[发明专利]一种基于视觉定位的四旋翼无人机自主降落方法

权利要求书

1.一种基于视觉定位的四旋翼无人机自主降落方法，该方法针对的无人机降落标志视觉由正三角形和同心圆环组成，并且其中同心圆由一个黑色半圆和一个白色半圆组成，从而形成了黑白分明的分界线，即航向参考线；所设计的无人机降落标志以白色为背景，由一个边长为l的黑色正三角形和一个半径比为R/r＝2的白色圆环组成，中心位置由黑色半圆和白色半圆构成并形成了一条分界线；黑色正三角形用于无人机自主降落第一阶段确定无人机与降落标志的位置偏差，此时机载摄像机捕获到整个降落标志，随着无人机高度的下降，机载摄像机不能完整地捕获到黑色正三角形，此时进入无人机自主降落第二阶段，利用内部白色圆环确定无人机与降落标志的位置偏差，同时利用航向参考线计算无人机偏航角，从而实现无人机的分段自主降落；其特征在于，包括图像预处理、标志检测与识别和姿态估计三个步骤，具体步骤如下：

步骤一：图像预处理

将摄像头采集的彩色图像转换为灰度图像，之后对灰度图像进行阈值分割，最后使用中值滤波器对阈值图像进行进一步处理，得到轮廓清晰、区域分明的二值图像；

步骤二：标志检测与识别

降落标志的检测根据无人机的飞行高度分为两个阶段；第一阶段检测黑色正三角形的轮廓并根据其面积-周长比判定是否为降落标志，为无人机提供位置参数；第二阶段利用Hough圆变换检测黑色正三角形内部的白色同心圆并根据其半径比判定是否为降落标志，同时检测中心航向参考线的两个端点，解算出无人机的位置参数和偏航角；

步骤三：无人机姿态估计

无人机姿态估计是自主降落过程的最后一个步骤；无人机自主降落方法分为快速下降接近标志和精确调整完成着陆两个阶段，因此，无人机在降落过程中的姿态解算也分两个阶段进行；

第一阶段通过步骤二得到的黑色正三角形轮廓计算其质心位置C₁(u_triangle,v_triangle)，并将其坐标值与图像中心点P₀(u₀,v₀)对应坐标值进行运算得到像平面坐标系下的坐标值P_i(x_i,y_i)，也即无人机中心与降落标志中心在像平面坐标系中的偏差，计算偏差公式如下：

式中，dx、dy表示像元尺寸，根据成像的相似三角形原理，得到无人机实际的位置偏移X_error和Y_error，实际位置偏移公式如下：

式中，H表示无人机当前飞行高度，通过判断x_i、y_i、X_error和Y_error的正负确定无人机位置调整的方向；

随着无人机高度的下降，当达到设置的高度阈值H_thresh，便进入无人机自主降落第二阶段；

第二阶段通过步骤二中圆环检测得到降落标志中白色同心圆的圆心位置C₂(u_circle,v_circle)，同样根据公式(1)和公式(2)得到无人机实际的位置偏移；之后计算无人机的偏航角完成姿态估计。