无人机自主降落标识检测方法若干研究进展

为了进一步促进中国海/陆空跨域协同技术的研究和发展,综述了无人机自主降落标识检测方法的国内外最新研究成果。首先,在分析视觉引导无人机自主降落流程的基础上,简要总结了常用的基于图像分割、基于分类器和基于深度学习的标识检测方法。然后,介绍了无人机自主降落于静平台和车辆、舰艇等动平台的国内外若干研究团队及成果,并对团队采用的降落标识及检测方法进行了梳理。最后,围绕动平台及复杂环境下的标识检测和相关软件算法、硬件设备、多传感器融合等讨论了当前存在的难点和可行的解决方案,对未来克服人工标识依赖性,采用深度学习思想进行非合作环境下的安全区域检测方法进行了展望。     

视觉与惯性融合的多旋翼飞行机器人室内定位技术

随着人工智能技术的发展，无人机的应用场景趋向多元，人们对无人机的需求也不仅仅满足于简单的飞行任务，而是赋予其飞行机器人的角色，对其自主导航、复杂环境下的定位以及智能协同方面提出了更高的要求。针对室内场景下的定位需求，融合视觉与惯性数据实现了多旋翼飞行机器人的室内定位。在视觉前端加入图像增强算法以提高图像灰度对比度，减少了光流跟踪的误匹配点数。提出了一种基于图像信息的特征点提取和图像帧发布策略提高了定位精度，解决了室内环境下的定位漂移问题。针对飞行机器人室内自主跟踪及降落任务，设计了基于视觉定位的飞行机器人自主降落系统。在Gazebo中搭建飞行机器人模型仿真验证自主降落系统有效性，在EuRoC数据集下对定位算法进行对比评估，搭建飞行机器人平台在真实场景下进行室内定位实验，完成了室内场景下平台自主跟踪及降落任务，并采用运动捕捉系统获取的定位真值数据进行了误差分析，结果表明该定位技术满足室内场景下的自主跟踪及降落任务需求。     

单目机器视觉测距技术在无人机自动着舰中的应用

介绍了机器视觉的概念，探讨了机载单目机器视觉在无人机自动着舰方案中的应用。在对前方舰艇进行快速探测以及对摄像机进行预先标定的基础上，本文利用机器视觉理论与方法，以及摄像机内部参数和透视投影几何关系，计算无人机与前方舰艇相对距离。最后展望了机器视觉的发展及应用前景。     

基于复合地标导航的动平台四旋翼飞行器自主优化降落技术

针对四旋翼飞行器在依靠地标导航完成动平台自主降落任务中存在的目标易丢失、地标定位死区大和降落可靠性差等问题,设计了一种基于复合地标导航的动平台四旋翼飞行器自主优化降落系统。该系统以圆环地标和二维码构成复合地标来解决仅用单一地标定位时存在的定位死区大和定位范围小等问题。针对地标识别丢失、动平台车轮打滑和码盘标定不精确等问题,建立动平台的精确运动模型同时考虑码盘包含未知测量偏差,基于扩展卡尔曼滤波器实现了对动平台连续位姿的在线估计。最终,基于动平台位姿估计结果以最小Jerk指标设计降落轨迹和降落策略,实现了四旋翼飞行器在动平台上高效平稳的降落。为验证所提系统的有效性,设计了仿真和实际降落实验,验证了所提复合地标实现摄像头距离在0.5~6.0 m内的综合完整定位;所设计的动平台状态估计器能在码盘存在未知测量偏差的情况下准确估计出平台的实时位姿,同时所提自主优化降落策略和轨迹规划算法保证了可靠的动平台降落。     

基于阶层标识的无人机自主精准降落系统

随着微小型无人机（UAV）在航拍、测绘、环境监测、快递投送等民用领域的广泛应用,对微小型无人机的可用性和可靠性提出了更高的要求。为了使微小型无人机能够精确地完成自主降落,由于计算机视觉部署成本低、独立性强、信息丰富等特点,提出了通过识别匹配一种多层嵌套二维编码的阶层降落标识来进行相对定位的算法,并展示了与之对应的阶层标识检测及定位的无人机自主降落系统,由于编码的信息量与其他系统相比,具有高低空的高识别率、编码空间大等特点,故此系统可同时支持单个或多个停机坪的配置,且成本低廉,无需添加机载设备成本。最后对该系统进行仿真验证和实飞测试,表明所提出算法能够有效地实现无人机全自主降落。     

一种检测机场跑道辅助飞机着陆的系统设计

跑道作为机场的关键设施,是飞机着陆和减速滑行的区域,通过视觉定位方法计算飞机相对跑道的位置,可以作为辅助飞机快速平稳着陆的一种思路。视觉传感器所需成本较低,对安装环境要求不高,本文旨在设计一个仅靠视觉传感器对飞机进行定位的辅助着陆系统,运用目标检测和视觉定位两个模型,计算飞机相对跑道的位置。首先搭建出等比例微缩的机场跑道模型,视觉传感器产生运动模拟飞机飞行路径,目标检测模型通过机载视觉传感器获取的图像识别出跑道区域,随后视觉定位模型提取图像中跑道区域特征点,计算飞机相对跑道的位置。分别对目标检测和视觉定位两部分的实现原理及难点进行阐述,尝试将目标检测和视觉定位结合起来实现飞机降落时的定位,描述辅助着陆系统设计的整体思路。     

具有甲板运动预估的三旋翼无人机着舰研究

在无人机着舰的最后阶段,舰船的甲板运动严重威胁着无人机的着舰安全,其中沉浮和横摇运动威胁最大.首先介绍了三旋翼无人机的建模方法、控制律以及模拟的甲板运动模型;在此基础上,针对舰船甲板运动对无人机安全着舰的影响,提出了抗舰船横摇/沉浮的着舰控制方案;最后,对控制方案下的着舰性能进行了仿真分析.仿真结果表明,该控制方案可以满足着舰指标要求.     

基于惯性/激光测距/视觉里程计组合的高空场景尺度误差估计方法

惯性/视觉感知信息融合导航定位技术是目前实现无人机不依赖卫星自主导航的最有效手段。但对于面向高空场景的大型无人机，惯性器件误差与视觉里程计尺度误差耦合且特征平面化导致可观测性下降。针对这一问题，提出了利用惯性/激光测距/视觉里程计组合实现尺度误差估计的方法。通过开展误差模型建立、激光测量点与图像中位置匹配、无人机平飞机动下系统可观测性分析等关键技术研究，实现了高空场景下尺度误差的精确估计。经过300m高度机载试验数据验证，算法精度优于1.5%D，对卫星拒止条件下高空无人机自主导航具有重要意义。     

联结翼无人机着舰性能分析

联结翼无人机具有升力大,操稳性好等特点。文章设计了一种联结翼无人机,可以模拟舰载机完成起飞、任务投掷、触舰复飞、在移动甲板上拦阻着舰等任务。通过控制方式和导引方式的优化组合,并考虑无人机飞行动力特点及运动方式进行试飞分析,结果表明:无人机的飞行性能、操稳性能及对指令的跟随性能都达到满意的效果,可为大型无人机上舰提供理论基础和技术支持。     

无人机自动着舰末段机器视觉导引方法研究

介绍了无人机的概念，以及目前舰载无人机的发展现状；主要讨论了在无人机自动着舰末段如何利用机器视觉导引无人机识别并跟踪舰艇，使其平稳、准确地飞入安装在舰艇尾部甲板上的拦截网中，实现撞网回收。     

无人机自主着陆视觉相对位姿测量误差分析方法

卫星拒止条件下无人机自主安全回收的关键是全自主、高精度的测量无人机相对着陆场站的相对位姿信息。视觉相对位姿测量直接敏感高动态运动体之间的相对位姿信息,具有全自主、高精度等优势,为无人机自主安全回收提供新的技术途径。针对视觉相对位姿测量精度易受目标特征提取精度和相机内参数标定误差影响的问题,提出了一种无人机自主着陆视觉相对位姿测量误差分析方法,该方法通过研究测量机理模型确定关键误差影响因素,计算相关参数变化对测量精度的影响,最后利用仿真分析验证本文所提方法的有效性。     

基于FLoFTR算法的无人机实时在线地理定位

研制高效鲁棒的智能视觉定位方法是解决全球导航卫星系统（GNSS）拒止条件下无人机导航定位的重要途径之一。传统视觉定位方法存在精度较差、容易丢失定位的问题。本文提出一种FLoFTR算法，通过对高精度影像匹配算法LoFTR进行改进优化，在无人机计算平台上实现实时高精度定位。FLoFTR采用知识蒸馏方法压缩模型规模，提升推理效率，并通过改进特征提取模块和应用基于余弦距离的特征匹配方法，进一步降低了匹配时间并维持相当的匹配性能。在研制的软硬一体的平台上试验表明，优化后模型平均定位误差损失维持在0.1m以内，定位平均处理时间为47ms，定位速度提升超过7倍，可满足无人机定位的精度和实时性要求。     

基于相似构型决策的舰载机驾驶员建模与评估

舰船运动和舰尾流等复杂海况是影响舰载机着舰难易度和精确度的重要因素，建立驾驶员着舰控制行为模型并构建人机闭环系统是评估复杂海况对驾驶员操纵负荷影响的有效手段。此外，新一代舰载机存在多种构型配置，并且即便是同一飞机其每次开始着舰时也可能处于不同的质量和气动构型下，因此在驾驶员建模中有必要考虑飞机构型变化。针对舰载机着舰操纵负荷评估问题，基于飞行试验手段和频域计算方法，建立了纵向俯仰跟踪的Hess结构驾驶员模型。考虑飞机着舰构型的变化，基于CAP准则和控制扩展方法，构建了舰载机典型构型库，并应用驾驶员在环仿真试验建立了与各飞机构型匹配的驾驶员模型，形成驾驶员模型库。在此基础上，给出了相似构型决策准则和方法，提出了针对指定飞机构型的驾驶员行为模型预测方法。针对舰载机在复杂海况下的着舰任务开展仿真分析，结果表明，本文方法能够支撑研究不同舰载机构型的操纵负荷的影响。     

单目主动视觉无人机导引中摄像机内参数标定的线性方法

提出一种单目主动视觉无人机导引中摄像机内参数标定的线性方法,在摄像机主点位置进行预标定的条件下,摄像机只需拍摄一幅着舰平面靶标上的一组正方形图像,无须知道该组正方形的任何几何信息,通过计算圆环点,建立绝对二次曲线对摄像机内参数的约束方程即可线性求解摄像机内参数,仿真实验和真实图象实验表明:该方法在摄像机内参数(如焦距等)需要经常改变的视觉任务,如基于视觉的无人机着舰导引、运动参数估计、三维视觉重建及视觉监控中,使得摄像机内参数的标定具有简便、实时和鲁棒性强的特点。     

动基座近舰面流场数值模拟

航母尾迹流场对舰载机的着舰有较大影响,所以需要对其流场特点进行研究,分析不同状态下舰载机气动特性的变化。采用嵌套网格技术对航母处于垂荡状态下无人机的着舰进行了模拟。首先,利用SFS2舰船进行数值计算,验证了舰船流场的数值模拟方法。然后,对比了单独无人机定常与非定常计算结果,表明所建立的嵌套网格适用于无人机流场的模拟。接着,对航母单相流和两相流的流场结果进行了分析,结果显示甲板下方的流动对甲板上方流场没有大的影响。因此,忽略了水的影响只对航母在空气流场中的特性进行研究,结果表明航母尾迹非定常特性明显,静止航母下滑轨迹上的速度均处于周期性波动状态,且波动幅值随着远离航母而逐渐衰减;而在垂荡情况下航母尾迹变得更加紊乱,水平方向速度波动的周期性减弱,但垂向速度的波动幅值进一步增大。对于静止航母,无人机在不同时刻着舰气动特性的变化也存在差异;当航母处于垂荡状态时,无人机的升力和俯仰力矩在短时间内会有更大的波动。     

无人机动态目标高精度定位方法研究

针对未来无人机对目标高精度定位的迫切需求,开展了无人机动态目标高精度定位方法研究,提出了动态目标高精度定位总体方案。方案将惯性/卫星组合导航系统和机载光电平台系统获取的载机信息和目标相对信息作为目标定位算法的输入量,合理分配目标定位过程中各项误差参数,实现无人机对目标的高精度定位。经仿真验证,目标定位精度和载机导航精度都达到了期望指标,表明了方案和算法的有效性。     

航母甲板运动对舰载机着舰影响仿真分析

分析了航母运动的主要模式;建立了甲板运动相关模型;分别仿真了在不同海况条件下,航母横摇、纵摇、垂荡运动对舰载机着舰的主要影响;基于仿真结果,分析了影响舰载机着舰安全的主要因素,为改进进舰和着舰操纵方法和引导技术提供参考。     

直升机舰上使用限制的确定

本文略述了ＮＬＲ进行的直升机－舰鉴定计划。介绍了如何利用有关直升机性能，舰运动特性和舰飞行甲板上风的详细信息制定和实施安全有效的直升机飞行试验计划，通过随相对风和海况而变的起飞和着舰能力，该计划导致直升机舰上安全最大利用率。     

无人机着舰纵向广义轨迹优化设计

针对复杂气流干扰对无人机着舰的影响,对无人机着舰的纵向下滑轨迹进行研究。首先,针对常规控制结构的不足,提出一种基于直接力控制的无人机着舰纵向控制策略,进而引出无人机广义轨迹概念;然后,考虑各种约束条件,将无人机纵向广义轨迹设计转化为约束非线性规划问题,求解得到不同海面自然风速下的纵向广义轨迹,以及该广义轨迹与海面自然风速的函数关系。算例优化设计结果满足各种约束条件和优化目标,可以保证无人机在不同海面自然风速下都具有更大的扰流抑制能力。     

基于视觉引导的无人直升机着舰技术研究

以无人直升机为被控对象,根据实际着舰流程研究了视觉引导系统的软硬件架构。在硬件上通过在摄像头加装云台,避免了无人机因姿态改变造成视野中目标图像的丢失,提高了位姿解算的精度。提出一种以红外灯设计的合作目标图案为着舰目标的视觉引导着舰系统,能够在不同光线强度、复杂周边环境下成功识别合作目标,具有良好的抗噪能力。研究设计了一套图像处理与位姿解算的引导系统,通过实验验证姿态参数的误差在2°以内,位置参数的误差小于2cm,能够满足着舰的精度要求;每帧图像的处理速度在30ms左右,具有良好的实时性。