第25卷第5期航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAVol125No15Sept.20042004年9月文章编号:100026893(2004)0520499205基于激光扫描和计算机视觉的无人机全天候自主着陆导引技术徐贵力,程月华,沈春林(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)UnmannedAirVehicle’sNavigationandAutomaticAccurateLandinginAllWeatherBasdonInfraredLaserScanandComputer摘要:为了解决基于GPS导航的无人机受他国控制和易受干扰的潜在危险问题,提出以GPS导航系统为主,以捷联惯性导航结合主动式红外激光扫描定位及计算机视觉识别着陆跑道为辅的无人机导航和着陆精确导引新技术,实现无人机全天候的自主精确着陆。提出了该技术的具体工作原理和工作过程,对激光扫描系统的工作原理和扫描模型及扫描参数的确定、着陆点的激光反射装置的确定、着陆点坐标与着陆跑道方向的确定问题和防止发生由其它反射物或红外光源误导的措施等问题进行了分析和研究。关键词:无人机;导航;自动着陆的导引;红外激光扫描;计算机视觉中图分类号:U666.1;V249文献标识码:AAbstract:InordertoresolvethedangerofGPStobejammedandturnedoffbyothercountryinthespecialtime,anewmethodofUnmannedAirVehicle(UAV)’snavigationandautomaticlanding’sguidanceisproposed.WhenGPSisabnor2mal,theSINSbegaintonavigate,theinfraredlaserscancansearchtheairstrip,andthecomputervisioncanguidetheUAV’slanding.Themodelandparametersoftheinfraredlaserscansystem,thedesignofthespecialreflectorintheairstripcomposedofreflectiveprismsandlaserlamps,thecomputervisionalgorithmsforcoordinateanddirectionofairstripstructuredwiththespecialreflectoronthesquareorthehighway,andthecriterionofGPSontherailsareanalyzed.Themethodofavoidingmisguidancecausedbyothersreflectorandotherinfraredlaserismadebythespecialreflectorandspe2cialfrequencylaser.Theresultsshowthatthenewmethodisfeasibleinpractice.无人机导航一般有3种方式1～3:第1种是采用惯性制导、地形匹配制导、卫星定位系统制导或者复合制导,由自动驾驶仪按预编程序控制无人机飞行;第2种是通过电视图像遥测遥控系统,由地面、舰艇或发射母机上的遥控手进行实时控制;第3种也是大多数情况下是将前两种控制方式复合使用,在远离目标时采用预编程序控制,在接近目标时采用实时遥测遥控。当前,大多数无人机的导航和着陆导引是利用卫星定位系统结合高度表。当前的卫星定位系统包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass及中国正在研究中的双星定位系统。前两者受控与人,而中国的双星定位系统正处于研究阶段。在前不久的美国与伊拉克战争中卫星定位系统很容易被干扰,且基于该系统以独立自主地导航飞机,但是其导航误差具有随时间逐渐累积的缺陷,尽管已有利用飞行途中的地形匹配来不断修正惯性导航误差,但是这种方法要求所飞路径中必须具有明显的地形地貌特征,而现有的景象匹配设备(可见光和红外CCD成像设备)由于是被动式探测景物,即CCD是接收景物反射的自然光成像的,所以探测距离近,无法实现无人机全天候精确自主着陆4,5。遥控手遥控的着陆方式,只能近距离遥控,且人具有一有人飞机的着陆方式主要有4种6,即ILS、GCA、MLS和GPS。它们的隐蔽性不好。另外,因无人机体积较小,无法安装中国现有的微波雷达设备。1994年激光导航公司和雷声公司合作把激光中线定位仪引入到航空母舰的空军联队7,帮助飞机驾驶员改善夜着陆机场的激光灯标在收稿日期:2003209218;修订日期:2004203215间能够大大改善飞机的着陆,激光灯使飞行员对准着陆跑道的准备时间延长了215倍。1998年俄罗斯的Boguslavskii.I.A.等8提出利用激光定位来引导有人飞机的着陆。他们采用CO2激光器发射远红外激光,全天候条件下,在4～6km距离内能够探测到着陆点,指引飞行员驾驶飞机着陆。但是由于无人机无人驾驶,由无人机的飞行控制系统自动判断GPS定位是否与起飞点的已知坐标相同。若相同则利用GPS导航,并在飞行过程中实时校正捷联惯导的飞行误差;若不相同则利用捷联惯导系统制导。并根据飞行途中GPS系统所接收信号的有无、波...