姜珺珺

(江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098)

0 引 言

無(wú)人機(jī)由于具有體積小、成本低、對(duì)工作環(huán)境要求低等特點(diǎn)，在軍事、民用等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在軍事方面，由于無(wú)人機(jī)體積小，不易被發(fā)現(xiàn)，主要用于偵察、監(jiān)視、追蹤等工作。在民用方面，由于無(wú)人機(jī)可以在較為惡劣的環(huán)境下工作，主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、地形測(cè)繪、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域。

無(wú)人機(jī)不僅可以在陸地上工作，還可以在艦船上完成各項(xiàng)任務(wù)，比如探測(cè)海洋信息、監(jiān)測(cè)海面險(xiǎn)情等。無(wú)論是在陸地上，還是在艦船上，無(wú)人機(jī)的回收是非常重要的一項(xiàng)工作，常用的回收方式有降落傘回收、撞網(wǎng)回收、鉤繩回收[1]。這幾種回收方式在很大程度上都屬于被動(dòng)式方法，對(duì)無(wú)人機(jī)本身以及機(jī)載的儀器都會(huì)造成一定的損傷。因此，研發(fā)無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng)。

目前，無(wú)人機(jī)自主降落系統(tǒng)主要包括陸地上的自主著陸系統(tǒng)和艦船上的自主著艦系統(tǒng)。相較于著陸，由于艦船面積有限、艦船運(yùn)動(dòng)、海洋情況以及天氣等各方面的影響，無(wú)人機(jī)的著艦難度更大。本文基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)自主著艦系統(tǒng)。

1 無(wú)人機(jī)著艦中的坐標(biāo)系及關(guān)鍵參數(shù)

無(wú)人機(jī)著艦的過(guò)程大概可以分為待機(jī)階段、進(jìn)近階段、下降階段，如圖1所示。在著艦的整個(gè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)從進(jìn)近階段進(jìn)入下降階段前，會(huì)經(jīng)過(guò)攝像機(jī)捕捉區(qū)域，進(jìn)入該區(qū)域后，視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)捕捉到無(wú)人機(jī)，實(shí)時(shí)發(fā)送船艦位置信息至無(wú)人機(jī)，并根據(jù)位置信息、海洋環(huán)境參數(shù)等設(shè)計(jì)著艦軌跡。無(wú)人機(jī)沿著預(yù)定著艦軌跡下降，并根據(jù)控制系統(tǒng)生成的控制指令，對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，降落至預(yù)定著艦點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)安全著艦。

圖1 艦載無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程Fig.1 The process of landing a ship-borne unmanned aerial vehicle

無(wú)人機(jī)著艦的視覺(jué)引導(dǎo)中需要用到3個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，如圖2所示[2]。

圖2 視覺(jué)導(dǎo)航中的坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate system in visual navigation

世界坐標(biāo)系（Xw，Yw，Zw）一般情況下是在物體和攝像機(jī)當(dāng)成一個(gè)整體考慮時(shí)定義的，攝像機(jī)坐標(biāo)系（Xc，Yc，Zc）是以攝像機(jī)光心為原點(diǎn)，Zc與攝像機(jī)的光軸O′Ow重合，Oc是光軸的中心。平面S和S′分別為圖像的正片與負(fù)片的位置，U和V分別為像素在數(shù)字圖像中的列數(shù)和行數(shù)。攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：

其中：f為攝像機(jī)焦距；（u0，v0）為原點(diǎn)O的坐標(biāo)；（u，v）為像素坐標(biāo)。

在無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程中，需要根據(jù)環(huán)境情況實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)姿態(tài)，關(guān)于無(wú)人機(jī)姿態(tài)角的定義如圖3所示[2–3]。

圖3 視覺(jué)導(dǎo)航中的姿態(tài)角Fig.3 Attitude angle in visual navigation

滾轉(zhuǎn)角?是指無(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系（由于攝像機(jī)是裝載在無(wú)人機(jī)上的，無(wú)人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系就是攝像機(jī)坐標(biāo)系）OcYc軸和世界坐標(biāo)系OWZw軸之間的夾角；偏航角α是指機(jī)體坐標(biāo)系中OcZc軸在世界坐標(biāo)系中的投影和OWYw的夾角；俯仰角?是指機(jī)體坐標(biāo)系中OcZc軸與世界坐標(biāo)系中對(duì)面所成的夾角。

2 無(wú)人機(jī)自主著艦系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，而是由地面控制系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)組成。地面控制系統(tǒng)包括無(wú)線電控制、GPS導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理；信息采集系統(tǒng)包括攝像機(jī)、傳感器等；飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)包括傳感器、信號(hào)處理、飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)等。

本文基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建了一種無(wú)人機(jī)自主著艦系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括視覺(jué)引導(dǎo)模塊和無(wú)人機(jī)控制模塊。在建立了艦船運(yùn)動(dòng)模型的前提下，視覺(jué)引導(dǎo)模塊根據(jù)艦船運(yùn)動(dòng)模型提供的艦船運(yùn)動(dòng)信息，結(jié)合攝像機(jī)捕捉的圖像，對(duì)著艦軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并將生成的著艦軌跡輸入控制模塊，考慮著艦區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，并沿預(yù)定軌跡實(shí)現(xiàn)著艦。

圖4 無(wú)人機(jī)自主著艦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of UAV autonomous landing system

艦載無(wú)人機(jī)的著艦過(guò)程受到很多因素的干擾，如海風(fēng)、海上氣流、艦船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及艦船附近的氣流等，在生成著艦軌跡和對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制時(shí)，必須考慮這些干擾因素。

2.2 艦船運(yùn)動(dòng)模型

無(wú)人機(jī)在著艦過(guò)程中，需要不停地接收艦船的位置信息，從而做出合理的軌跡規(guī)劃，但艦船不是一個(gè)靜止的目標(biāo)，在航行中，由于受到海浪影響做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有必要建立艦船的運(yùn)動(dòng)模型。

如圖5所示，以艦船質(zhì)心所在平面為平衡位置，在航行過(guò)程中，艦船在平衡位置附近做簡(jiǎn)諧搖蕩運(yùn)動(dòng)，O為艦船質(zhì)心，α為橫向搖蕩的角度，β為縱向搖蕩的角度，h為升降的高度。

圖5 簡(jiǎn)化的艦船運(yùn)動(dòng)模型Fig.5 Simplified model of ship motion

在簡(jiǎn)化模型下，橫向搖蕩的角度，縱向搖蕩的角度，升降的高度可以用式（2）來(lái)計(jì)算[4]：

其中：A，B，C分別為橫搖角度，縱搖角度和升降高度的最大值；Tα，Tβ，Th分別為橫向搖動(dòng)，縱向搖動(dòng)，升降的周期；δα，δβ，δh分別為橫向搖動(dòng)，縱向搖動(dòng)，升降的隨機(jī)相位[5]。式（2）為本文采用的艦船運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型，在后續(xù)的研究中，可以建立更詳細(xì)的艦船運(yùn)動(dòng)模型。

2.3 圖像分割和目標(biāo)識(shí)別

在無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程中，視覺(jué)引導(dǎo)主要應(yīng)用在對(duì)艦船目標(biāo)的識(shí)別、提取。無(wú)人機(jī)返艦船時(shí)，對(duì)艦船進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、識(shí)別，由于艦船一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)，海浪對(duì)艦船的運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生不小的影響，再加上海面的光線的變化，都對(duì)無(wú)人機(jī)識(shí)別艦船增加了難度。

無(wú)人機(jī)在接近艦船時(shí)，攝像機(jī)中的艦船目標(biāo)變得越來(lái)越清晰，但由于海面背景中的穩(wěn)定特征比較少，需要采用圖像分割的方法對(duì)船艦進(jìn)行分離。目前常用的基于圖論的交互式分割方法有Interactive Graph cuts，Grab cut，Random Walk，但在無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程中很難利用這些方法實(shí)現(xiàn)良好的圖像分割效果。

本文選擇基于Frequency-tuned（FT）和隨機(jī)游走的艦船目標(biāo)自動(dòng)分割方法，主要利用艦船在海面背景中比較突出這一特點(diǎn)，采用FT方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，提取邊緣信息，并做好標(biāo)記點(diǎn)，再結(jié)合隨機(jī)游走的分割方法實(shí)現(xiàn)艦船的自動(dòng)分割[3]。圖6為基于FT和隨機(jī)游走的分割方法和其他幾種方法對(duì)不同的圖像進(jìn)行分割的成功率對(duì)比。

圖6 不同分割方法的成功率對(duì)比Fig.6 Comparison of the success rates of different segmentation methods

可以看出，相較于其他3種方法，基于FT和隨機(jī)游走的分割方法成功率接近100%，幾乎不存在誤分割的情況。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，這種方法的實(shí)現(xiàn)時(shí)間相對(duì)最快，效率較高。

對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別之前首先要對(duì)艦船進(jìn)行特征提取，然后根據(jù)提取的特征進(jìn)行比較分類。這里的特征有很多，比如紋理、輪廓、灰度等，一般情況下，要以目標(biāo)的物理特征為主，以艦船為例，包括艦船以及著艦區(qū)域的形狀和大小、艦船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置等。

由于艦船目標(biāo)較為光滑，具有比較明顯的幾何特征信息，可以選擇形狀特征進(jìn)行提取，本文采用仿射不變矩的方法[6]。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無(wú)人機(jī)能否成功著艦，受到很多因素的影響[7]。本文只討論風(fēng)速、著艦高度對(duì)著艦時(shí)間和著艦精度的影響。

首先研究不同風(fēng)速下，無(wú)人機(jī)著艦時(shí)間以及著艦精度的偏差，實(shí)驗(yàn)中著艦標(biāo)志為“H”形標(biāo)志，實(shí)驗(yàn)高度為20 m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results at different wind speeds

從圖7（a）可以看出，風(fēng)速越大，所需的著艦時(shí)間越長(zhǎng)，變化明顯，尤其是當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s增大到10 m/s時(shí)，著艦時(shí)間急速增大。同樣，從圖7（b）著艦偏差上也可以觀察到相同的結(jié)果，而當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，由于風(fēng)速過(guò)大，無(wú)人機(jī)幾乎無(wú)法成功著艦，已超出著艦標(biāo)志的范圍。

分別對(duì)圓形、“H”形、“L”形3種標(biāo)志在不同下降高度下進(jìn)行著艦時(shí)間以及著艦精度偏差兩方面的研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在海上風(fēng)速大約為6 m/s時(shí)得到的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同標(biāo)志下的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Performance test results under different signs

可以看出，不同標(biāo)志的著艦時(shí)間變化較小，著艦時(shí)間隨著下降高度的增加而增加，而不同標(biāo)志的著艦偏差對(duì)比比較明顯，圓形標(biāo)志的偏差在每個(gè)高度下都是最小的，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是標(biāo)志形狀不同導(dǎo)致在視覺(jué)引導(dǎo)過(guò)程中圖像處理的效果不同。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于視覺(jué)引導(dǎo)的無(wú)人機(jī)著艦系統(tǒng)，可以較好地完成著艦任務(wù)。在著艦過(guò)程中利用視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)，識(shí)別目標(biāo)，進(jìn)行精準(zhǔn)的著艦。后續(xù)研究中，可以在圖像處理方面進(jìn)行優(yōu)化，減少信息的處理時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性。同時(shí)，還需要在惡劣環(huán)境下對(duì)著艦系統(tǒng)的性能進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。