戴峻峰

(淮陰工學院電子信息工程學院，江蘇 淮安 223003)

無人機的自主著艦技術是飛行控制領域和人工智能領域研究的重點課題，主要用于解決無人機在飛行任務末端的自主著艦回收問題。目前，廣泛使用的無人機回收方法是人工末端遙控技術，其應用對象多為無人直升機[1]，而且，自主著艦技術多數(shù)使用GPS 和慣性導航系統(tǒng)實現(xiàn)[2]。楊少帥[3]研究了衛(wèi)星著艦引導載波相位多參考站一致性問題，論文提出的一致性檢測算法，可以有效檢測載波周跳、多徑造成的偽距突變，能夠單歷元檢測發(fā)現(xiàn)故障。蘇大林等[4]研究了無人機全自動著艦衛(wèi)星引導系統(tǒng)及架構，對無人艦載機能夠在航母上自主滑躍、彈射起飛和攔阻著艦進行了全面分析。梁穎茜等[5]研究基于RTK 定位的差分衛(wèi)星引導技術，著艦過程中能提供0.03 m 以內(nèi)的定位精度，滿足全自主著艦要求。但是該自主著艦方法，都依賴于衛(wèi)星信號和機艦間的數(shù)據(jù)鏈路，并不是一個完全自主的著艦控制方法，其容易受到外部干擾或阻斷，因此，并不是完全自主的末端導航系統(tǒng)。近些年學者們開始研究基于視覺的完全自主導航技術，力圖使無人機在整個任務執(zhí)行階段實現(xiàn)自主飛行，特別是在飛機的降落階段，從而大力促進發(fā)展大起飛重量、大載荷、具有戰(zhàn)術和戰(zhàn)略意義的無人機。然而，對基于視覺的自主著艦系統(tǒng)的研究存在一定困難，其理論和技術創(chuàng)新是難點，實施有針對性的視覺實驗具有風險，這樣一來，就大大阻礙了視覺技術在無人機末端導航中的研究和發(fā)展。田青[6]研究了SR20 飛行模擬機視景圖像融合與拼接技術，使用有重疊部分的圖像序列通過特征匹配合成一張寬視角的大場景圖像。元凱等[7]進行了基于Genesis 的飛行模擬視景仿真系統(tǒng)開發(fā)，使用3D 建模技術完成視覺場景模擬。學者們分別從二維圖像角度和三維建模技術開展計算機視景模擬技術研究，都取得了一定成果和成效[8]。在此基礎上，本文針對視覺末端導航著艦的特點，研究了一套基于地面半物理仿真的模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地解決視覺導航著艦技術在實驗與測試過程中的現(xiàn)實難題，為無人機自主著艦相關算法的驗證提供一個低成本且實現(xiàn)難度低的解決方案。

1 自主著艦模擬系統(tǒng)構成

無人機的末端導航及視覺著艦主要涉及兩大技術，一是自主飛行控制，二是視覺導航導引。為了完成整個著艦系統(tǒng)的功能測試實驗，必須對完整的系統(tǒng)功能和視景進行模擬。自主著艦模擬系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自主著艦模擬系統(tǒng)

首先，使用一臺計算機、投影儀及屏幕構成飛行控制及視景模擬系統(tǒng)，在計算機中模擬無人機系統(tǒng)，通過編程建立無人機飛行模型和飛行控制系統(tǒng)；接下來，使用圖像變換技術對航母艦艇的遙感圖像和航拍圖像進行剛體變換和透視變換，用以模擬飛機的飛行狀態(tài)變換后的視覺場景變化。變換后的圖像通過視頻輸出線路傳輸給投影儀，并顯示在屏幕上，同時，供視覺采集攝像機捕獲，并送入視覺處理系統(tǒng)。

視覺處理系統(tǒng)包括視覺捕獲攝像機和視覺處理計算機，視覺處理計算機通過視覺采集線路對攝像機捕獲到的視覺影像進行處理、識別和跟蹤，并返回著艦目標的飛行狀態(tài)偏差參數(shù)。同時，這些視覺系統(tǒng)輸出的狀態(tài)參數(shù)通過雙向數(shù)據(jù)傳輸線路發(fā)送給飛行控制及視景模擬系統(tǒng)，用以指導飛控系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)過程，從而調(diào)整無人機的飛行狀態(tài)，利用模擬算法變換圖像實現(xiàn)視覺場景的相應變換，構成無人機的自主著艦的大回路。

最后，另設一臺計算機對無人機的飛行狀態(tài)和著艦過程以數(shù)值和圖形方式進行直觀顯示，保證實驗人員可以對視覺處理算法等方面的實驗測試進行直觀監(jiān)測和分析。在實現(xiàn)過程中，保持屏幕和投影之間距離固定不變，使得利用低成本的定焦攝像機即可實現(xiàn)圖像采集任務。

2 飛行控制及視景模擬系統(tǒng)

在著艦階段，無人機在視覺信息的指導下不斷修改其飛行狀態(tài)，改變著艦速度V，并修改姿態(tài)調(diào)整航跡，以實現(xiàn)機體軸對準著艦跑道，最后，在合作目標指定位置著陸滑跑，直至勾索停車。在整個著艦飛行過程中，分進場開始下滑、開始拉平和接地滑跑三個階段，如圖2 所示。

圖2 著艦階段劃分

圖2 中，從進場開始下滑到拉平，為視覺引導的關鍵時期，在該階段中，無人機需要根據(jù)視覺信息來完成機體軸對準著艦跑道方向的下滑飛行控制，從開始拉平狀態(tài)，無人機調(diào)整俯仰角、航向和速度，以完成低速飛行及安全著艦操作。

基于以上分析，飛行控制模擬系統(tǒng)主要包括兩部分，第一部分是飛行控制模擬，根據(jù)飛機的數(shù)學模型建立模擬飛行控制系統(tǒng)，用于模擬無人機的飛行過程；第二部分是無人機視覺模擬，使用圖像的剛體變換和透視變換，根據(jù)無人機的飛行狀態(tài)對不同分辨率的艦艇垂直遙感圖及航拍圖進行變換、輸出、顯示，供無人機自主著艦系統(tǒng)的視覺采集攝像機采集，為視覺計算機提供視覺信息。

2.1 飛行控制模擬

基于視覺的無人機末端導航著艦技術是無人機的重點研究內(nèi)容，特別是對于查打一體的戰(zhàn)術戰(zhàn)略無人機，為了實現(xiàn)以低成本的實驗環(huán)境完成對導航著艦技術視覺算法的研究，本文提出一種地面模擬方法，使用數(shù)學模型來模擬無人機的飛行性能和控制過程，從而避免利用高成本的無人機進行在空飛行試驗，實現(xiàn)起來更為高效、節(jié)約成本。

在飛行控制模擬中，使用無人機數(shù)學模型模擬無人機飛行狀態(tài)，編程設計PID 控制器作為其姿態(tài)和速度控制回路的控制器，實現(xiàn)對其姿態(tài)和速度的穩(wěn)定飛行控制。同時，編程設計航跡控制器，根據(jù)飛行高度及速度姿態(tài)信息，結(jié)合視覺處理系統(tǒng)分析得到的著艦過程航跡偏差信息進行航跡控制，從而引導無人機修改航線和飛機飛行狀態(tài)，使其滿足著艦過程的狀態(tài)要求，直至觸艦、滑跑、攔阻，停止滑行，最終完成自主著艦任務。

無人機系統(tǒng)采用推力矢量無人機模型[6]作為系統(tǒng)飛機的仿真模型。其系統(tǒng)狀態(tài)見式(1):

式中:V，β，α，p，q，r，θ，ψ，φ，h分別為:速度向量、側(cè)滑角、迎角、滾轉(zhuǎn)角速率、俯仰角速率、偏航角速率、俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角和高度。

系統(tǒng)控制向量見式(2):

式中:δT表示油門，αT、βT分別表示推力矢量角，δe、δa、δr分別表示俯仰舵偏角、副翼舵偏角、方向舵偏角。

在飛行控制模擬系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，關鍵在于航跡控制器的設計。航跡控制器根據(jù)當前飛機的飛行狀態(tài)(如飛行姿態(tài)和著艦階段的飛行高度等信息)以及著艦過程中的著艦目標航跡偏差信息進行著艦過程航跡的綜合控制。其中，著艦目標航跡偏差信息是由視覺系統(tǒng)得出的，包括相對著艦跑道的目標航向偏差和視覺位置偏差，而視覺位置偏差是綜合圖像信息、無人機飛行姿態(tài)、飛行高度和速度綜合計算的結(jié)果。

航跡控制器用以完成對無人機航跡修改的控制任務，根據(jù)航跡偏差和著陸飛行階段的狀態(tài)調(diào)整飛行速度和飛行姿態(tài)角。

航跡控制器的輸入為

式中:輸入?yún)?shù)的前4 個是θ，ψ，φ，h，均來自于無人機地面模擬計算機，分別為俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角和高度，后3 個參數(shù)為Δxp，Δyp，Δψ，均來自于視覺處理計算機，分別表示:著艦艦艇合作目標的中心基準點沿視軸方向的偏離像素數(shù)(前偏為正)、垂直視軸方向偏離像素數(shù)(右偏為正)、經(jīng)過圖像分析得到的視軸與艦艇跑道的偏差角度。

另外，涉及到的主要概念是引導著艦的艦艇合作目標的中心基準點沿視軸方向的偏離像素數(shù)，這是用以計算無人機當前著艦過程中的著艦垂直降落速度偏差，航跡控制器根據(jù)該偏差和當前氣壓高度，調(diào)整飛機飛行狀態(tài)，調(diào)整當前飛機的降落速度，使飛機滿足當前著艦飛行階段的飛行軌跡要求，視軸方向的偏離像素數(shù)與高度關系如圖3 所示。

圖3 視軸方向的偏離像素數(shù)與高度關系

在圖3 中，設攝像機與機體軸夾角為c，假設無人機在滾轉(zhuǎn)角為0 的狀態(tài)下(注意:當滾轉(zhuǎn)角不為零時，需根據(jù)大地坐標系與視軸坐標系的姿態(tài)關系，按照式(9)計算)，則飛機視軸與水平面的夾角b＝c-θ，θ為飛機的俯仰角。著陸點合作目標的中心K(圖3 中左側(cè)第二條斜線與水平面的交點)的視覺直線(圖3 中左側(cè)第二條斜線)與水平面的夾角b＇為:

式中:Δxp 為視覺目標點與視覺中心點的像素偏差數(shù)，沿著視軸方向向前為正，288 是圖像視軸中心點像素的縱坐標值，l為攝像頭垂直監(jiān)控角度，b為飛機視軸與水平面的夾角。如果飛機能夠按照預定下滑角進行下滑，飛行速度至少要求滿足以下動態(tài)關系:

式中:ΔVz＇為視覺指導垂直下降速度的調(diào)整值。

另外，在無人機著艦過程中，飛機的飛行速度隨飛行高度的下降不斷減小，因此，飛行速度的變化還受到飛行高度變化的控制，具體見式(6):

式中:Δh，Cx(h)，Cz(h)為無人機高度變化值、高度相關的水平速度及下降速度的變化系數(shù)。

在控制模擬過程中，同樣使用Δyp，Δψ作為控制輸入量，使用比率控制方式，結(jié)合當前飛機姿態(tài)信息，完成無人機著艦過程的飛行姿態(tài)調(diào)整，使得飛機在下滑階段及拉平階段對準著艦飛行預訂滑跑基線。

2.2 無人機視覺模擬

隨著整個著艦過程的推進，無人機的高度和姿態(tài)在不斷調(diào)整，對應視覺圖像也在不斷地改變。為了使用高分辨率靜態(tài)圖像模擬視景的變化，在整個著艦過程中，必須根據(jù)飛行位置信息和無人機相對著艦大地坐標的姿態(tài)角進行透視變換，用以模擬視覺場景的變換。具體過程如下:

第一，為了說明視覺模擬原理，使用衛(wèi)星拍攝的垂直視角(近似垂直)圖片來模擬海面和航母艦艇垂直視角的視景，圖片的視角高度為500 m。其中，一幅圖片含有一艘航空母艦，另一幅圖片為純粹的海面。在視覺模擬過程中，以含有航空母艦的圖片視覺中心建立大地坐標，該圖片的x、y軸方向分別為大地坐標系的反方向，大地坐標的z軸指向地心。根據(jù)圖片的比例尺關系計算出地面坐標與兩幅圖像的像素關系，具體如式(7):

式中:x和y分別為地面坐標，i1，j1，i2，j2分別為含航母及不含航母圖片像素的橫坐標及縱坐標，圖像左上角為原點，*k為將大地坐標系的坐標值乘上每米距離對應像素數(shù)，*是取整乘法運算，%是整數(shù)除法取余數(shù)的運算，L、H分別為衛(wèi)星圖片的寬度和高度。具體實驗中，海面區(qū)域使用同一幅原始圖像進行拼接。

第二，根據(jù)無人機的航跡位置和飛行姿態(tài)進行視景模擬，利用飛機的高度信息和姿態(tài)信息計算當前無人機飛行狀態(tài)的應有視覺圖像中的每個像素的平面坐標位置，該坐標是各個像素對應視覺射線指向的海面或艦艇目標點的大地坐標系下的平面坐標。(模擬生成的視景分辨率高于無人機視覺捕獲攝像機的分辨率，本文使用500 高空衛(wèi)星圖片，分辨率為1 024 pixel×768 pixel)，根據(jù)地面坐標位置，由式(7)計算對應像素點的坐標，取該像素點的顏色信息作為當前無人機對應像素點的顏色值，在所有像素進行同樣計算后即可得到對應的視景圖像。

在飛機處于某一飛行狀態(tài)下，要得到當前視景的每一像素對應視覺射線目標點的地面坐標，必須計算出視覺射線的地面投影與地面坐標的x軸正向之間的夾角a＇，以及與z軸正向的夾角a，如圖4 所示。

圖4 視覺射線與大地坐標系之間的關系

假設無人機視覺成像中心點A所對應的大地坐標系下的縱坐標為(x0，y0，-h)，則當前視景中的某像素對應的視覺射線目標在大地坐標系中的地平面坐標為(x，y)，(x，y)可利用式(8)計算得到:

式中:r＝h/cos(a)，夾角a和a＇的正弦值和余弦值的計算方法如下:

首先，建立視覺系統(tǒng)坐標系，坐標原點為無人機視覺成像中心點A，其三個直角坐標軸平行于機體坐標軸，再將大地坐標系的原點平移到無人機視覺成像的中心點A，從而形成臨時虛擬的大地坐標系。此時的視覺坐標系相當于是機體坐標系的平移，臨時大地坐標系也是大地坐標系的平移，且兩坐標系原點相同，則根據(jù)同原點機體坐標系到大地坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關系[7]，從而獲得本視覺坐標系到臨時大地坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關系，具體如式(9):

式中:[xt，yt，zt]T，[x＇，y＇，z＇]T分別為某像素視覺射線目標點在臨時虛擬大地坐標系下的坐標以及在視覺坐標系下的坐標，S取值見式(10):

另外，視覺系統(tǒng)下的某像素視覺射線目標點的坐標可以使用球面坐標形式來表示。在此定義為視覺系統(tǒng)球面坐標。該球面坐標系(r，c＇，d＇)定義如圖5 所示。

圖5 視覺系統(tǒng)的球面坐標系

在圖5 中，c＇和d＇分別為某像素視覺射線到X＇OZ＇平面的投影與OX＇之間的夾角，分別為向下偏和向右偏為正，視覺射線與其在X＇OZ＇平面的投影的夾角c＇。根據(jù)圖5，我們可以得到夾角c＇:

式中:c為攝像機相對于機體軸的安裝角度，XP 為模擬視景的垂直像素總個數(shù)的一半，Δxp 為相對于視軸中心點的垂直像素偏離數(shù)(上偏為正)，像素的垂直坐標xp ＝XP-Δxp，l為攝像機垂直視角范圍。

同理可以求得夾角d＇:

式中:Δyp 為相對于視軸中心點的水平像素偏離數(shù)(右偏為正)，像素的水平坐標yp ＝Y(jié)P+Δyp，m為攝像機水平視角范圍，YP 為模擬視景的水平垂直像素總個數(shù)的一半。

由圖5 知，在視覺直角坐標系下，B點的機體直角坐標系坐標與本文所定義的視覺系統(tǒng)球面坐標關系為:

由此，B點在臨時大地坐標系下的坐標與球面坐標的表示形式可以寫為:

再將式(16)代入式(15)即可求得某像素視覺射線在著艦平面上的目標點在臨時大地坐標系中的坐標(xt，yt，h)。

由式(14)知:

將式(17)代入式(8)得到某像素點的視覺射線目標點B的大地坐標系坐標(x，y)，該坐標是以航母艦艇視覺影像中心點為坐標原點。再由式(5)計算得到該模擬視景圖像像素點對應的500 m 視角高度拍攝圖片中的像素坐標，從而完成對一個當前視景像素的數(shù)據(jù)變換，將當前視景圖像中的L×H個像素(像素坐標為(xp，yp))全部變換計算，即完成對該視景的構建，最后，將其送顯示器顯示，從而完成對該視景圖像的模擬。

通過使用Visual C++編程測試得到的視覺變換效果如圖6 所示。

圖6 視覺模擬測試結(jié)果圖像

實驗中，通過google 地圖截圖，獲得視角高度為500 m 的視覺模擬原始圖片a、b。其中，a 為包含航母的圖片，b 為無航母的海面圖片，圖6 中的c 為著艦模擬系統(tǒng)視覺靜態(tài)變換測試參數(shù)的配置界面，主要用以完成以下三個方面的配置:

①原始圖片文件路徑的選擇，用于程序運行時，從指定路徑打開原始文件，從而為視覺模擬提供視覺素材；

②當前無人機飛行狀態(tài)中的相對于大地坐標系飛行位置的坐標設置；

③當前無人機飛行狀態(tài)中的姿態(tài)角設置。

圖6 中d、e、f 為測試程序的運行結(jié)果，其位置坐標和姿態(tài)角輸入?yún)?shù)分別設置為(-500，0，-500)(0，0，0)、(-380，0，-300)(3，5，0)，(-300，10，-260)(4，-10，1)。

從測試結(jié)果圖像中可以看出，本方法可以獲得良好的測試結(jié)果，算法程序能根據(jù)輸入的位置和姿態(tài)信息進行視覺圖像的變換，從而模擬無人機的視景圖像，用以作為著艦的視覺導引。另一方面，測試系統(tǒng)可使用攝像機進行視覺信息的采集，再配合相應的視覺處理算法來計算著艦過程中的飛行狀態(tài)偏差等數(shù)據(jù)，并利用通信系統(tǒng)將其傳輸給飛控計算機，最后，由飛控計算機通過自主著艦航跡控制程序，指導飛控程序來控制無人機的姿態(tài)和速度，最終實現(xiàn)對無人機自主著艦的完整控制過程。

3 視覺處理系統(tǒng)

視覺處理系統(tǒng)可以根據(jù)來自攝像裝置采集的影像信息，分析出無人機著艦導引的航跡偏差等相關信息，從而指導無人機的自主著艦過程，使無人機完成自主著艦任務。

首先，需要完成飛機進場下滑之前的航母或軍艦的方向識別，使得無人機在進場時，可以保持沿著著艦的預定跑道在著艦、滑跑的大方向上飛行，之后進入進場的下滑階段，降低飛行速度，并向著跑道方向進行下滑飛行。如果無人機的飛行方向與預定跑道的著艦滑跑的大方向存在很大偏差，則無人機需要保持航速和高度，并轉(zhuǎn)向調(diào)整機體的飛行方向，再次進入著陸視場，重新識別機體軸方向與預定跑道的著艦滑跑的大方向是否大體一致，如果機體軸方向與滑跑方向基本一致，即可進入進場的下滑階段飛行，再通過視覺圖像處理算法實時分析機體方向與著艦跑道之間的著艦航向偏差、無人機視軸中心點與著艦基準點間的x、y方向的位置偏差，進而指導無人機系統(tǒng)調(diào)整飛行速度及姿態(tài)，導引無人機按照預定著艦航向平穩(wěn)下滑，當飛機達到拉平高度時，再調(diào)整控制策略，提高飛機俯仰角，進一步降速飛行，調(diào)整飛行航跡曲線，使無人機飛向著艦點，放下尾鉤，之后觸艦勾索，滑跑停車，從而完成整個著艦過程。

具體視覺處理流程如圖7 所示。

圖7 視覺處理流程圖

4 總結(jié)

本文根據(jù)基于視覺的無人機自主著艦的研究需求，設計了地面半物理仿真系統(tǒng)。分別使用投影系統(tǒng)和攝像與圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機著艦過程中的視景模擬及視覺采集與處理。在實現(xiàn)過程中，既不需要使用真實的無人飛機進行在空飛行試驗，也不需要使用高成本的三周轉(zhuǎn)臺進行無人機飛行姿態(tài)模擬，只需要固定攝像機與視景距離，并使用定焦相機來完成視覺采集，另外，利用圖像變換方法來模擬視覺距離和姿態(tài)角的變化，從而大大降低了研究成本。本文提出的視景模擬方法可以根據(jù)無人機的飛行航跡和姿態(tài)信息，使用圖像變換方法實時生成模擬視景，這種利用視景變化來代替無人機的坐標及姿態(tài)變換，即降低了模擬系統(tǒng)的建設成本，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

另外，由于使用了圖像變換的方式來實現(xiàn)視景的模擬，因此，未來的研究方向可以考慮使用高清晰度遙測圖像和低空航拍圖像拼接的方式來提供原始圖像，從而進一步提高視景模擬的清晰度，模擬使用高清變焦攝像機的無人機自主著艦過程。