[发明专利]基于视觉的飞艇定点鲁棒控制方法

说明书

技术领域

本发明属于飞艇飞行控制领域，特别是一种基于视觉的飞艇定点鲁棒控制方法。

背景技术

目前，飞艇引起了人们的重视，并且被广泛应用于货运、广告、监测以及军事任务等各种不同的领域中。飞艇是一种可操纵的轻于空气的飞行器，依靠气囊封闭的轻质气体产生的浮力在空中浮起，并可以依靠发动机的动力在空中飞行。飞艇作为一种飞行器其最大的优势就是在于它具有无与伦比的滞空时间，其滞空时间可以天来计算。同时飞艇还可以悄无声息的在空中稳定飞行，这一特点在军事上也具有重要的应用。目前军用飞艇一般都使用氦气保持浮力，因此能安静并且平稳地完成升降和飞行，这对其携带现代化高科技监视与侦察设备来说至关重要。其次飞艇可以在其气囊中方便携带形状和尺寸几乎不受限制的大型雷达天线，对完成重要的军事侦察具有重要的作用。同时飞艇与飞机相比，军用飞艇可降低约30％左右的能耗和飞行费用，制造成本也很低，其雷达反射面积也要比现代飞机小许多。因而飞艇在现代军事发展中具有重要的地位。

另一方面，当今社会是一个人口密集、高度复杂的社会，人类的活动范围越来越大，面临的突发事件和异常事件越来越多，监控的重要性和难度也就越来越突出。飞艇作为一种新型监控手段，有其独特的优点，飞艇可以在一千多米高空，且其有效覆盖面积达20平方公里。同时可以利用其在目标地域上空悬停很长一段时间，使其上搭载的侦察仪器可以既精确又高效率的探测目标。结合我国的实际情况，我国有绵长的海岸线和陆地边境线，预警飞艇系统可用于为中空域内作战飞机提供情报和电子战支援，为地面防空系统提供早期预警。而在民用上，由于我国地广山多，许多地方自然灾害频繁发生，对人民的生命财产造成严重的威胁，因此在灾害发生前进行预测预防，在灾害发生后能第一时间掌握现场信息、开展迅速准确的救援十分必要。此时可以用无人飞艇低空遥感平台，一方面对环境信息进行监视采集为研究灾害的发生提供数据，另一方面能够及时监测灾害的发生，通过GPS定位系统，可准确探测出火源发生地，并且第一时间通知地面人员进行救援工作，而在城市中，无人飞艇可运用于城市交通监控、市政建设航拍、高空大气采样、城市火警监视等突发任务。特别的是，在国家开展重要性国际会议或展览时，若利用飞艇在空中监控，在其监控范围内，能及早预防突发事情的发生。因此，飞艇监控研究具有重大的意义。

采用飞艇作为监控平台有很有优势。相比其他飞行器而言，飞艇的有效载荷更加大；能够垂直起降，对起飞跑道没有要求，能够在任何地方起飞；能够在空中悬停；起飞和回收容易；用户掌握和使用比较方便、可行。民用无人驾驶飞艇成本较低，易于推广应用。同时采用飞艇作为载体，在一定程度上能降低其飞行控制系统技术，能够降低成本。文献(飞行力学，26(5)：28-31)采用变结构模型参考自适应控制方法设计了飞艇的定点控制器，但没有考虑到应用图像视觉实现智能自主定点控制。在飞艇监控过程中，飞艇的定点控制是一个关键问题，利用视觉图像设计高精度的飞艇定点控制技术具有重要的现实意义。摄像头可以用于现场监控，同时又可应用与控制，这就提出了基于视觉的飞艇定点控制问题。随着计算机视觉算法性能和可靠性的提高，非线性估计和识别技术的进步，计算机硬件技术的发展，以及完善的实时算法的应用，基于视觉的控制成为可能，并将成为研究的一个热点。

综上所述，基于视觉的飞艇定点控制技术是一个极其有价值的研究课题。其中需要解决的两个关键的问题是：一、飞艇位置和姿态的估计。二、控制器设计和图像和控制技术的结合。目前，国内外对位置和姿态的估计主要是针对无人机，我们可以参考无人机的位置和姿态估计算法来估计飞艇的位置和姿态。

(1)基于投影关系的方法

基于投影关系的方法通常要在飞艇定点视场内设置一个人工制作的监控图标，监控图标的尺寸以及在视场坐标系中的方向、位置参数一般都是已知的，从预先校准好的机载摄像机实时拍摄的图像中提取图标中某些特征元素的像面参数，利用投影前后的几何关系，首先求解出摄像机与监控图标的相对位置和姿态关系，然后经相应的坐标变换，将位姿关系转换到飞艇坐标系中，根据利用特征元素的不同，基于投影关系的方法又可以分为基于点信息的方法、基于平行线信息的方法、基于区域信息的方法和基于圆信息的方法。

(2)基于几何关系的方法

基于几何关系的方法也使用定点图标，但并不通过图标上的特征元素的像面投影获取位姿参数，而是借助多种机载传感器的信息，通过简单的立体几何关系来求解。

(3)基于模式识别的方法