无人机自动着陆中计算机视觉与激光扫描的应用研究

雷 浩

（广州市赛皓达智能科技有限公司，广东 广州 510000）

无人机自动着陆中计算机视觉与激光扫描的应用研究

雷 浩

（广州市赛皓达智能科技有限公司，广东 广州 510000）

无人机在使用GPS导航的过程当中很容易受到他国的人为干扰，因此具有一定的安全风险，文章提出了一种基于计算机视觉与激光扫描的一种无人机自动着陆技术，这种技术可以实现无人机的全天候自主精确着陆。

无人机；自动着陆；计算机视觉；激光扫描

现阶段无人机的主要导航方式，一种是地面或者舰艇上的遥控装置通过遥感技术所获得的图像进行手动导航，另外一种则是无人机的控制装置通过预先设定相应的程序从而实现自动导航，而在实际的运用过程当中往往采用的是二者相结合的导航方式。无人机在进行远距离飞行时往往采用的是程序控制进行导航，而如果在近距离飞行时往往采用遥感技术进行导航。当前在无人机导航方面使用最为广泛的是美国的全球卫星定位系统，该系统可以很容易就被人为干扰，从而造成一定的误差。

现阶段有人飞机的着陆方式存在四种，但是不论是哪种，其隐蔽性都较差，同时由于无人机相比于有人机来说其体型一般都较小，无法按照现阶段我国国产的微波雷达设备。1998年俄罗斯的Boguslavskii.I.A.等提出利用激光定位来引导有人飞机的着陆。他们采用CO2激光器发射远红外激光，全天候条件下，在4～6km距离内能够探测到着陆点，指引飞行员驾驶飞机着陆。但是由于无人机无人驾驶，所以还需要研究出针对无人机的总体方案以及对其中的关键技术问题进行研究。

1　总体方案的提出

根据以上的国内外研究现状，提出以GPS导航系统为主，以捷联惯性导航系统结合主动式红外激光扫描定位和计算机视觉识别着陆跑道为辅的无人机导航和着陆精确导引方案，实现无人机全天候自主精确着陆。总体方案当中的控制流程如图1中所示。

图1　无人机导航和精确着陆总体方案的流程框图

2　关键问题的研究

2.1无人机机载红外激光扫描系统

在进行无人机机载红外激光系统设计当中，首先需要确定红外激光器，在本次研究当中，笔者根据不同波长的光的透光率的差异，选取10.6μm的波长。在确定了红外激光器之后，我们需要明确激光扫描系统的结构构成，在激光扫描系统当中，首先红外激光器将激光反射到扫面传鼓上，同时在电机的带动之下，扫面转鼓会发生转动，在飞机向前前行的时候，激光会以从一定的角度分别对地面进行横向扫描，从而在地面上形成连续的扫描轨迹。

在实际的扫描过程当中，扫描幅度fk、无人机低空飞行时的高度H、飞行速度V、激光光斑直径S、扫描探测器的反应时间T、无人机的飞行速度V这些因素共同决定了激光扫面系统当中的扫描速度。即我们可以将红外激光扫描系统的模型定义为如下的形式：

（1）fk与H的确定。在实际的着陆过程当中，为了寻找合适的着陆点，下降的高度往往需要由着陆切入点、能见度以及导航半径确定，如果导航的半径较小，那么扫描的幅宽就越窄，从而导致效率较低。首先假定低空飞行的高度为3km，转鼓的转速为为λ，则fk如下所示：

（2）S的确定。在本文当中选择的激光器为CO2UL，该型号的激光器，发散角为R=5m rad。则S如下所示：

（3）运动规律的研究。根据速度的合成原理，可以得出扫描轨迹如图2中所示：

图2　扫描速度和轨迹

（4）扫描速度的确定。在实际的扫描过程当中，扫描轨迹间距不得小于地面上反射装置之间的距离，只有这样才能保证地面上的扫描装置能够被扫描到。则假设在转鼓当中相邻镜片中心角转动所需要的时间为T1。

2.2无人机着陆点的激光反射系统的研究

在本次式样当中我们选择角锥反射棱镜作为着陆点激光反射系统当中的反射棱镜，角锥反射棱镜的安装工艺较为简单，同时也具有较高的反射效率。如上文中所述在实际的扫描过程当中，扫描轨迹间距不得小于地面上反射装置之间的距离，只有这样才能保证地面上的扫描装置能够被扫描到。反射棱镜的布局如下图中所示，下图当中长臂方向是指跑动的纵向，跑动纵向所需要的尺寸如下下所示：

图3　角反射棱镜构成的反射器

在这样的布局当中我们可以发现，不论激光以何种角度射入，都能够保证地面上的激光反射器都能够被扫描到，同时其精确性也不会随着反射器的具体形状而产生明显的差异，从而使得能够更加精准的确定着陆的切入点。

2.3确定着陆点坐标和着陆跑道方向的研究

（1）确定着陆的坐标。在无人机拟着陆地点放置反射装置，则无人机就能够识别出跑道。在放置反射装置时我们需要明确的是需要将反射装置安装在跑道的中点，则无人机就并不需要识别跑道的方向，而只需要识别跑道的位置。假定在进行远距离的扫描时，透镜的焦距为15cm，则根据计算机视觉成像的关系可以得出在两个方面的误差分别如下文中所示：

通过具体分析我们可以发现，这种误差是能够满足无人机着陆的需求的。

（2）跑道方向的确定。当无人机探测到着陆点后，红外CCD就会有反射装置形状的图像。通过图像的识别算法判断是否是着陆点的反射装置，若是则以此像的长轴中心线与CCD纵轴（CCD纵轴和飞机纵轴一致）的夹角来得到着陆跑道的方向，调整无人机的航向，再根据无人机着陆曲线就可以指引无人机进场实现着陆。

3　结束语

当前阶段无人机在军事等方面都有着重要的研究，而其导航自动着陆方面还存在着较多的问题，如果不进行相关的完善，则对我国的军事发展存在着较大的影响。因此，现阶段对无人机着陆进行研究具有非常实际的意义。文章采用计算机视觉成像与激光扫描进行自动着陆的方法，希望能对现阶段无人机自动着陆的研究有所帮助。

［1］陈海.无人机自主控制综述及自主着陆控制系统设计［D］.西北工业大学，2007.

［2］季丽丽.轮式无人机自主着陆控制技术研究［D］.南京航空航天大学，2012.

［3］周儒靖.视觉导航技术在无人直升机着陆中的应用研究［D］.南京理工大学，2013.

［4］唐大全，毕波，王旭尚，等.自主着陆/着舰技术综述［J］.中国惯性技术学报，2010，（5）：550-555.

［5］刁灿，王英勋，王金提，等.无人机自动着陆中的机器视觉辅助技术［J］.航空学报，2008，（S1）：79-84.

［6］李永健.基于机器视觉的四旋冀无人机定点着陆系统设计与实现［D］.华南理工大学，2015.

［7］薛丹.被动式无人机光学自动着陆系统中光学设备方案研究［J］.光机电信息，2011，（2）：7-11.

［8］郭一江，王新民，谢蓉.基于光学导引的无人机自动着陆控制系统设计［J］.飞行力学，2011，（2）：63-66.

V249.122+.5

A

1671-3818（2016）09-0017-02