一种无人直升机的着舰控制方法与流程

本发明属于机载光电设备技术领域，具体涉及一种舰载无人直升机的光电辅助着舰控制方法。

背景技术：

当舰载无人直升机计划着舰时，经雷达、gps等多项手段可引导至舰艇上方50米左右高度。

此时舰船停机坪是一个面积狭小的浮动平台，且会伴随着母舰发生不规则的纵倾、横摇和沉浮运动，理想着舰点可能在短时间内发生数米的改变，对于操作手来说仅靠目视判读很难实现安全着舰。

实现无人直升机与停机坪相对位置姿态测量的辅助着舰方法尚未见报道。

技术实现要素：

本发明针对上述背景，提供一种无人直升机的着舰控制方法，结合机载光电设备和舰船停机坪上的着舰标识实现无人直升机相对于停机坪理想着舰点位置姿态的准确测量。

步骤一，采用平面靶标法对机载光电设备中电视传感器的最大视场进行内方位元素标校，获得图像主点坐标(x0，y0）、焦距f以及畸变系数k1、k2；

步骤二，在无人直升机起飞前，对停机坪上着舰标识的各角点的平面几何关系进行预先测定；

步骤三，在无人直升机起飞并进入助降范围后，保证着舰标识出现在电视传感器的视场中心区域内，记录此时机载光电设备的方位角az和俯仰角el；

步骤四，舰面站实时获取电视传感器的单帧图像，采用轮廓提取算法提取出与着舰标识角点对应的像点坐标；

步骤五，根据透视投影变换关系解算出电视传感器视场中心与着舰标识各角点之间的相对位置姿态关系，从而辅助操作手完成无人直升机的自动/半自动着舰。

进一步，所述的着舰标识具有10个角点。

进一步，步骤四中的轮廓提取算法具体为：首先提取原始图像的轮廓，在经过高斯滤波、cany边缘提取后，先提取二值图像中的直线，存储了直线信息后去掉二值图像上的直线信息，再进行椭圆信息的提取，根据椭圆和直线的相交关系得到与着舰标识各角点一一对应的像点坐标。

进一步，步骤五中相对位置姿态关系的解算具体为：根据电视传感器的内方位元素，采用opnp算法求取电视传感器的旋转矩阵r和平移向量t，根据方位角az和俯仰角el按公式计算无人直升机相对于停机坪的姿态矩阵rh。

本发明的有益效果是：利用机载光电设备中电视传感器获取的停机坪场景图像，采用轮廓提取算法提取单帧图像上一系列已知几何关系的特定标志点，根据标志点空间坐标与其在靶面上投影坐标之间的透视投影关系，结合正交迭代优化的opnp位置姿态估计方法，实现了对无人机与舰船停机坪相对位置姿态的快速测量，特别适用于舰载无人直升机光电辅助着舰，具有极高的推广使用价值。

附图说明

图1为电视传感器的内方位元素标校面靶标；

图2为停机坪上着舰标识的标识点示意图；

图3为轮廓提取算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明设计了一种舰载无人直升机的光电辅助着舰控制方法，基于实验室预先标定的机载光电设备中电视传感器（电视摄像机）内方位元素，以及实时获取的电视传感器单帧图像，实现了无人直升机与停机坪相对位置姿态的测量，以辅助无人直升机着舰。其包括如下步骤：

步骤一，无人直升机在利用机载光电设备辅助着舰之前，需对其电视传感器的最大视场进行内方位元素标校，采用平面靶标法进行室内标校，获得其内方位元素，包括像主点坐标(x0，y0）、焦距f、畸变系数k1、k2，标校使用的平面靶标如图1所示，方法与目前使用最广泛的张正友平面标定法一致。

步骤二、无人直升机起飞前，还需预先测定停机坪上着舰标识（图案）的各角点（标识点）的平面几何关系，着舰标识的形状以及需要量测的角度如图2所示，该着舰标识上共计有10个角点。

步骤三，无人直升机起飞后，在靠近舰船高度50米附近（即进入助降范围）进行着舰时，机载光电设备保持固定的方位、俯仰角观察舰船停机坪，控制机载光电设备方位和俯仰转动，保证着舰标识出现在电视传感器的视场中心区域内，记录此时机载光电设备的方位角az和俯仰角el。

步骤四，舰面站（地面站）软件实时获取电视传感器的单帧图像，在接收到电视图像信息后，按图3所示流程首先提取原始图像的轮廓，在经过高斯滤波、cany边缘提取后，先提取二值图像中的直线，得到二值边缘图像；存储了直线信息后去掉二值图像上的直线信息，再进行椭圆信息的提取；在依次完成直线检测和椭圆检测、提取到了椭圆和直线后，根据二者的相交关系可提取出标识图案上已知几何关系的一系列标识点（即与着舰标识角点对应的像点坐标），完成标识点检测。

步骤五，根据透视投影变换关系解算出电视传感器视场中心与停机坪着舰标识各角点之间的相对位置姿态关系：

（一）在电视传感器内方位元素已知的情况下，用n个空间点与对应像点估计电视传感器的外参数，即求取旋转矩阵r和平移向量t，可以采用pnp算法解决此问题。pnp算法是一种非迭代线性求解算法，具有解算速度快、全局最优化较好的适用性，主要思想是将pnp问题转化为直接最小化求解问题，通过一种无单位的四元数表示法来表示旋转矩阵r，将pnp问题转为非约束最优化问题。

根据旋转矩阵的正交以及秩为1的特性，在令s=a²+b²+c²+d²的情况下，旋转矩阵r可表示为：

其中。

则可将pnp问题转化为解求下式的最小值：

式中m为由标识点空间坐标和靶面坐标所组成的一个2n×11的矩阵。

（二）通过上一步的解算出来的旋转矩阵r和平移向量t，结合记录的机载光电设备的方位角az、俯仰角el按公式计算可得无人直升机相对于停机坪的姿态矩阵rh；无人直升机相对于停机坪的位置可直接取平移向量t。

操作手在获取上述信息后，即可调整无人直升机的着舰姿态和速度，从而实现无人直升机的自动/半自动安全着舰。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。