基于移动起降平台的无人机定点降落混合模式探究.pdf
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1、:./.基于移动起降平台的无人机定点降落混合模式探究史欣茹 龙泽宇 邹哲之 刘亦博 周 航中国民航大学中欧航空工程师学院 天津 摘 要:本文技术应用于无人机对风电场或电力设施进行远程巡检由于无人机续航里程较短无法通过一次充电直接到达目标点可利用小型无人载具先搭载无人机抵近目标再在起降平台上完成起飞并在执行任务后返回降落到平台上 针对该过程中如何实现无人机定点精准降落问题本文提出一种无人机定点降落混合模式重点研究无人机与起降平台的粗定位技术与基于图像识别的精准降落技术同时利用携带二维码的 机器狗进行仿真实验验证目标识别方法的有效性关键词:无人机精准定位垂直降落可移动平台图像识别:.:一、概述(一
2、)研究背景无人机是利用无线电控制技术和机载自动化控制装置操纵的无人飞行器 近年来无人机在长时监控、航空拍摄、电力巡检、城市交通监控、灾难现场搜救等任务中展现出了优秀的应用性能其中无人机对可移动目标的追踪定位问题一直是无人机技术研究的热点 此技术在现实生活中有广阔的应用空间和技术需求 例如用于城市反恐中对犯罪车辆的跟踪、通过无人机对风电叶片进行巡检同时无人机追踪定位技术始终存在技术局限比如在复杂环境中进行人员搜捕时或在对可移动目标进行追踪巡航时无人机只能追踪带有特定明显特征的物体无法追踪没有标识的目标 由于无人机载荷小、续航能力弱飞行高度有限其应用场景与使用范围也具有局限性难以完成远距离载重任务
3、在结冰等极端天气环境下的飞行高度与续航能力更大幅降低无人载具的出现和应用为解决无人机续航力短问题提出了新的思路:利用小型无人载具搭载无人机抵近目标再在起降平台上完成起飞可有效弥补无人机续航缺陷拓宽应用场景 在无人机与移动载具相结合方面人们曾做出许多尝试该技术更多是用在军事和城市治安上 例如美研究人员构想未来军事上将依靠空中/地面自主无人装备在无需士兵干预的情况下执行任务无人机与热成像动作捕捉技术相结合可自动识别追踪目标善于发现隐蔽目标中国防务公司发布的“空头战术机器狗”利用机器狗携带武器再由无人机运送战术上具备很高的潜力而在风电行业领域无人机多用于风电巡检主要是对叶片的检测 随着风电生产管理向
4、精细化发展对风机组核心部件的运行维护水平提出了越来越高的要求 传统的集电线路巡视都是靠人工步行或开车沿着线路路径进行检查费人费力费时而利用无人机巡检结合移动载具可提前规划飞行路径且避免地形地势影响大幅提高工作效率 因此在无人机结合移动起降平台背景下研究一种在室外实现精确、鲁棒的垂直降落系统十分必要(二)国内外研究现状无人机定点降落技术应用面广吸引大批国内外学者及研究团队对其进行研究在无人机视觉识别下降理论和实践方面都取得了很多成果 年 等针对下降过程中无人机数据精度的不准确性提出了计算机视觉 光流法之后 等基于单目相机与卡尔曼滤波开发了一种无人机精确降落新方法通过 反馈不断调节无人机位置 同年
5、等通过搭载机载处理器对图像信息进行实时处理避免 科技风 年 月电子信息了离线处理的传输延时 等提出了一种检测与跟踪相结合的高效检测框架利用视觉目标跟踪算法持续跟踪目标位置具有更高效率国内关于无人机在可移动平台上的自主降落技术研究起步时间晚于国外但在近几年也同样取得了一些突破 年清华大学 等通过采用模板匹配算法进行检测识别自适应阈值分割算法来提升算法精确度 年韩利华提出将视觉与惯性导航融合的方法 年国防科学技术大学金绍港提出利用 区域选择法及 目标跟踪算法进行图像检测缩小图像遍历像素 年学者 等在文章中模拟预测控制方法应用于无人机降落问题使用了仿真环境进行模拟验证效果良好综上可知无论国外还是国内
6、在无人机基于可移动平台的自主降落技术上已有大量研究 然而在室外复杂环境中如何确保图像定位识别准确性避免不同时段光线强弱、风力、相似标志等环境因素的干扰在着陆过程中对无人机进行稳定控制同时做到尽可能提高图像处理速度缩短响应时间仍有待进一步研究本文研究无人机在可移动平台上实现由远及近的自主降落的一种混合模式 首先应用可移动载具与无人机的位置信息交互进行粗定位再利用对机器狗的目标识别进行精准定位最后利用二维码作为关键参照物通过无人机视觉精准降落方法与技术完成无人机的自主精准降落二、基于移动起降平台的无人机定点降落混合模式概述为了使得无人机在野外能够自主完成移动平台上的起降我们提出基于移动起降平台的无
7、人机定点降落混合模式 由卫星导航粗定位、目标识别、二维码精准降落三部分组成(一)卫星导航粗定位由于无人机携带的视觉设备可观察范围受限因此在远程导引阶段即在视觉设备因为距离问题而无法捕获标识信息时采用卫星导航等方式将无人机引导到机械狗附近 基站通过预定算法对无人机进行运动控制使机械狗处于视觉设备可观察范围之内(二)识别完成对机械狗的跟踪无人机携带的视觉传感器对机械狗所在区域扫描拍摄经过图像的预处理后由所配置的 程序进行识别判断机械狗的准确位置在程序评分较高的条件下生成无人机和机械狗之间的相对位置和相对运动关系基站根据相对位置和运动关系生成导引指令递交给无人机的飞行控制系统使其以合适的方位和速度靠
8、近机器狗(三)二维码引导的精准降落在二维码进入相机视野范围内后利用 等图像处理技术对二维码图像进行采集边缘处理将处理后的二维码信息反馈给无人机飞行控制系统并完成分别以机械狗、云台相机和无人机为参考系的坐标转换得到无人机与平台的相对位置控制无人机迅速且准确地达到期望状态如此不断进行反馈使无人机沿着以机械狗为参考系的指定线路抵近到达二维码正上方进行降落最后在到达安全高度后关闭电机完成降落由上述可得无人机降落基本流程如图 所示在后续三个章节中将详细论述三个过程采用的具体方法图 无人机由远及近的基本降落流程图三、卫星导航信息交互无人机在飞行过程中其状态要实时反馈为了精准和及时对无人机发出指令我们要获取
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