无人机自主着陆系统、方法和无人机

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种无人机自主着陆系统、方法和无人机。

背景技术

随着无人机行业的迅猛发展，对于无人机产品的需求已经不仅仅局限于小型消费级旋翼无人机，各行各业对于大型复合翼载人或载货无人机的需求也越来越凸显，并且对无人机着陆的自主性和精确性的要求越来越高。由于GPS信号容易被遮挡物干扰和精确度较低的特点，无人机仅仅依靠GPS位置信息实现固定位置着陆的精度，无法满足现在对无人机自主精准着陆的需要。因此，无人机在使用GPS信息辅助实现固定位置自主精准着陆之外，还需要更多的信息来辅助完成着陆功能。

随着视觉目标识别定位技术的不断发展成熟，将视觉目标定位方法与现有技术相结合来辅助无人机实现固定位置自主精准着陆方法效果越来越好。对于小型消费级无人机具有飞行高度低和体积小易控制的特点，只需要使用简单的摄像头装置在较低位置就能辅助无人机实现固定位置自主着陆的功能，对于体积重量较大和飞行高较高的复合翼无人机更不容易控制，所以需要在更高的高度就要开始位置自主引导。但是，普通焦距相机无法满足视觉目标定位方法对识别距离的要求，如果将相机换成长焦距相机时可以满足视觉定位方法，但无人机降到低空时使用长焦相机导致图像范围较小，无人机的摆动会使目标定位算法极易丢失目标导致辅助引导失败。所以，在无人机自主着陆功能中能同时满足高空和低空要求的目标识别定位方法成为一种关键技术。

发明内容

本发明提供一种无人机自主着陆系统、方法和无人机，用于同时解决无人机识别着陆点的高度较低，以及接近地面时丢失检测目标的问题。

本发明实施例提供一种无人机自主着陆系统，所述系统包括：

信息采集模块，在所述无人机上设置至少两个具有不同识别范围的着陆传感器，用于采集着陆相关信息，所述至少两个着陆传感器的识别范围，依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段；

着陆点识别模块，在无人机所处环境仅适用唯一着陆传感器时，利用该着陆传感器采集的着陆相关信息，识别着陆目标点；在无人机所处环境可以适用至少两个着陆传感器时，综合所述至少两个着陆传感器采集的着陆相关信息，识别着陆目标点；

控制模块，控制所述无人机着陆到所述着陆目标点。

可选的，所述着陆点识别模块包括：

信息预处理单元，对所述着陆传感器采集的着陆相关信息进行预处理；

目标识别单元，根据预处理后的着陆相关信息，检测着陆目标点；

数据处理单元，根据所述目标识别单元检测的着陆目标点，计算无人机与着陆目标点的相对位置关系。

可选的，所述数据处理单元中，当无人机所处高度可以使至少两个着陆传感器所采集的着陆相关信息均可识别出着陆目标点时，分别计算无人机与着陆目标点的相对位置关系，并将所述至少两个着陆传感器得到的相对位置进行加权平均，得到最终的相对位置关系。

可选的，当所述着陆传感器的数量为两个时，分为第一着陆传感器和第二着陆传感器，对着陆传感器得到的相对位置进行加权平均，权重通过以下方式确定：

首先设定第一高度阈值和第二高度阈值，所述第一高度阈值大于第二高度阈值；

当无人机高度大于第一高度阈值时，赋予所述第一着陆传感器得到的相对位置较高的权重；

当无人机高度小于第一高度阈值且大于第二高度阈值时，第一着陆传感器和第二着陆传感器得到的相对位置相同的权重；

当无人机当前高度小于第二高度阈值时，赋予所述第二传感器得到的相对位置较高的权重。

可选的，所述着陆传感器为焦距不同的摄像头。

可选的，所述摄像头的数量为2个，分别为短焦距广角摄像头和长焦距摄像头。

本发明实施例提供一种无人机自主着陆方法，所述方法包括：

获取至少两个着陆传感器采集的着陆相关信息并进行预处理，所述着陆传感器具有不同的识别范围，所述识别范围依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段；

对预处理后的着陆相关信息分别进行着陆目标检测，得到着陆目标位置信息；

当无人机所处高度仅适用唯一着陆传感器时，利用所述唯一着陆传感器得到的着陆目标位置信息，控制无人机着陆着陆到目标位置；

当无人机所处高度可以适用两个以上的着陆传感器时，对所述两个以上的着陆传感器得到的着陆目标位置信息进行加权平均，得到优化着陆目标位置信息，利用所述优化着陆目标位置信息，控制无人机着陆着陆到目标位置。

可选的，当所述着陆传感器的数量为两个时，分为第一着陆传感器和第二着陆传感器，对着陆传感器得到的着陆目标位置信息进行加权平均，权重通过以下方式确定：

首先设定第一高度阈值和第二高度阈值，所述第一高度阈值大于第二高度阈值；

当无人机高度大于第一高度阈值时，赋予所述第一着陆传感器得到的相对位置较高的权重；

当无人机高度小于第一高度阈值且大于第二高度阈值时，第一着陆传感器和第二着陆传感器得到的相对位置相同的权重；

当无人机当前高度小于第二高度阈值时，赋予所述第二传感器得到的相对位置较高的权重。

可选的，所述着陆传感器为焦距不同的摄像头。

本发明实施例提供一种无人机，所述无人机自主着陆时使用上述无人机自主着陆系统或无人机自主着陆方法。

本发明提供的一种无人机自主着陆系统、方法和无人机，通过在无人机上设置至少两个具有不同识别范围的着陆传感器，用于采集着陆相关信息，所述至少两个着陆传感器的识别范围，依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段；在无人机所处环境仅适用唯一着陆传感器时，利用该着陆传感器采集的着陆相关信息，识别着陆目标点；在无人机所处环境可以适用至少两个着陆传感器时，综合所述至少两个着陆传感器采集的着陆相关信息，识别着陆目标点；最终控制所述无人机着陆到所述着陆目标点。

本发明使用了至少两个具有不同识别范围的着陆传感器，实现无人机自高空精准着陆，解决了完全依靠GPS数据进行着陆时存在GPS进行定点着陆有精准度低和GPS易受干扰的问题。同时也解决了使用单一着陆传感器(例如摄像头)时，着陆的起始高度受单一传感器识别范围的限制的问题。本发明通过至少两个着陆传感器的配合，在保证着陆精确度的同时，提高了无人机自主着陆的起始高度，强化了无人机着陆的自主性和精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中无人机自主着陆系统的框图

图2是本发明一实施例中无人机自主着陆方法的流程图

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作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。

本发明提供一种无人机自主着陆系统，如图1所示，所述系统包括：信息采集模块、着陆点识别模块和控制模块。其中着陆点识别模块包括信息预处理单元、目标识别单元和数据处理单元。

其中，信息采集模块包括，在所述无人机上的至少两个具有不同识别范围的着陆传感器，用于采集着陆相关信息。所述着陆传感器安装于机腹下，用于采集包括着陆目标点位置在内的着陆相关信息。

所述信息采集模块中的至少两个着陆传感器的识别范围，依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段。其中，“依次”是指在无人机自较高高度着陆的过程中，各个着陆传感器具有不同的适用高度范围，各个着陆传感器在各自的范围内采集着陆相关信息，用于后续的着陆点识别。识别范围可重叠是指，本发明着陆传感器的选取可以允许无人机在处于某一高度时，有两个或两个以上的着陆传感器均能识别着陆点的情况存在。所述无人机着陆时的各阶段可以以高度进行划分，并结合着陆传感器的具体识别范围进行划分。

在本发明提供的一个实施例中，所述着陆传感器为安装于机腹下的摄像头，其识别范围是指摄像头的视野范围，具体为摄像头的焦距存在差别，用于保证在不同的高度中，均可清晰的采集着陆目标图像。所述着陆目标点为涂刷在着陆点的着陆标志。

所述无人机自主着陆系统还包括着陆点识别模块，在无人机所处环境仅适用唯一着陆传感器时，利用该着陆传感器采集的着陆相关信息，识别着陆目标点；在无人机所处环境可以适用至少两个着陆传感器时，综合所述至少两个着陆传感器采集的着陆相关信息，识别着陆目标点。

所述着陆点识别模块，具体包括：

信息预处理单元，对所述着陆传感器采集的着陆相关信息进行预处理，提高后续目标识别单元识别的准确率；

目标识别单元，根据预处理后的着陆相关信息，检测着陆目标点，所述着陆目标点为涂刷在着陆点且带有特征信息的图像标志着陆标志。

数据处理单元，仅在可以适用至少两个着陆传感器时，综合所述目标识别单元得到的至少两个着陆传感器检测的着陆目标点，得到最终着陆目标点。

在本发明提供的一个实施例中，所述数据处理单元中，当无人机所处高度可以使至少两个着陆传感器所采集的着陆相关信息均可识别出着陆目标点时，分别计算无人机与着陆目标点的相对位置关系，并将所述至少两个着陆传感器得到的相对位置进行加权平均，得到最终的相对位置关系。

在本发明提供的一个实施例中，所述着陆传感器的数量为两个，分为第一着陆传感器和第二着陆传感器，其中第一着陆传感器识别范围覆盖的着陆高度高于所述第二着陆传感器识别范围覆盖的着陆高度。本实施例中，所述对相对位置进行加权平均的具体方法为：首先设定第一高度阈值和第二高度阈值，所述第一高度阈值大于第二高度阈值。当前飞机高度大于第一高度阈值时，赋予所述第一着陆传感器得到的相对位置较高的权重；当飞机高度小于第一高度阈值且大于第二高度阈值时，第一着陆传感器和第二着陆传感器得到的相对位置相同的权重；当飞机当前高度小于第二高度阈值时，赋予所述第二传感器得到的相对位置较高的权重。

上述赋予某着陆传感器得到的相对位置较高的权重，是指该着陆传感器得到的相对位置在进行平均计算时，具有高于其他着陆传感器得到的相对位置在平均计算中的权重。

通过加权平均得出目标在图像中的像素位置之后，再进行坐标系转换计算，将目标与相机的相对位置转成目标与无人机的相对位置。

所述无人机自主着陆系统还包括控制模块，控制所述无人机着陆到所述着陆目标点。根据目标识别单元或数据处理单元所识别的着陆目标点，计算得出着陆目标点与无人机的相对位置，将相对位置输入到PID算法模块中，控制移动位置直到无人机着陆到着陆信标的正上方，从而实现无人机的自主精确着陆。

实施例1：

在本发明提供的一个实施例中，信息采集模块中的着陆传感器为两个摄像头，具体为一个短焦距广角摄像头和一个长焦距摄像头，以此实现在自较高飞行高度下降的过程中，无人机可以全程对着陆信标进行不间断的图像采集，用于后续的着陆目标识别。所述着陆目标点为涂刷在着陆点且带有特征信息的图像标志着陆标志。

所述着陆点识别模块用于对两个摄像头所采集的图像进行处理，识别图像中的着陆目标单。在无人机飞行高度较高时，短焦广角摄像头输出的图像无法识别出着陆信标，只有长焦摄像头输出的图像可以用于识别和定位到地面的着陆信标；随着无人机飞行高度降低，短焦广角摄像头拍摄的图像与长焦摄像头拍摄的图像均可对着陆信标进行图像采集；当无人机飞行高度降低到某一高度后，长焦摄像头中着陆信标越来越模糊，此时仅可用短焦广角摄像头对着陆信标进行图像采集。

所述信息预处理单元对两摄像头采集的图像依次进行灰度转化、高斯滤波、中值滤波、边缘检测二值化处理，将图像经过处理之后再进行目标检测，可以提高目标检测定位算法的稳定性和准确率。

所述目标识别单元，对信息预处理单元处理后的图像进行目标检测，检测图像中的着陆目标点，所述着陆目标点为涂刷在着陆点的着陆标志。

当只有单个摄像头采集的图像可以识别出目标着陆点时，所述数据处理单元，计算目标识别单元得出的着陆目标点在图像中的像素位置，之后再进行坐标系转换计算，将目标与相机的相对位置转成目标与无人机的相对位置。

当无人机所处高度可以使短焦广角摄像头和长焦摄像头所采集的图像均可识别出着陆目标点时，所述数据处理单元根据两个摄像头识别出的着陆目标点，计算得出着陆目标点在图像中的像素位置，之后再进行坐标系转换计算，将目标与相机的相对位置转成目标与无人机的相对位置，再将两个图像得出的相对位置进行加权平均，具体方法为：

首先设定高度阈值1为50米和高度阈值2为20米，当前飞机高度大于高度阈值1时，短焦相机位置坐标权重为0.3，长焦相机位置坐标权重为0.7；当飞机高度小于阈值1且大于高度阈值2时，短焦相机位置坐标权重为0.5，长焦相机位置坐标权重为0.5；当飞机当前高度小于高度阈值2时，短焦相机位置坐标权重为0.7，长焦相机坐标权重为0.3。

通过加权平均得出目标在图像中的像素位置之后，再进行坐标系转换计算，将目标与相机的相对位置转成目标与无人机的相对位置。

所述控制模块，将相对位置输入到PID算法模块中，控制移动位置直到无人机着陆到着陆信标的正上方，最终实现使用视觉目标识别和定位方法辅助无人机自主精准位置着陆功能。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

在本发明提供的一实施例中，提供一种无人机自主着陆方法，该方法与上述实施例中无人机自主着陆系统一一对应。所述无人机自主着陆方法，如图2所示，具体包括：

获取至少两个着陆传感器采集的着陆相关信息并进行预处理，所述着陆传感器具有不同的识别范围，所述识别范围依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段。

在本发明提供的一个实施例中，所述着陆传感器为安装于机腹下的摄像头，其识别范围是指摄像头的视野范围，具体为摄像头的焦距存在差别，用于保证在不同的高度中，均可清晰的采集着陆目标图像。本实施例中，摄像头的数量为两个，分别为短焦广角摄像头和长焦摄像头，所述着陆目标点为涂刷在着陆点且带有特征信息的图像标志着陆标志。

所述识别范围依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段。其中，“依次”是指在无人机自较高高度着陆的过程中，各个着陆传感器具有不同的适用高度范围，各个着陆传感器在各自的范围内采集着陆相关信息，用于后续的着陆点识别。识别范围可重叠是指，本发明着陆传感器的选取可以允许无人机在处于某一高度时，有两个或两个以上的着陆传感器均能识别着陆点的情况存在。所述无人机着陆时的各阶段可以以高度进行划分，并结合着陆传感器的具体识别范围进行划分。本实施例提供的短焦广角摄像头和长焦摄像头可以依次且可重叠地覆盖无人机着陆时的各阶段：当无人机所处高度较高时，短焦广角摄像头所拍摄的图像无法识别地面上的着陆目标点，长焦摄像头可以清晰采集着陆点信息；当无人机所处高度较低时，长焦摄像头无法获取清晰的着陆点信息，短焦广角摄像头所拍摄的图像可以识别地面上的着陆目标点；当无人机所处高度位于上述两种情况之间时，两摄像头拍摄的图像均可识别出地面上的着陆目标点，即二者识别范围可重叠。

所述预处理是指对摄像头拍摄的图像进行优化处理，具体包括：灰度转化、高斯滤波、中值滤波、边缘检测二值化处理，上述处理依次进行，将图像经过处理之后再进行目标检测可以提高目标检测定位算法的稳定性和准确率。

对预处理后的着陆相关信息，即本实施例中经过与处理的摄像头拍摄的图像，分别进行着陆目标检测，得到着陆目标位置信息；所述着陆目标点为涂刷在着陆点且带有特征信息的图像标志着陆标志。

当无人机所处高度仅适用唯一着陆传感器时，利用所述唯一着陆传感器得到的着陆目标位置信息，控制无人机着陆着陆到目标位置。在本实施例中，当无人机所处高度较高或较低时，仅有一个摄像头所拍摄的图像可以识别地面上的着陆目标点，计算得出目标在图像中的像素位置。得到目标在图像中的位置之后，再进行坐标系转换计算，将目标与相机的相对位置转成目标与无人机的相对位置。最后将相对位置输入到PID算法中，控制移动位置直到无人机降落到着陆信标的正上方。

当无人机所处高度可以使两摄像头拍摄的图像均可识别出地面上的着陆目标点时，将两个图像中目标的像素位置进行加权平均计算，具体方法为：

首先设定高度阈值1为50米和高度阈值2为20米，当前飞机高度大于高度阈值1时，短焦相机位置坐标权重为0.3，长焦相机位置坐标权重为0.7；当飞机高度小于阈值1且大于高度阈值2时，短焦相机位置坐标权重为0.5，长焦相机位置坐标权重为0.5；当飞机当前高度小于高度阈值2时，短焦相机位置坐标权重为0.7，长焦相机坐标权重为0.3。

通过加权平均得出目标在图像中的像素位置之后，再进行坐标系转换计算，将目标与相机的相对位置转成目标与无人机的相对位置。最后将相对位置输入到PID算法中，控制移动位置直到无人机降落到着陆信标的正上方，最终实现使用视觉目标识别和定位方法辅助无人机自主精准位置降落功能。

在本发明提供的一实施例中，提供一种无人机，该无人机安装有上述实施例中无人机自主着陆系统或使用上述实施例中无人自自主着陆方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。