无人直升机视觉着陆中的运动状态估计算法

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1、第３１卷第４期航空学报Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．４２０１０年４月ＡＣＴＡＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＥＴＡＳＴＲＯＮＡＵＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡＡｐｒ．２０１０文章编号：１０００６８９３（２０１０）０４０７４４１０无人直升机视觉着陆中的运动状态估计算法蒋鸿翔，徐锦法，高正（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，江苏南京２１００１６）犞犻狊犻狅狀犫犪狊犲犱犕狅狏犲犿犲狀狋犛狋犪狋犲犈狊狋犻犿犪狋犻狅狀犃犾犵狅狉犻狋犺犿犳狅狉犝狀犿犪狀狀犲犱犎犲犾犻犮狅狆狋犲狉犔犪狀犱犻狀犵ＪｉａｎｇＨｏｎｇｘｉａｎｇ，ＸｕＪｉｎｆａ，ＧａｏＺｈｅｎｇ（ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬ

2、ａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｔｏｒｃｒａｆｔＡｅｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）摘要：对无人直升机（ＵＨ）视觉着陆中基于视觉图像处理的运动状态估计问题进行了研究。介绍了视觉着陆原理，分析了运动估计、特征图像处理与着陆控制间的关系，推导并建立了ＵＨ相对着陆平台位姿估计算法、线速度与角速度估计算法。相邻两帧图像对应特征点像点位置为位姿估计算法提供数据，一帧图像特征点像点位置及其对应像点平移速度为线速度与角速度估计算法提供数据。利用ＵＨ着陆

3、控制仿真数据模拟ＵＨ着陆运动过程中像点位置及其对应平移速度的视觉图像处理结果。仿真验证了运动状态估计算法，结果表明所提出的运动状态估计算法能有效地利用视觉图像处理结果数据估计出ＵＨ的位置、姿态、线速度和角速度。关键词：无人直升机着陆；计算机视觉模型；运动估计；视觉算法仿真；飞行成像数据模拟中图分类号：Ｖ２４９．１；ＴＰ３９１文献标识码：Ａ犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｉｓｉｏｎｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｕｎｍａｎｎｅｄｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ（ＵＨ）ｌａｎｄ

4、ｉｎｇ．Ｔｈｅｖｉｓｉｏｎｂａｓｅｄｌａｎｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｃｈｅｍｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ｆｅａｔｕｒｅｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｌａｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅｄｅｄｕｃｅｄａｎｄｍｏｄｅｌｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅａｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｐａｄａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇ

5、ｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄａｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｎｇｕｌａｒｒａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅｐｉｘｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｆｒｏｍｔｗｏｓｅｑｕｅｎｔｉｍａｇｅｆｒａｍｅｓａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅｐｉｘｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｐｉｘｅｌｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｆｒｏｍｏｎｅｉｍａｇ

6、ｅｆｒａｍｅａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｎｇｕｌａｒｒａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ．ＳｉｍｕｌａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｄａｔａｆｒｏｍＵＨｌａｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｍｉｔａｔｅｄｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｐｉｘｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｉｘｅｌｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔ

7、ｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓｔａｔｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｅｓｔｉｍａｔｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｔｔｉｔｕｄｅ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｎｇｕｌａｒｒａｔｅｗｉｔｈｔｈｅｖｉｓｉｏｎｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｄａｔａ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｕｎｍａｎｎｅｄｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｌａｎｄｉｎｇ；ｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｍｏｄｅｌ；ｍｏｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｖｉｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｉｇｈｔｉｍａｇｉｎｇｄａｔａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ无人直升机（ＵＨ）的机动性强，能

8、垂直起降、位置），必将在ＵＨ着陆控制中发挥重要作用。空中悬停和低空低速飞行，具有