基于视觉的无人机着陆导航

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1、1.惯性导航系统(INS):利用惯性元件来感测飞机或其它载体的运动加速度。经过积分运算，从而求出导航参数以确定载体位置。2.仪表着陆系统(ILS):地面设备由两部分组成，它们分别向飞机着陆方向连续发送两个不同频率的高频无线电调幅波，通过判断两个信号的强度关系以及利用2-3个距离检测点提供的信息，指引飞机按预定轨迹降落。3.微波着陆系统(MLS):微波着陆系统是新一代飞机精密引导着陆系统，它是一种工作在C波段的自主式飞机进场着陆系统。该系统与目前使用的仪表着陆系统相比，具有覆盖范围宽(方位±40°，仰角0.9°～15°)、引导精度高、进

2、场方式灵活、抗干扰能力强等特点[1]。4.全球导航定位系统(GPS):近十年来，随着GPS应用技术的发展，美国及欧洲国家在基于GPS的进场着陆技术方面进行了大量的研究工作。利用GPS/DGPS所提供的地心坐标，转换为机场跑道为坐标原点的大地坐标系，由此可方便地设计出任意一条着陆的空间三维基准路线。GPS具有技术成熟、精度高等特点。表1.1国外典型无人机的起飞着陆方式及导引体制名称类型起飞/着陆方式控制与制导其他”全球鹰”高空长航时无轮式起飞着陆自动完成从起飞两个人负责用(GlobalHawk)人驾驶侦察机到着陆的整个过差分GPS指挥自

3、美国程GPS/INS导航动起飞和着陆”捕食者”无人侦察机轮式起飞着陆GPS/INS导航只需一段大约(Predator)可降落伞紧急700米的平坦地美国回收面就可以起飞”猎人”战术无人机常规起飞着陆GPS导航，遥控/美国也可伞降回收预编程控制”影子”600多用途无人机轮式起飞着陆惯性导航、远距半自主式飞行(Shadow)可用降落伞/翼无线电导航系统美国伞回收或者GPS导航系统”开拓者”太阳能试验无轮式起飞着陆遥控飞行(Pathfinder)人机GPS导航系统”苍鹭”(Heron)高空长航时无轮式起飞着陆飞行中由预先编可收放式起落以色列人机

4、好的程序控制架21.2.2无人机着陆导航系统的技术要求一般说来，任何一种着陆导引系统都要满足三种要求[2]：1.可靠性：或者说低故障率；2.完整性：即保证出现故障能被快速检测到，并且重构出满足要求的信息；3.准确性。国际民航组织(ICAO)将飞机进场着陆划分为三个等级，其中对Ⅲ级自动着陆又分为a、b、c三级。等级划分的依据是决断高度(DH)，跑道能见度和跑道视距(RVR)。具体要求如表1.2所列[3]。表1.2进场着陆等级要求进场着陆等级IIIIIIaIIIbIIIc决断高度/m>6060»30000跑道能见度/m800400210跑

5、道视距/m760730»370>210>506接地实际区跑道表面具有可见域和跑道中具有可见的外界基备注心线有灯光的外界基准作为滑照明时RVR准标志行引导为550mICAO规定的进场和着陆的精度是水平和垂直误差极限来表示的，见表1.3所列。表1.3精密进场/着陆的精度要求着陆等级参考点离地高度/m水平精度2σ/m水平精度2σ/mII级决断高度6017.14.1IIII级决断高度305.11.7IIIIII级决断高度154.00.51.3基于计算机视觉的自主进场着陆方案1.3.1主要飞机着陆系统的缺陷惯导的误差随运动载体运动时间的增加而累

6、计。而可靠、精密、自动的引导是无人机自动起降成功的关键之一[1]。3ILS系统的缺点是，发射单一固定的下滑道，波束覆盖区很小，成比例的控制区更小，不能引导飞机曲线进场和分段进场。MLS虽然能提供各种进场航线，但造价高，地面和机载设备要求高。基于DGPS的自主着陆研究工作应该说已经进展到相当的阶段，DGPS有其自身优越性但也有其致命缺陷，即信号的完整性不是很高(所以才有信息完整性研究)，有研究记录表明，一个GPS的错误最迟有可能在几分钟以后才被报告，这显然在着陆阶段是不能允许的。而且这个缺陷难以由GPS自身弥补，加之由于GPS定位信号来

7、自飞机外部数据链，一旦数据链路中断或受到干扰，定位信息的准确性就会大大下降，甚至无法工作。特别的，由于常用的仪表着陆、微波着陆以及GPS/DGPS等导航方式都要依赖飞机以外的设备所提供的信号进行导航，所以依靠这些技术只能完成半自主（自动）着陆。机器视觉（MachineVision）由于其经济、无源、信息丰富等特点，成为无人机自主着陆中不可缺少的重要信息源[3]。基于视觉的自主着陆由于不依赖于地面和空中导航设备，在电子对抗方面，在提高自主化程度方面都有较大的优越性，所以目前国内外对该项目的研究多集中在采用基于计算机视觉的自主着陆技术方面

8、。1.3.2基于视觉飞机着陆的研究进展视觉信息用于飞机着陆导航发展之初主要是作为其他导航系统的补充，或者与其他系统相结合。比如在文献[4]中，机器视觉作为GPS导航系统的辅助系统被应用于飞机夜间着陆导航。该文利用的主要视