[发明专利]一种基于模糊控制的多旋翼无人机集群视觉着降方法

权利要求书

1.一种基于模糊控制的多旋翼无人机集群视觉着降方法，其特征在于，首先进行下述工作准备：

1)无人机集群降落标识设计

降落标识采用着色圆形，着色圆形中有阿拉伯数字，每个着色圆形内有一个数字，数字不重复；无人机通过识别含有不同数字的着色圆形区域，找到自己的降落位置；

2)无人机集群降落标识布局设计

采用三机三角形布局作为基本布局单位进行着降点的排列，其中r为无人机的安全距离，即以无人机为中心，半径为r的圆周范围内应避免其他物体的介入；在实际的集群着降中，r需要按照无人机结构与尺寸、机载硬件性能进行调整；无人机数量多于3架时，分为若干三角布局单元；不足3架机的倍数时通过虚拟标识进行补全；

所述基于模糊控制的多旋翼无人机集群视觉着降方法具体包括下列步骤：

第一步：无人机集群通过GPS、惯导等导航设备到达降落航点，此时无人机与降落点存在误差；

第二步：每架无人机对采集的图像进行目标检测，并进行如下判断：

(1)未检测到本机对应的降落标识，则重新采集图像进行检测，如果连续n帧未检测到对应的降落标识，则升高Hm，并判断此时高度是否大于指定高度阈值，如果大于，则飞回初始降落航点与初始高度，重复检测步骤；如果不大于，则继续检测对应的降落标识；连续S次无法降落，则向地面站监控模块发送指令，请求人工降落；

(2)检测到本机对应的降落标识，则在像素坐标系中计算降落标识中心的位置(u_t，v_t)与视野中心(u₀，v₀)的像素距离d_t和相对方向θ_t：

通过机载设备获得无人机当前高度和当前高度的像素比ε；像素距离与像素比ε相乘得到无人机与降落标识中心的实际水平距离e：

e＝εd_t

无人机在导引模式中只需要在当前高度内调整，因此在机体坐标系中，降落标识与无人机的相对方向用角度θ标识，θ＝θ_t；

第三步：将无人机与降落标识中心的实际水平距离e与位姿传感器信息结合，通过模糊控制解算视觉导引信号，模糊控制过程如下：

(1)设置输入变量e和ec，其中ec为e的变化率；输出变量为无人机的速度v与加速度a；

(2)将输入输出变量分为5个模糊子集：正大PM、正小PS、零ZO、负小NS、负大NM；输入输出变量的论域均为[-v_max，v_max]；

(3)模糊控制规则的标准为：“误差越小，速度越小”、“误差越大，速度越大”；“误差变化率越小，加速度越小”、“误差变化率越大，加速度越大”；具体模糊规则如表1；

表1模糊控制规则表

(4)模糊控制输出的模糊量不能直接用于控制执行机构，采用重心法将模糊量去模糊化转换为一个精确量；

其中，μ(z)为输出量z所在模糊集合的隶属度函数，z₀为模糊推理得到的精确量，α、β分别为输出量z所在模糊集合的左右端点；z₀的范围可能和执行机构要求的数值范围不一致，还需要进行论域变换，如下式所示：

其中，k＝(u_max-u_min)/(z_max-z_min)为比例分子，[u_min，u_max]为实际控制量的变化范围，[z_min，z_max]为z₀的变化范围；解算出v与a的精确量之后，采用加权和v＝λv+(1-λ)a决定最终的速度控制量，使无人机飞行状态更加平滑；

第四步：将速度控制量发送给飞行控制系统，控制系统根据期望速度进行控制，使旋翼无人机往靠近目标点的方向调整；

无人机响应指令后，进行如下判断：

(a)无人机当前高度大于指定高度阈值；

①无人机调整后，与降落标识中心的实际水平距离小于等于指定距离阈值时，降落到当前高度的w％；

②无人机调整后，与降落标识中心的实际水平距离大于指定距离阈值时，回到第二步；

(b)无人机当前高度小于等于指定高度阈值；

①无人机调整后，与降落标识中心的实际水平距离小于等于指定距离阈值时，直接降落到降落标识上；

②无人机调整后，与降落标识中心的实际水平距离大于指定距离阈值时，回到第二步。