示，圖6 中實(shí)直線表示航母質(zhì)心所在的且平行于航母上表面的平面。

圖6 艦船運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型

簡(jiǎn)化模型下，艦船在平衡位置作微幅的簡(jiǎn)諧搖蕩運(yùn)動(dòng)，航母的橫搖角θ、升降高度h 和縱搖角? 滿足式(2)

式中，A、B、C 為橫搖角、升降幅度和縱搖角度的最大值;Tθ、Th、T?為橫搖、升降和縱搖周期;δθ、δh、δ?為隨機(jī)相位。

對(duì)上述兩式離散化采樣，得

則其數(shù)學(xué)期望值［16］為

由式(4)可知橫搖、升降和縱搖三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)抽樣的均值為零，如圖5 中的粗直線狀態(tài)即為均值狀態(tài)。這為下文提到的采用無人機(jī)飛行參數(shù)進(jìn)行精度補(bǔ)償提供了理論根據(jù)。

2.5 卡爾曼濾波進(jìn)行精度補(bǔ)償

海上環(huán)境惡劣，加之艦船的運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)引精度誤差很大，提高精度是非常有必要的。根據(jù)上文提出的簡(jiǎn)化模型，本文提出了一種利用卡爾曼濾波提高精度的方法。產(chǎn)生精度誤差原因分為兩部分，一是在圖像處理時(shí)間Δt 內(nèi)產(chǎn)生的相對(duì)位姿量;二是因艦船橫搖、升降和縱搖造成的位姿偏差量。第一部分采用實(shí)時(shí)運(yùn)算延時(shí)時(shí)間內(nèi)飛機(jī)位移量來補(bǔ)償;第二部分采用卡爾曼算法，具體運(yùn)算表達(dá)式如式(5)。

式中，Pi為由第i 次圖像處理得出的機(jī)艦相對(duì)位姿;Pi′為經(jīng)過卡爾曼濾波后的相對(duì)位姿;qi為經(jīng)過延時(shí)補(bǔ)償后的艦船相對(duì)飛機(jī)的位姿(補(bǔ)償在圖像處理時(shí)間Δt 內(nèi)產(chǎn)生的相對(duì)位姿量);(vx，vy，vz)T為飛機(jī)相對(duì)艦船的速度矢量;Δt 一般較小，位移與速度近似成線性;Δ SΔT(i－1)·i為在從采集第i－1 幀到采集第i幀的時(shí)間間隔內(nèi)機(jī)艦相對(duì)位移矢量變化量;ΔT 為相鄰兩幀采集圖像的時(shí)間間隔。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 方案設(shè)定

實(shí)驗(yàn)采用5 個(gè)合作目標(biāo)作為特征點(diǎn)進(jìn)行解算機(jī)艦相對(duì)位姿。無人機(jī)從距離航母1 km 處以－4°的下滑角著艦，速度為70 m/s，航母以12 m/s 速度向正北方向行駛［17］。法國(guó)“克里蒙梭”號(hào)航母為保證艦載機(jī)在5 ～6 級(jí)海況下進(jìn)行作業(yè)的適航標(biāo)準(zhǔn)為:橫搖最大角度為3°，縱搖最大角度為1.4°，垂直位移最大為2.2 m［18］。選取升降最大幅度為1 m，周期為5 s;最大縱搖角度為0.5°周期為5 s;最大橫搖角為2°，周期為5 s。圖像采集幀率為10 Hz。實(shí)驗(yàn)中機(jī)艦位姿解算方案設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 機(jī)艦相對(duì)位姿解算

其中，圖像處理過程具體流程如圖4 所示，延遲時(shí)間包括圖像處理、物像點(diǎn)匹配和數(shù)據(jù)處理所用時(shí)間;幀間時(shí)間為0.1 s。

經(jīng)圖像處理之后，可以得到合作目標(biāo)重心在圖像坐標(biāo)系中的位置。然后根據(jù)位置關(guān)系判定圖像中的各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真實(shí)合作目標(biāo)點(diǎn)。然后用N 點(diǎn)算法進(jìn)行解算機(jī)艦相對(duì)位姿。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

在Vega Prime 4.1 中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于合作目標(biāo)導(dǎo)航的無人機(jī)著艦視覺導(dǎo)引系統(tǒng)如圖8 所示。機(jī)艦相距不同距離時(shí)無人機(jī)上攝像頭拍攝的視景圖像如圖9 所示。經(jīng)閾值分割后的圖像如圖10 所示。經(jīng)過腐蝕、膨脹形態(tài)學(xué)算法處理后的合作目標(biāo)圖像如圖11 所示。合作目標(biāo)的重心分布圖(圖中白點(diǎn)位置)如圖12 所示。

3.3 結(jié)果及分析

基于上述仿真條件，采用偏差量作為衡量方案可行性的標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果與真實(shí)位姿的偏差量如圖13 所示。

圖13 位姿偏差量

由圖13 可知，橫向、縱向和高度三個(gè)方向位置偏差量均能在2 s 內(nèi)降低至1 m 以內(nèi);滾轉(zhuǎn)角偏差在3.6 s 內(nèi)降低至0.5°以內(nèi);偏航角偏差在2 s 內(nèi)降低至0.5°以內(nèi)，并在4 s 后基本保證在0.2°以內(nèi);俯仰角偏差在1 s 以內(nèi)降至0.5°以內(nèi)，并在6 s 以后降低至0.2°以內(nèi);而且隨著機(jī)艦相對(duì)距離的減小，六自由度方向上的偏差量逐漸減小，精度能夠很快逼向精確值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所涉及方案能夠滿足無人機(jī)著艦要求。

4 結(jié) 語

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)越來越廣泛應(yīng)用于獨(dú)立完成或輔助完成無人機(jī)的自主著陸、著艦任務(wù)中。分析了低可見度和艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)視覺引導(dǎo)方法的影響，并提出了解決方案，最后在Vega Prime 中對(duì)該方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明提出的無人機(jī)著艦視覺引導(dǎo)方法適用于低可見度、運(yùn)動(dòng)艦船上的無人機(jī)著艦。

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