一種基于日盲區紫外成像的無人機自主著陸引導系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及基于計算機視覺的無人機自主著陸引導的技術領域，特別涉及一種基 于日盲區紫外成像的無人機自主著陸引導系統。
【背景技術】
[0002] 太陽光譜中紫外線輻射位于電磁輻射波譜中10~400nm的波長范圍內。隨著波長 的變化，紫外線具有各種不同的特性和效應。一般將紫外輻射劃分為UV-A(近紫外）：320~ 400nm;UV-B(中紫外）：280~320nm;UV-C(遠紫外）：200~280nm;波長小于200nm的紫外輻射 由于被大氣強烈吸收，因此只存在于真空條件下的研究和應用，所以被稱為真空紫外。
[0003] 由于大氣平流層的臭氧層對于250nm波長附近的紫外線有強烈的吸收作用，因而 太陽中υν-c波段紫外輻射在近地大氣中幾乎不存在，常被稱為"日盲區"，具體波段范圍為 220~280nm。由于日盲區紫外在近地面并不會自然存在，所以它的產生必定是人類活動介 入等非自然原因，故通過紫外成像儀來探測日盲區紫外信號便有了廣泛的應用。目前已經 廣泛應用于電力設施電暈的檢測，如高壓輸電線路、電網基站等。
[0004]在對此方法的研究和實踐過程中，本發明的發明人發現：由于日盲區紫外信號在 近地面存在的唯一性，可以通過使用高增益的紫外成像儀對信號進行采集，而不用擔心雜 散光等的影響，而且日盲區紫外擁有較強的"透霧"能力。故本發明提出可以主動設置紫外 信標，無人機機身掛載紫外成像系統，用于無人機自主著陸引導工作。
[0005] 目前無人機的技術主要有衛星導航技術，慣性導航技術以及計算機視覺導航技術 等。但各方法都存在一定的局限性，衛星導航技術最常見的是全球定位系統，但在無人機自 主著陸引導的最后幾公里范圍內，全球定位系統的定位精度達不到要求;慣性導航系統隨 著系統工作時間的推移，定位誤差會累積越來越大;基于計算機視覺的導航系統目前發展 迅猛，但大都工作在可見光或者紅外波段，受氣候條件影響很大，如霧天等。
[0006] 在對基于計算機視覺的著陸導航系統的研究中，本發明的發明人發現:使用紫外 光源在著陸位置制成信標，通過高增益的紫外成像系統對紫外信標進行信號得捕捉和采 集，能夠有效地用于無人機的著陸引導工作。
【發明內容】
[0007] 本發明提供一種基于日盲區紫外成像的無人機自主著陸引導系統，通過機載日盲 區紫外成像系統探測著陸位置紫外信標，能夠解決低能見度條件下無人機的著陸引導工 作。
[0008] 本發明通過以下技術方案來實現上述目的：
[0009] -種基于日盲區紫外成像的無人機自主著陸引導系統，包括紫外光源信標模塊、 雙通道成像模塊、數據處理模塊、數據發送模塊、數據存儲模塊;紫外光源信標模塊設置在 著陸平臺上，雙通道成像模塊、數據處理模塊、數據發送模塊、數據存儲模塊設置在無人機 上，無人機通過雙通道成像模塊對紫外光源信標模塊進行成像，然后通過數據處理模塊對 成像數據進行處理，數據發送模塊將部分數據處理模塊結果傳送給無人機飛控系統，將剩 余處理結果傳送給數據存儲模塊進行存儲。
[0010]所述紫外光源信標模塊由若干紫外光源組成，信標是一個由η個信標點組成的立 體的異型信標。
[0011]所述的雙通道成像模塊包括成像透鏡、分光鏡、反光鏡、紫外濾光片、自動光圈單 元、自動調焦單元、可見光成像單元、日盲區紫外成像單元；自動光圈單元用于調節可見光 通道的進光量，保證曝光適度；自動調焦單元用于調節成像透鏡的位置，從而得到清晰的圖 像;可見光成像單元用于得到著陸平臺位置周邊的彩色影像；日盲區紫外成像單元前設置 有紫外濾光片，用于濾除日盲區紫外波段以外的雜散光，得到紫外信標點在日盲區紫外成 像單元的圖像。
[0012] 所述的濾光片透過波長為240nm~280nm，設置在分光鏡前面或者分光鏡后面。 [0013]所述的雙通道成像模塊過程如下：
[0014] 光經過成像透鏡，然后經由分光鏡分成兩路，一路再次經過自動光圈單元由成像 透鏡成像在可見光成像單元上，該路用于記錄著陸平臺以及整個著陸過程；另一路光經過 紫外濾光片后再經反光鏡反射，再經過成像透鏡后由日盲區紫外成像單元成像;該路用于 對紫外光源信標模塊中的信標點進行成像，從而實現對信標點坐標定位。
[0015] 所述數據處理模塊包括圖像處理單元和位姿信息求解單元；圖像處理單元分別對 日盲區紫外成像單元成像和可見光成像單元成像進行處理，其中對日盲區紫外成像單元成 像進行灰度級變換、自適應閾值分割和數學形態學變換處理，處理得到信標點的清晰圖像， 然后將信標點的坐標數據傳送給位姿信息求解單元；同時將處理后的日盲區紫外成像單元 成像和可見光成像單元成像進行融合疊加，然后將疊加的視頻數據傳送給數據存儲模塊； 圖像處理單元中對信標點坐標信息的提取包括以下步驟，對照圖2進行說明：
[0016] 步驟si.對10個信標點進行捕捉和鎖定，保證信標點處于視場中間的位置；
[0017]步驟s2.通過灰度級變換，提高日盲區紫外成像單元成像的灰度級動態范圍；
[0018] 步驟S3.通過自適應閾值分割或手動設置閾值，進行二值化處理，濾除雜散光以及 光子噪聲，提取紫外光源組成的信標點；
[0019] 步驟s4.通過數學形態學變換，包括膨脹以及腐蝕，濾除光子噪聲，得到η個光斑， 光斑即為η個信標點分別成的像；
[0020] 步驟s5.通過灰度重心法提取η個光斑的中心，設光斑區域3內像點(Ui，Vi)的灰度 值為？(1，」），（1!^)為光斑中心坐標，也即信標點？的像點？'在像素坐標系中的坐標；
[0022]步驟s6.通過最小二乘法曲線擬合得到？1^3'？4'直線，記為1^，并確定信標點卩 1 及其像點Pi'；
[0023] 步驟s7.分別計算P2 '~P4 '到信標點像點Pi '的距離和到直線L的距離，確定P2、P3、 P4、P2'、P3'&&P4'；
[0024] 步驟s8.分別計算P5'~P1Q'到信標點像點Pi'的距離，以及信標點位于直線L的左 偵喊者右側，由此確定信標點P5~PlQ及像點IV~PlQ '，從而確定控制點Pi~PlQ及其像點P ' ！ ~Ριο '。
[0025] 所述位姿信息求解單元具體實現步驟如下：
[0026]步驟rl.已知信標點在世界坐標系下的空間坐標(Xw，yw，zw);
[0027]步驟r2.設相機坐標系下信標點的坐標為(1，7。，2。），此坐標與世界坐標系下信標 點的坐標存在如下的變換關系：
[0029]其中，R為3 X 3旋轉矩陣，包含無人機滾轉角、偏航角、俯仰角，T為3 X 1位移矩陣， 包含無人機距離信標的水平距離和高度;旋轉矩陣R具體表示為： L〇〇31J 位移矩陣T具體表示為：
[0033] 其中，滾轉角供、偏航角Θ、俯仰角φ以及tx、ty、tz表征了無人機相對于信標點的位 姿信息；
[0034] 步驟r3.在相機坐標系下，信標點通過日盲區紫外成像單元成像得到在圖像坐標 系下的坐標為(xu，y v)，信標點在圖像坐標系下的坐標與在相機坐標系下的坐標存在如下的 變換關系：
[0036]其中，f為成像透鏡的焦距，為已知量；
[0037]步驟r4.根據步驟r2和步驟r3找到信標點在世界坐標系和圖像坐標系下的直接的 坐標變換關系：
[0039]其中，只需求解旋轉矩陣R和位移矩陣T，即無人機相對于信標的滾轉角爐、偏航角 Θ、俯仰角Φ以及tx、ty、tz;
[0040] 步驟r5.通過n個信標點的坐標，根據步驟r4聯立方程組，通過奇異值分解求解得 到相對位姿參數初值；
[0041] 步驟r6.通過重投影誤差最小化方法對位姿參數初值進行非線性優化得到精確 值，即可解得旋轉矩陣R和位移矩陣T，其中R包含無人機相對于信標點的滾轉角0、偏航角 Θ、俯仰角Φ，Τ包含無人機到信標點的直線距離;根據位姿參數R和T，無人機自主著陸到信標 點指定位置，即著陸平臺上。