基于视觉辅助技术的无人机自主着陆系统研究

郭瞻　肖祖铭

摘 要：在本次研究中，笔者主要设计了一套无人机自主着陆系统，在该系统中发挥主要作用的是视觉技术。本系统主要包括两个部分，第一部分是硬件平台，第二部分则是软件算法。为了检验本系统的有效性，笔者开展了实验验证工作，最终证明本文设计的系统可以实现预期功能，最终结果的精确度也是可以接受的。

关键词：视觉辅助技术；无人机；自主着陆系统

早在20世纪美国就开始了关于无人机的研究，进入21世纪以来，在新的时代背景下，随着科学技术的不断发展和进步，无人机技术也变得越来越成熟。在战斗中，对无人机而言最为关键的问题主要有两个：一个是顺利起飞，并按照预定轨迹进场；另一个问题则是任何准确的开展着陆操作。因此，关于无人家着陆问题的研究是该领域的一个热点，好多学者都开展了相关研究，并取得了一定的成果。现阶段，随着视觉技术的发展，好多人开始研究如何将视觉技术融入无人机的着落系统中。基于视觉导航技术开始出现，并收到了人们的重视，在很多领域得到了使用。在本次研究中，笔者首先介绍了基于视觉技术的无人机自主着陆系统的硬件平台设计，接下来介绍了该系统的软件算法，最后探讨了对系统进行实验仿真的结果。

1 硬件平台设计

在本文设计的系统中，摄像机的位置是无人机的机头下部。在无人机进入着陆状态之后，操作人员可以技术摄像机获得相关信息。通过对这些信息进行一系列的处理，操作人员可以得到关于无人机的飞行参数，从而实现无人机的自主着陆。硬件是组成系统的重要部分，笔者在设计本系统时选择的硬件平台是基于模拟摄像机和模拟输入接口的图象处理开发模式，这是一种比较常见的硬件平台模式。该硬件平台可以发挥的作用主要有四个：

第一，借助于CCD 相机获取机场中的环境信息，这是保证后续工作得到顺利开展的基础和前提；

第二，可以对CCD数据执行一定的操作，如读操作和保存操作；

第三，可以处理一些图像数据，从图像数据中获得需要的信息，从而为确定无人机的飞行参数提供有效依据；

第四，确保系统可以和飞控计算机开展一定的数据交换操作。在本系统的协助之下，可以得到关于无人机在着陆过程中飞行参数的结果，之后系统需要将上述参数评估结果传递到飞控计算机，从而实现对无人机的自主控制。

在设计该系统时，笔者选需要的设备主要有：图像处理开发平台； CCD 模拟摄像机；视频输入接口；dsp 仿真器；计算机一级监视器等。

2 软件算法构成

软件算法对于系统的正常运行是非常关键的，在无人机的飞行过程中，传感器发挥着重要作用。当无人机在视觉导航的范围之内时，无人机上的是摄像机就开始发挥作用，操作人员可以借助摄像机了解无人机的着陆情况以及着陆跑道的情况等。接下来通过一定的算法对图像进行处理，从而得到关于着陆跑道的具体信息，如跑道的边缘线以及地平线。上述两项信息是非常有用的，有了上述信息，才能继续对无人机的飞行参数进行评估。

本文系统的软件算法主要有下述几个部分：

第一，图像采集与预处理部分。无人机上装有CCD 摄像机，这样操作人员就可以得到一系列的图像。这些图像会传递到预处理结构，这里的预处理操作主要有两个，分别是重采样，以及高斯金字塔滤波。经过预处理之后，原来的图像就变成了滤波图像。

第二，飞机前视场跑道识别部分。这一部分软件的主要作用是对前面得到的预处理图像开展进一步的处理，处理目的是对跑道区域进行有效的查处，使用的具体处理技术主要有两个：一个是多尺度模版匹配技术，另一个则是支持向量机技术。

第三，地平线检测部分。该部分的主要功能是对图像进行切割处理，从而有效的将天空和地面区别开来，这样就可以确定地平线。实现上述任务需要借助的主要是模式分类算法。

第四，跑道边缘线检测部分。这一部分的主要功能是确定无人机的跑道区域，需要借助的主要是一些边缘检测算法。

第五，Hough 变换直线检测部分。这一部分的主要作用是利用前面两步得到的结果确定地平线和跑道边缘线的直线方程。

第六，着陆参数估计部分。這一部分的主要作用是确定无人机的参数，主要有五个，分别是滚转角、偏航角、俯仰角、距离跑道中线的侧偏距以及单位高度。在获取上述参数时，主要需要视觉技术的支持。

3 半物理仿真平台设计和实验仿真

结束系统的设计的工作之后，接下来需要做的就是对系统的有效性进行科学合理的验证。为了做到这一点，笔者首先建立了半物理仿真平台。该平台的主要作用是对无人机的进场着陆进行有效的模拟。仿真平台中安装了摄像头，从而可以对实验情况进行完整的记录，并将实验过程以实时的方式反馈给实验者，从而方便实验者更好的掌握实验过程。实验结束之后，通过一定的算法对图像数据进行处理，从而确定相关飞行参数。本次仿真实验的结果表明，本文设计的系统可以正常运行，可以发挥预期功能，精确度也是可以接受的。

4 结语

视觉技术在很多领域都得到了应用，就无人机领域而言，视觉导航技术在无人机的着陆过程中发挥着关键作用。笔者主要设计了一套基于视觉技术的无人机着陆系统，希望可以为相关人员带来一定的启发。

参考文献：

[1] 蔡鸣，孙秀霞，徐嵩，刘希，刘日.视觉技术辅助的无人机自主着陆组合导航研究[J].应用光学，2015，（03）：343-350.

[2] 谢也.基于视觉的无人机自主着陆航迹规划与鲁棒控制技术研究[D].南京航空航天大学，2015.

[3] 张菁超.无人机自主着陆视觉导航与合成视景技术[D].西安电子科技大学，2014.

[4] 丁永軍.无人机视觉辅助着陆中的关键技术研究[D].国防科学技术大学，2011.

[5] 陈龙胜.基于视觉伺服的无人机自主着陆飞行关键技术研究[D].南京航空航天大学，2009.

江西省教育厅科学技术研究项目：

《基于视觉辅助技术的无人机自主着陆系统研究》，GJJ151286

作者简介：

郭瞻（1982-），女，本科，江西景德镇人，景德镇学院机电系，副教授，研究方向：汽车电子。