基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)著陸導(dǎo)航

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1、1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS):利用慣性元件來(lái)感測(cè)飛機(jī)或其它載體的運(yùn)動(dòng)加速度。經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，從而求出導(dǎo)航參數(shù)以確定載體位置。2.儀表著陸系統(tǒng)(ILS):地面設(shè)備由兩部分組成，它們分別向飛機(jī)著陸方向連續(xù)發(fā)送兩個(gè)不同頻率的高頻無(wú)線電調(diào)幅波，通過(guò)判斷兩個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度關(guān)系以及利用2-3個(gè)距離檢測(cè)點(diǎn)提供的信息，指引飛機(jī)按預(yù)定軌跡降落。3.微波著陸系統(tǒng)(MLS):微波著陸系統(tǒng)是新一代飛機(jī)精密引導(dǎo)著陸系統(tǒng)，它是一種工作在C波段的自主式飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸系統(tǒng)。該系統(tǒng)與目前使用的儀表著陸系統(tǒng)相比，具有覆蓋范圍寬(方位±40°，仰角0.9°～15°)、引導(dǎo)精度高、進(jìn)

2、場(chǎng)方式靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。4.全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS):近十年來(lái)，隨著GPS應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)及歐洲國(guó)家在基于GPS的進(jìn)場(chǎng)著陸技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究工作。利用GPS/DGPS所提供的地心坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為機(jī)場(chǎng)跑道為坐標(biāo)原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系，由此可方便地設(shè)計(jì)出任意一條著陸的空間三維基準(zhǔn)路線。GPS具有技術(shù)成熟、精度高等特點(diǎn)。表1.1國(guó)外典型無(wú)人機(jī)的起飛著陸方式及導(dǎo)引體制名稱(chēng)類(lèi)型起飛/著陸方式控制與制導(dǎo)其他”全球鷹”高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)輪式起飛著陸自動(dòng)完成從起飛兩個(gè)人負(fù)責(zé)用(GlobalHawk)人駕駛偵察機(jī)到著陸的整個(gè)過(guò)差分GPS指揮自

3、美國(guó)程GPS/INS導(dǎo)航動(dòng)起飛和著陸”捕食者”無(wú)人偵察機(jī)輪式起飛著陸GPS/INS導(dǎo)航只需一段大約(Predator)可降落傘緊急700米的平坦地美國(guó)回收面就可以起飛”獵人”戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)常規(guī)起飛著陸GPS導(dǎo)航，遙控/美國(guó)也可傘降回收預(yù)編程控制”影子”600多用途無(wú)人機(jī)輪式起飛著陸慣性導(dǎo)航、遠(yuǎn)距半自主式飛行(Shadow)可用降落傘/翼無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)美國(guó)傘回收或者GPS導(dǎo)航系統(tǒng)”開(kāi)拓者”太陽(yáng)能試驗(yàn)無(wú)輪式起飛著陸遙控飛行(Path?nder)人機(jī)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)”蒼鷺”(Heron)高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)輪式起飛著陸飛行中由預(yù)先編可收放式起落以色列人機(jī)

4、好的程序控制架21.2.2無(wú)人機(jī)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)要求一般說(shuō)來(lái)，任何一種著陸導(dǎo)引系統(tǒng)都要滿(mǎn)足三種要求[2]：1.可靠性：或者說(shuō)低故障率；2.完整性：即保證出現(xiàn)故障能被快速檢測(cè)到，并且重構(gòu)出滿(mǎn)足要求的信息；3.準(zhǔn)確性。國(guó)際民航組織(ICAO)將飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸劃分為三個(gè)等級(jí)，其中對(duì)Ⅲ級(jí)自動(dòng)著陸又分為a、b、c三級(jí)。等級(jí)劃分的依據(jù)是決斷高度(DH)，跑道能見(jiàn)度和跑道視距(RVR)。具體要求如表1.2所列[3]。表1.2進(jìn)場(chǎng)著陸等級(jí)要求進(jìn)場(chǎng)著陸等級(jí)IIIIIIaIIIbIIIc決斷高度/m>6060?30000跑道能見(jiàn)度/m800400210跑

5、道視距/m760730?370>210>506接地實(shí)際區(qū)跑道表面具有可見(jiàn)域和跑道中具有可見(jiàn)的外界基備注心線有燈光的外界基準(zhǔn)作為滑照明時(shí)RVR準(zhǔn)標(biāo)志行引導(dǎo)為550mICAO規(guī)定的進(jìn)場(chǎng)和著陸的精度是水平和垂直誤差極限來(lái)表示的，見(jiàn)表1.3所列。表1.3精密進(jìn)場(chǎng)/著陸的精度要求著陸等級(jí)參考點(diǎn)離地高度/m水平精度2σ/m水平精度2σ/mII級(jí)決斷高度6017.14.1IIII級(jí)決斷高度305.11.7IIIIII級(jí)決斷高度154.00.51.3基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的自主進(jìn)場(chǎng)著陸方案1.3.1主要飛機(jī)著陸系統(tǒng)的缺陷慣導(dǎo)的誤差隨運(yùn)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加而累

6、計(jì)。而可靠、精密、自動(dòng)的引導(dǎo)是無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降成功的關(guān)鍵之一[1]。3ILS系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，發(fā)射單一固定的下滑道，波束覆蓋區(qū)很小，成比例的控制區(qū)更小，不能引導(dǎo)飛機(jī)曲線進(jìn)場(chǎng)和分段進(jìn)場(chǎng)。MLS雖然能提供各種進(jìn)場(chǎng)航線，但造價(jià)高，地面和機(jī)載設(shè)備要求高。基于DGPS的自主著陸研究工作應(yīng)該說(shuō)已經(jīng)進(jìn)展到相當(dāng)?shù)碾A段，DGPS有其自身優(yōu)越性但也有其致命缺陷，即信號(hào)的完整性不是很高(所以才有信息完整性研究)，有研究記錄表明，一個(gè)GPS的錯(cuò)誤最遲有可能在幾分鐘以后才被報(bào)告，這顯然在著陸階段是不能允許的。而且這個(gè)缺陷難以由GPS自身彌補(bǔ)，加之由于GPS定位信號(hào)來(lái)

7、自飛機(jī)外部數(shù)據(jù)鏈，一旦數(shù)據(jù)鏈路中斷或受到干擾，定位信息的準(zhǔn)確性就會(huì)大大下降，甚至無(wú)法工作。特別的，由于常用的儀表著陸、微波著陸以及GPS/DGPS等導(dǎo)航方式都要依賴(lài)飛機(jī)以外的設(shè)備所提供的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航，所以依靠這些技術(shù)只能完成半自主（自動(dòng)）著陸。機(jī)器視覺(jué)（MachineVision）由于其經(jīng)濟(jì)、無(wú)源、信息豐富等特點(diǎn)，成為無(wú)人機(jī)自主著陸中不可缺少的重要信息源[3]。基于視覺(jué)的自主著陸由于不依賴(lài)于地面和空中導(dǎo)航設(shè)備，在電子對(duì)抗方面，在提高自主化程度方面都有較大的優(yōu)越性，所以目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該項(xiàng)目的研究多集中在采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的自主著陸技術(shù)方面

8、。1.3.2基于視覺(jué)飛機(jī)著陸的研究進(jìn)展視覺(jué)信息用于飛機(jī)著陸導(dǎo)航發(fā)展之初主要是作為其他導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充，或者與其他系統(tǒng)相結(jié)合。比如在文獻(xiàn)[4]中，機(jī)器視覺(jué)作為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)被應(yīng)用于飛機(jī)夜間著陸導(dǎo)航。該文利用的主要視