一种无人机自主精确着陆系统及方法

摘要

本发明涉及无人机技术领域，且公开了一种无人机自主精确着陆系统，包括无人机主控系统和场地主控系统，所述场地主控系统的输出端双向电连接有数据收发模块，所述场地主控系统的输出端分别单向电连接有红外LED灯和红外线发射模块，所述无人机主控系统的输出端双向电连接有红外线接收模块；本发明通过红外技术，配合图像处理技术，使得无人机不易受到外界无线电信号因素影响，同时可在雾天或光线较弱环境下实现精准降落，解决了目前无人机着陆普遍采用基于GPS导航的方式，虽然精度高、使用简单，但信号易受无线电信号的干扰并易丢失的问题，同时不会出现基于图像识别的无人机会被天气和光线等因素影响的情况，值得推广。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种无人机自主精确着陆系统及方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。自动着陆是固定翼无人机整个自动飞行过程中最危险也是要求最高的过程。

目前无人机着陆普遍采用基于GPS导航的方式，虽然精度高、使用简单，但信号易受无线电信号的干扰并易丢失，而且基于图像识别的无人机会被天气和光线等因素影响，为此我们提出一种不易受到外界无线电信号因素影响，同时可在雾天或光线较弱环境下实现精准降落的着陆系统来解决此问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机自主精确着陆系统及方法，使得无人机不易受到外界无线电信号因素影响，同时可在雾天或光线较弱环境下实现精准降落，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人机自主精确着陆系统，包括无人机主控系统和场地主控系统，所述场地主控系统的输出端双向电连接有数据收发模块，所述场地主控系统的输出端分别单向电连接有红外LED灯和红外线发射模块，所述无人机主控系统的输出端双向电连接有红外线接收模块，所述红外线发射模块与红外线接收模块之间相互配合，所述无人机主控系统的输出端分别单向电连接有激光测距仪和摄像模块，所述无人机主控系统的输入端单向电连接有反馈单元，所述反馈单元的输入端单向电连接有判断单元，所述判断单元的输入端单向电连接有图像处理单元。

优选的，所述图像处理单元包括图像采集模块、图像预处理模块、跑道识别模块、地平线检测模块和跑道边缘线检测模块，所述图像采集模块的输出端与图像预处理模块的输入端单向电连接，所述图像预处理模块的输出端与跑道识别模块的输入端单向电连接，所述跑道识别模块的输出端与地平线检测模块的输入端单向电连接，所述跑道边缘线检测模块的输入端与地平线检测模块的输出端单向电连接。

优选的，所述图像预处理模块分两步操作，分别为重采样以及高斯金字塔滤波，所述跑道识别模块使用的具体处理技术为多尺度模版匹配技术以及支持向量机技术，所述地平线检测模块采用模式分类算法，所述跑道边缘线检测模块采用canny边缘检测算法。

优选的，所述无人机主控系统包括数据传输单元、自驾控制单元和计算单元，所述自驾控制单元采用开源飞行控制器Pixhawk，所述数据传输单元与数据收发模块之间配合使用。

优选的，所述场地主控系统的输出端单向电连接有LED标识灯珠，所述无人机主控系统的输出端单向电连接有探照灯，所述LED标识灯珠均匀嵌设在跑道边缘线中。

优选的，所述摄像模块的输入端单向电连接有调节模块，所述调节模块包括用于进行驱动的微型马达以及配合使用的齿轮。

优选的，所述红外线发射模块为红外发射器，其数量为三个且它们之间的连线构成正三角形，红外发射器的发射端呈斜向上75-80°，所述红外线接收模块为红外接收器且其数量与红外发射器相同。

优选的，所述摄像模块为CCD相机，且该相机的镜头端加装红外滤光片，该红外滤光片的厚度为2mm，所述红外LED灯的数量为多个且它们共同组成一个环形着陆区域，其功率为5W，所发出红外光的波长为930nm。

一种无人机自主精确着陆方法，其方法包括如下步骤：

步骤T1：当无人机需要着陆时，借助自身的数据传输单元和着陆场地的数据收发模块进行信息传递，使得无人机进入待着陆区域，激光测距仪、摄像模块、红外线接收模块、红外线发射模块、红外LED灯、LED标识灯珠和探照灯同步开始工作；

步骤T2：图像采集模块与摄像模块配合对着陆场地的现场图像进行采集，再通过图像预处理模块对图像进行处理，LED标识灯珠工作时发出亮光，跑道识别模块根据场地两侧带有亮光的线条识别出待着陆区域，并通过地平线检测模块和跑道边缘线检测模块进行场地边缘判断，借助判断单元和反馈单元反馈至主系统；

步骤T3：激光测距仪向正下方发射激光，并根据反射时间判断出此时无人机与地面之间的距离，直至下降至一定高度，此时无人机在竖直方向上不再动作，其顺着场地进行水平方向上的移动；

步骤T4：无人机借助摄像头对红外LED灯发出的红外光进行捕捉，通过调节模块对摄像方向进行调整，直至无人机飞行至环形的红外LED灯灯组正上方，此时无人机在水平方向上的位置不再变化，随后进行竖直方向上的下降动作；

步骤T5：无人机边缓慢下降边进行自身的旋转动作，直至某个红外接收器收到来自下方红外发射器的光束，之后无人机的位置进行微调，直至所有接收器均接收到下方的光束，停止自旋动作，此时无人机处于着陆位置的正上方，随后进行降落工作。

优选的，所述步骤T1-T2中，在处于可视的白天时，LED标识灯珠和探照灯均不工作，所述步骤T3中，无人机在竖直方向停止的高度高于多个红外发射器发射光束的交点位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过红外技术，配合图像处理技术，使得无人机不易受到外界无线电信号因素影响，同时可在雾天或光线较弱环境下实现精准降落，解决了目前无人机着陆普遍采用基于GPS导航的方式，虽然精度高、使用简单，但信号易受无线电信号的干扰并易丢失的问题，同时不会出现基于图像识别的无人机会被天气和光线等因素影响的情况，值得推广。

附图说明

图1为本发明系统原理图；

图2为本发明图像处理单元的系统框图；

图3为本发明无人机主控系统的系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3所示，一种无人机自主精确着陆系统，包括无人机主控系统和场地主控系统，场地主控系统的输出端双向电连接有数据收发模块，场地主控系统的输出端分别单向电连接有红外LED灯和红外线发射模块，无人机主控系统的输出端双向电连接有红外线接收模块，红外线发射模块与红外线接收模块之间相互配合，无人机主控系统的输出端分别单向电连接有激光测距仪和摄像模块，无人机主控系统的输入端单向电连接有反馈单元，反馈单元的输入端单向电连接有判断单元，判断单元的输入端单向电连接有图像处理单元。

本实施例中，图像处理单元包括图像采集模块、图像预处理模块、跑道识别模块、地平线检测模块和跑道边缘线检测模块，图像采集模块的输出端与图像预处理模块的输入端单向电连接，图像预处理模块的输出端与跑道识别模块的输入端单向电连接，跑道识别模块的输出端与地平线检测模块的输入端单向电连接，跑道边缘线检测模块的输入端与地平线检测模块的输出端单向电连接，它们之间共同配合，用于进行无人机的辅助着陆工作。

本实施例中，图像预处理模块分两步操作，分别为重采样以及高斯金字塔滤波，跑道识别模块使用的具体处理技术为多尺度模版匹配技术以及支持向量机技术，地平线检测模块采用模式分类算法，跑道边缘线检测模块采用canny边缘检测算法，通过图像预处理模块的设置，在得到的一系列图像经过预处理之后，原来的图像就变成了滤波图像，通过跑道识别模块的设置，其主要作用是对前面得到的预处理图像开展进一步的处理，地平线检测模块和跑道边缘线检测模块的主要功能是对图像进行切割处理，对天空和地面进行区别，以确定地平线。

本实施例中，无人机主控系统包括数据传输单元、自驾控制单元和计算单元，自驾控制单元采用开源飞行控制器Pixhawk，数据传输单元与数据收发模块之间配合使用。

本实施例中，场地主控系统的输出端单向电连接有LED标识灯珠，无人机主控系统的输出端单向电连接有探照灯，LED标识灯珠均匀嵌设在跑道边缘线中，它们主要在夜晚或者光线较暗的情况下工作，以确保无人机识别到大致降落位置。

本实施例中，摄像模块的输入端单向电连接有调节模块，调节模块包括用于进行驱动的微型马达以及配合使用的齿轮，用于对摄像头的朝向进行微调。

本实施例中，红外线发射模块为红外发射器，其数量为三个且它们之间的连线构成正三角形，红外发射器的发射端呈斜向上75-80°，红外线接收模块为红外接收器且其数量与红外发射器相同，三个发射器构成的区域即为降落区域，采用三点交汇可确定降落位置的中心，交汇点位于降落中心的中垂线上。

本实施例中，摄像模块为CCD相机，且该相机的镜头端加装红外滤光片，该红外滤光片的厚度为2mm，红外LED灯的数量为多个且它们共同组成一个环形着陆区域，其功率为5W，所发出红外光的波长为930nm，红外滤光片主要是为了排除可见光的影响。

一种无人机自主精确着陆方法，其方法包括如下步骤：

步骤T1：当无人机需要着陆时，借助自身的数据传输单元和着陆场地的数据收发模块进行信息传递，使得无人机进入待着陆区域，激光测距仪、摄像模块、红外线接收模块、红外线发射模块、红外LED灯、LED标识灯珠和探照灯同步开始工作；

步骤T2：图像采集模块与摄像模块配合对着陆场地的现场图像进行采集，再通过图像预处理模块对图像进行处理，LED标识灯珠工作时发出亮光，跑道识别模块根据场地两侧带有亮光的线条识别出待着陆区域，并通过地平线检测模块和跑道边缘线检测模块进行场地边缘判断，借助判断单元和反馈单元反馈至主系统；

步骤T3：激光测距仪向正下方发射激光，并根据反射时间判断出此时无人机与地面之间的距离，直至下降至一定高度，此时无人机在竖直方向上不再动作，其顺着场地进行水平方向上的移动；

步骤T4：无人机借助摄像头对红外LED灯发出的红外光进行捕捉，通过调节模块对摄像方向进行调整，直至无人机飞行至环形的红外LED灯灯组正上方，此时无人机在水平方向上的位置不再变化，随后进行竖直方向上的下降动作；

步骤T5：无人机边缓慢下降边进行自身的旋转动作，直至某个红外接收器收到来自下方红外发射器的光束，之后无人机的位置进行微调，直至所有接收器均接收到下方的光束，停止自旋动作，此时无人机处于着陆位置的正上方，随后进行降落工作。

本实施例中，步骤T1-T2中，在处于可视的白天时，LED标识灯珠和探照灯均不工作，步骤T3中，无人机在竖直方向停止的高度高于多个红外发射器发射光束的交点位置。

本发明通过红外技术，配合图像处理技术，使得无人机不易受到外界无线电信号因素影响，同时可在雾天或光线较弱环境下实现精准降落，解决了目前无人机着陆普遍采用基于GPS导航的方式，虽然精度高、使用简单，但信号易受无线电信号的干扰并易丢失的问题，同时不会出现基于图像识别的无人机会被天气和光线等因素影响的情况，值得推广。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。