[发明专利]超小型无人旋翼飞行器野外定点零盲区自主软着陆方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超小型旋翼飞行器野外定点零盲区自主软着陆方法。该方法的特征是根据双目异向运动与前庭动眼反射的复合运动控制机理，补偿在颠簸环境下超小型无人旋翼飞行器自主着陆时由飞行器姿态变化以及传统双目视觉系统的盲区问题。

背景技术

超小型无人旋翼飞行器的特征尺寸在120-180cm之间，具有垂直起降、空中悬停、机动性好、携带方便、隐蔽性好、成本低等特点，在现代军事、反恐防暴、公共安全以及民用等方面具有十分广阔的应用前景。

正是因为上述特点和应用前景，在最近二十年来小型无人旋翼机的研究在世界范围内经历了一个黄金发展时期。美国、欧洲各国、日本、以色列以及中国等都在无人旋翼飞行器的制导、导航与控制方面发展迅速，目前已基本实现了空中自主飞行，但是在自主着陆方面还是以遥控或半自主/半遥控为主。目前机器人的作业环境正从结构环境走向非结构环境，就地况而言，野外地面的崎岖不平、地势高低起伏；都市高楼设施林立、车流人流频繁等都严重妨碍了超小型无人旋翼机的安全着陆。这要求无人旋翼飞行器可以在野外或都市恶劣的环境下实现安全自主着陆。

因此，超小型无人旋翼飞行器的自主着陆成为国际上的研究热点，例如美国的卡内基梅隆大学、南加州大学、加州大学伯克利分校、加州理工学院、日本千叶大学、瑞典林雪平大学以及国内的国防科技大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等都在开始开展这方面的研究，并取得一定的突破。尽管上述研究机构的自主着陆系统各有特点，但野外自主着陆系统的技术特征可以概括为：1）自动寻找着陆目标区域，要求超小型无人旋翼飞行器能自动搜寻并检测一块面积与起落架着陆面积相当的平坦面，即安全着陆目标；2）准确的着陆状态估计；3）在10m高度范围内获取的高精度信息反馈给着陆控制器。在整个降落过程中，精确的高度控制尤为重要，特别是在近地面2m高度范围内，由于下洗气流的地面效应影响很大，很小的高度偏差也会影响飞行器姿态控制，从而造成很大的着陆位置偏差和冲击，甚至撞机或摔机。为此，上述研究机构等都指出在着陆过程中必须获取高精度的高度信息反馈给控制器。

高度测量一般可采用超声、激光等传感器，但这些传感器接近地面时都有一定的盲区和误差，在近地面时其测量精度也会受到较大影响。高精度差分GPS在野外着陆有一定优势，然而GPS的测距精度易受环境因素的影响，尤其在近地面时，DGPS的测距精度会受到严重影响，达不到着陆对高度控制的精度要求，研究界称为GPS失效区域（GPS-Denied Environments）。例如卡内基梅隆大学、南加州大学等都采用空中GPS获取高度信息，通常在离地2m或1.5m时切换为声纳或激光等传感器进行高度控制，但是他们的着陆偏差大于40cm、方向偏差在7度以上，尚不能满足野外自主着陆的要求。另外，对于超小型旋翼飞行器而言，其负载能力有限，不适合携带高精度的声纳、激光等传感器系统。

随着计算机视觉技术的发展，新型的视觉传感器可为无人旋翼机提供高精度的运动参数估计信息（包括无人旋翼机的角速度、线速度、姿态角以及无人机相对于着陆目标的位置）。目前，国内外许多研究机构都开展了将视觉系统应用于小型无人旋翼机的自主着陆的研究。基于双目视觉的自主着陆系统，在着陆过程中不需要特殊的标志，同时具有测距精度高的优点，卡耐基梅隆大学、南加州大学、以及千叶大学等都开始尝试使用机载双目视觉来获取精确的高度信息。但上述研究机构采用的是两个摄像头是固定的双目视觉系统，即两个摄像机的光轴平行，虽然能获取较远的深度信息，但是近距离盲区会增大，随着飞行器离地面越近，着陆目标区域会进入盲区当中（如图1所示）。