肖思宇

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333000）

艦載型無人機(jī)可執(zhí)行綜合偵察、輔助探潛、通信中繼、電磁對(duì)抗、應(yīng)急保障等任務(wù),具有低成本、長續(xù)航、用途廣的優(yōu)勢,在海軍作戰(zhàn)體系中扮演越來越重要的角色[1,2]。受海上環(huán)境和艦船自身運(yùn)動(dòng)的影響,艦載型無人機(jī)著艦階段事故率最高,因此自主著艦技術(shù)的發(fā)展非常關(guān)鍵。目前國內(nèi)外常用的無人機(jī)導(dǎo)航方式有：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)[3,4]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差隨時(shí)間積累,GPS抗干擾能力差,均不能滿足復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中艦載型無人機(jī)自主著艦的需求,而視覺導(dǎo)航系統(tǒng)能夠自主輸出無人機(jī)速度和航向的控制量,能耗低、抗干擾能力強(qiáng)、精確度高,與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比更適合艦載型無人機(jī)完成自主著艦任務(wù)。

基于位置的伺服控制技術(shù)和基于圖像的伺服控制技術(shù)是常用的無人機(jī)視覺導(dǎo)航技術(shù)[5-7]?；谖恢盟欧姆椒ㄊ歉鶕?jù)相機(jī)解算出無人機(jī)與合作標(biāo)志的相對(duì)位置,再根據(jù)相對(duì)位置控制無人機(jī)的航向和速度,實(shí)現(xiàn)自主著艦。而基于圖像伺服的方法則是根據(jù)視覺輔助裝置采集合作標(biāo)志的圖像特征直接得到無人機(jī)的航向和速度控制量,提高了控制的時(shí)效性和準(zhǔn)確度,因此本文選用基于圖像伺服的控制方法。

1 無人機(jī)著艦過程

艦載型無人機(jī)進(jìn)近段著艦過程如圖1 所示,無人機(jī)距離艦船1km 左右時(shí),INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)及艦船著艦引導(dǎo)系統(tǒng)給出無人機(jī)控制指令,使得無人機(jī)向艦船位置飛行。無人機(jī)降低自身高度的同時(shí)縮短與艦船的相對(duì)距離,當(dāng)無人機(jī)抵達(dá)艦船上方50m 左右的著艦點(diǎn)時(shí),進(jìn)入自主著艦?zāi)Ｊ?視覺輔助裝置的相機(jī)模塊提取合作標(biāo)志圖像信息后給出導(dǎo)航控制指令,控制無人機(jī)降落到艦船指定位置。

圖1 艦載型無人機(jī)進(jìn)近段著艦過程

1.1 合作標(biāo)志

合作標(biāo)志是自主著艦技術(shù)的重要組成部分,直接影響視覺輔助裝置控制無人機(jī)的精確性[8-9]。在無人機(jī)降落過程中,視覺輔助裝置視場不斷減小,應(yīng)該確保在降落過程中相機(jī)視場始終能覆蓋輔助標(biāo)識(shí),且在光強(qiáng)較弱的環(huán)境下相機(jī)能夠識(shí)別合作標(biāo)識(shí),因此選用嵌套式的合作標(biāo)志,并且合作標(biāo)志能夠被紅外相機(jī)識(shí)別,合作標(biāo)志如圖2 所示。在無人機(jī)自主著艦過程中,相機(jī)模塊優(yōu)先提取大合作標(biāo)志的圖像信息,在無人機(jī)高度下降過程中,當(dāng)相機(jī)視場不能覆蓋大合作標(biāo)志時(shí),相機(jī)模塊提取小合作標(biāo)志的圖像信息,嵌套式的合作標(biāo)志很好的滿足了自主著艦過程中相機(jī)提取圖像信息的需求。

圖2 合作標(biāo)志

1.2 基于圖像伺服的導(dǎo)航原理

基于圖像伺服的導(dǎo)航原理如圖3 所示,視覺輔助裝置采集合作標(biāo)志的圖像并提取像素特征,視覺處理終端解算提取的圖像特征與期望圖像特征的偏差得到無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)調(diào)整策略,輸出四維速度控制量（X,Y,Z 方向的線速度和偏航角速度）,對(duì)無人機(jī)的飛行速度和航向進(jìn)行伺服控制。通過控制無人機(jī)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),使得無人機(jī)降落到指定位置。

圖3 基于圖像的視覺伺服控制

2 視覺輔助裝置

視覺輔助裝置樣機(jī)包括視覺處理終端、可見光相機(jī)、紅外相機(jī)等模塊。關(guān)于相機(jī)模塊,可見光相機(jī)采集的圖像視頻分辨率不低于1920×1080 像素,紅外相機(jī)采集的圖像視頻分辨率不低于1280×720 像素。視覺處理終端應(yīng)滿足重量較輕且功耗較低的要求,能夠?qū)崟r(shí)接收并處理相機(jī)模塊的圖像信息,監(jiān)控?zé)o人機(jī)著艦的狀態(tài)并向無人機(jī)飛控系統(tǒng)和測控系統(tǒng)傳遞控制指令。視覺輔助裝置樣機(jī)如圖4 所示。

圖4 視覺輔助裝置樣機(jī)

無人機(jī)自主降落的具體過程如圖5 所示。首先根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的不同,分別選擇兩種不同相機(jī)采集合作標(biāo)志的圖像信息：當(dāng)光照條件較好時(shí),選擇可見光相機(jī)；當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí),則選擇紅外相機(jī)。視覺輔助裝置控制相機(jī)采集圖像特征,再利用提取圖像特征與期望圖像特征的偏差控制無人機(jī)X、Y 方向的速度和偏航角,當(dāng)無人機(jī)X、Y方向位置和偏航角的誤差小于設(shè)定閾值時(shí),認(rèn)為無人機(jī)與合作標(biāo)志對(duì)齊,輸出Z 方向的速度控制量,開始降低高度的過程,同時(shí)繼續(xù)維持X、Y 方向的控制。

圖5 無人機(jī)自主降落的控制過程

3 自主降落試驗(yàn)

在Gazebe 軟件中構(gòu)建海洋環(huán)境,海洋環(huán)境模型包含浪、風(fēng)、霧、照明環(huán)境的模擬,控制仿真無人機(jī)模型在不同環(huán)境中降落在艦船模型上,完成基于圖像伺服的自主著艦技術(shù)仿真驗(yàn)證后,研制了視覺輔助裝置樣機(jī),并掛載在六旋翼無人機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,包含地面自主降落試驗(yàn)和艦面模擬臺(tái)自主降落試驗(yàn),掛載視覺輔助裝置樣機(jī)的六旋翼無人機(jī)如圖6 所示。

圖6 六旋翼無人機(jī)掛載視覺輔助裝置樣機(jī)

3.1 地面自主降落試驗(yàn)

在地面放置合作標(biāo)志,六旋翼無人機(jī)掛載視覺輔助裝置樣機(jī)懸停在合作標(biāo)志上方50m 左右的位置,與合作標(biāo)志正中心偏離不超過2m,模擬艦載型無人機(jī)著陸過程。當(dāng)降落高度在50m 左右時(shí),無人機(jī)均能成功自主降落在合作標(biāo)志上。降落點(diǎn)偏差即無人機(jī)降落點(diǎn)中心位置與合作標(biāo)志中心位置的偏差,偏差值如表1 所示,多次試驗(yàn)結(jié)果表明,視覺輔助樣機(jī)能夠控制無人機(jī)自主降落在合作標(biāo)志上,降落點(diǎn)偏差不超過0.15m,滿足安全著陸的要求。

表1 不同高度自主降落的降落點(diǎn)偏差

3.2 艦面模擬臺(tái)自主降落試驗(yàn)

海面上風(fēng)浪導(dǎo)致艦船出現(xiàn)縱搖、橫搖、縱蕩、橫搖、沉浮和艏搖現(xiàn)象,艦船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著海況等級(jí)的提升而加大,嚴(yán)重影響無人機(jī)的著艦安全[10,11]。其中橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)著艦安全威脅最大,參照法國“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)：橫搖最大角度為3°,縱搖最大角度為1.4°,垂直位移最大為2.2m[12,13]。采用艦面模擬臺(tái)模擬艦船甲板的運(yùn)動(dòng),設(shè)置最大橫搖角為5°,最大縱搖角度為2.5°。選用六自由度搖擺試驗(yàn)臺(tái)作為艦面模擬臺(tái),如圖7 所示。六旋翼無人機(jī)掛載視覺輔助樣機(jī)懸停在著艦?zāi)M臺(tái)上方50m 左右的位置,與合作標(biāo)志正中心偏離不超過2m,模擬艦載型無人機(jī)著陸過程。

圖7 艦面模擬臺(tái)

當(dāng)無人機(jī)降落高度為50m 左右時(shí),無人機(jī)均成功自主降落在艦面模擬臺(tái)合作標(biāo)志上,降落點(diǎn)偏差如表2 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)艦面模擬臺(tái)橫搖角不超過5°,縱搖角度不超過2.5°,視覺輔助裝置樣機(jī)能夠控制無人機(jī)準(zhǔn)確地降落在合作標(biāo)志上,降落點(diǎn)偏差不超過0.2m,能夠滿足安全著艦的要求。

表2 不同高度自主降落的降落點(diǎn)偏差

4 結(jié)論

針對(duì)無人機(jī)自主著艦問題,本文采用了基于圖像伺服控制的無人機(jī)自主著艦方法,選用嵌套式的合作標(biāo)志,研制了視覺輔助裝置樣機(jī)。六旋翼無人機(jī)掛載視覺輔助裝置樣機(jī)進(jìn)行自主著陸試驗(yàn)和艦面模擬臺(tái)降落試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)艦面模擬臺(tái)最大橫搖角為5°及最大縱搖角度為2.5°時(shí),視覺輔助裝置樣機(jī)能夠控制無人機(jī)完成自主降落。