雷 浩

（廣州市賽皓達(dá)智能科技有限公司，廣東 廣州 510000）

無人機(jī)自動(dòng)著陸中計(jì)算機(jī)視覺與激光掃描的應(yīng)用研究

雷 浩

（廣州市賽皓達(dá)智能科技有限公司，廣東 廣州 510000）

無人機(jī)在使用GPS導(dǎo)航的過程當(dāng)中很容易受到他國的人為干擾，因此具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，文章提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺與激光掃描的一種無人機(jī)自動(dòng)著陸技術(shù)，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的全天候自主精確著陸。

無人機(jī)；自動(dòng)著陸；計(jì)算機(jī)視覺；激光掃描

現(xiàn)階段無人機(jī)的主要導(dǎo)航方式，一種是地面或者艦艇上的遙控裝置通過遙感技術(shù)所獲得的圖像進(jìn)行手動(dòng)導(dǎo)航，另外一種則是無人機(jī)的控制裝置通過預(yù)先設(shè)定相應(yīng)的程序從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，而在實(shí)際的運(yùn)用過程當(dāng)中往往采用的是二者相結(jié)合的導(dǎo)航方式。無人機(jī)在進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行時(shí)往往采用的是程序控制進(jìn)行導(dǎo)航，而如果在近距離飛行時(shí)往往采用遙感技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)前在無人機(jī)導(dǎo)航方面使用最為廣泛的是美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以很容易就被人為干擾，從而造成一定的誤差。

現(xiàn)階段有人飛機(jī)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(shí)由于無人機(jī)相比于有人機(jī)來說其體型一般都較小，無法按照現(xiàn)階段我國國產(chǎn)的微波雷達(dá)設(shè)備。1998年俄羅斯的Boguslavskii.I.A.等提出利用激光定位來引導(dǎo)有人飛機(jī)的著陸。他們采用CO2激光器發(fā)射遠(yuǎn)紅外激光，全天候條件下，在4～6km距離內(nèi)能夠探測到著陸點(diǎn)，指引飛行員駕駛飛機(jī)著陸。但是由于無人機(jī)無人駕駛，所以還需要研究出針對無人機(jī)的總體方案以及對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。

1　總體方案的提出

根據(jù)以上的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出以GPS導(dǎo)航系統(tǒng)為主，以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合主動(dòng)式紅外激光掃描定位和計(jì)算機(jī)視覺識別著陸跑道為輔的無人機(jī)導(dǎo)航和著陸精確導(dǎo)引方案，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)全天候自主精確著陸。總體方案當(dāng)中的控制流程如圖1中所示。

圖1　無人機(jī)導(dǎo)航和精確著陸總體方案的流程框圖

2　關(guān)鍵問題的研究

2.1無人機(jī)機(jī)載紅外激光掃描系統(tǒng)

在進(jìn)行無人機(jī)機(jī)載紅外激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先需要確定紅外激光器，在本次研究當(dāng)中，筆者根據(jù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在激光掃描系統(tǒng)當(dāng)中，首先紅外激光器將激光反射到掃面?zhèn)鞴纳?，同時(shí)在電機(jī)的帶動(dòng)之下，掃面轉(zhuǎn)鼓會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在飛機(jī)向前前行的時(shí)候，激光會(huì)以從一定的角度分別對地面進(jìn)行橫向掃描，從而在地面上形成連續(xù)的掃描軌跡。

在實(shí)際的掃描過程當(dāng)中，掃描幅度fk、無人機(jī)低空飛行時(shí)的高度H、飛行速度V、激光光斑直徑S、掃描探測器的反應(yīng)時(shí)間T、無人機(jī)的飛行速度V這些因素共同決定了激光掃面系統(tǒng)當(dāng)中的掃描速度。即我們可以將紅外激光掃描系統(tǒng)的模型定義為如下的形式：

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

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

（3）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。根據(jù)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(shí)際的掃描過程當(dāng)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(shè)在轉(zhuǎn)鼓當(dāng)中相鄰鏡片中心角轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的時(shí)間為T1。

2.2無人機(jī)著陸點(diǎn)的激光反射系統(tǒng)的研究

在本次式樣當(dāng)中我們選擇角錐反射棱鏡作為著陸點(diǎn)激光反射系統(tǒng)當(dāng)中的反射棱鏡，角錐反射棱鏡的安裝工藝較為簡單，同時(shí)也具有較高的反射效率。如上文中所述在實(shí)際的掃描過程當(dāng)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(dāng)中長臂方向是指跑動(dòng)的縱向，跑動(dòng)縱向所需要的尺寸如下下所示：

圖3　角反射棱鏡構(gòu)成的反射器

在這樣的布局當(dāng)中我們可以發(fā)現(xiàn)，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(shí)其精確性也不會(huì)隨著反射器的具體形狀而產(chǎn)生明顯的差異，從而使得能夠更加精準(zhǔn)的確定著陸的切入點(diǎn)。

2.3確定著陸點(diǎn)坐標(biāo)和著陸跑道方向的研究

（1）確定著陸的坐標(biāo)。在無人機(jī)擬著陸地點(diǎn)放置反射裝置，則無人機(jī)就能夠識別出跑道。在放置反射裝置時(shí)我們需要明確的是需要將反射裝置安裝在跑道的中點(diǎn)，則無人機(jī)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(jìn)行遠(yuǎn)距離的掃描時(shí)，透鏡的焦距為15cm，則根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺成像的關(guān)系可以得出在兩個(gè)方面的誤差分別如下文中所示：

通過具體分析我們可以發(fā)現(xiàn)，這種誤差是能夠滿足無人機(jī)著陸的需求的。

（2）跑道方向的確定。當(dāng)無人機(jī)探測到著陸點(diǎn)后，紅外CCD就會(huì)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(diǎn)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(jī)縱軸一致）的夾角來得到著陸跑道的方向，調(diào)整無人機(jī)的航向，再根據(jù)無人機(jī)著陸曲線就可以指引無人機(jī)進(jìn)場實(shí)現(xiàn)著陸。

3　結(jié)束語

當(dāng)前階段無人機(jī)在軍事等方面都有著重要的研究，而其導(dǎo)航自動(dòng)著陸方面還存在著較多的問題，如果不進(jìn)行相關(guān)的完善，則對我國的軍事發(fā)展存在著較大的影響。因此，現(xiàn)階段對無人機(jī)著陸進(jìn)行研究具有非常實(shí)際的意義。文章采用計(jì)算機(jī)視覺成像與激光掃描進(jìn)行自動(dòng)著陸的方法，希望能對現(xiàn)階段無人機(jī)自動(dòng)著陸的研究有所幫助。

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