无人机助降系统研究

无人机助降系统研究 一 无人机研究热潮分析 无人机是一种由动力驱动 机上无人驾驶 可重复使用的航空器 的简称 英文常用 Unmanned Aerial Vehicle 缩写为 无人机 的历史可以追溯到 1917 年 此后 无人机经过了无人靶机 预编程 序控制无人侦察机 指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机 的发展过程 到 世纪 年代 无人机在几次局部战争中发挥 了重要 由此形成了新的研究热潮 表 1 1 历次参战的无人机机型 历次战争名称参战的无人机机型 越南战争AQM 34 火蜂 QH 50 第四次中东战争BQM 74C 石鸡 多用途无人机 贝卡谷地空战 猛犬 1991 年海湾战争 先锋 敢死蜂 指针 MART CL 289 等 1995 年科索沃战争 捕食者 猎人 先锋 红隼 CL 289 不死鸟 等 俄罗斯车臣反恐战争 蜜蜂 1T 图 243 2001 年阿富汗战争 捕食者 猎人 全球鹰 等 2003 年伊拉克战争 捕食者 等十几种无人机 当前美 以反恐行动 捕食者 猎人 搜索者 表 1 2 历次参战的无人机完成的主要作战功能 主要作战功能 历次战争名称 侦察欺骗干扰监视中继对地攻击 越南战争 第四次中东战争 贝卡谷地空战 1991 年海湾战争 1995 年科索沃战争 俄罗斯车臣反恐战争 2001 年阿富汗战争 2003 年伊拉克战争 当前美 以反恐行动 无人机热是新技术革命与新军事变革两股大潮交汇的结果 它是 信息时代的弄潮儿 新技术革命为无人机发展提供了技术条件 新 的传感器和武器载荷更小 更轻 功能更强 每单位重量可以产生 足以用于实战的作战效能 传统上数据链是无人系统的致命弱点 而新的数据链能够提供高带宽的连通性 为飞行器的指挥与控制 载荷的指挥与控制 以及实时数据传输提供了可靠保障 微处理技 术的进步 软件开发 先进的惯性导航及全球定位系统 使自主飞 行能力和传感器数据的机载处理能力更加强大 复合材料及改进的 动力装置使机体更轻 更小 隐身性能更好 同时也大大提高了燃 油效率 使其续航能力超过人体的耐受极限 无人机系统以其机动灵活 持久飞行 易于维护和 零伤亡 等特 点几乎渗透到战场空间的各个领域 与有人机比 无人机有五大优 势 一是可长时间执行空中任务 二是可替代有人驾驶飞机进入核 生 化等污染环境执行任务 三是不存在飞行员伤亡 政治和军事风 险较小 四是由于不考虑人的因素 可承受更大的载荷 飞机的隐 身和机动性上可实现质的飞跃 五是全寿命费用低 作战效费比高 与卫星相比 无人机具有时效性 针对性和灵活性强等优势 由于 无人机系统的突出特点 无人机在未来战争中的意义与日俱增 图一 中国无人机航拍钓鱼岛 二 无人机助降系统的意义 无人机回收系统负责无人机的着陆回收 它包括回收装置 如滑行跑道 网状回收装置 杆状回收装置等形式 和助降 系统 助降系统用于帮助无人机 知道 回收装置的位置 精 确控制自身的姿态和轨迹 完成安全着陆的任务 在助降系统的发展过程中 交织着机载定位系统和计算机 视觉这两条主线 在上世纪九十年代前期 GPS 系统处于尚处 于未全面建成阶段 这一阶段 GPS 的覆盖能力和定位精度有 限 人们较多的研究计算机视觉在无人机回收系统中应用 但 该研究受制于当时处理器的能力 随着美国政府于 1994 年全面 建成 GPS 系统 军用 GPS P 码 的定位系统的精度小于 1 米 利用 DGPS 技术可以实现厘米级的精确定位 这一阶段主要以 GPS 引导无人机回收 国际上对以计算机视觉引导无人机回收 的研究渐渐降温 图 2 美军利用 GPS 回收无人机 图 3 美军撞绳回收细节 目前 无人机主要依靠惯性导航系统 Inertial Navigation System INS 和全球定位系统 Global Position System GPS 进行导航 然而 导航过程中惯性器件具有累积误差 对初始 值过于敏感 而 GPS 并不是总是可获取的 并且即使是可以获 取 其精度 美国军方仅开放民用级的 C A 码 只能达到 6 8 米的定位精度 满足不了无人机回收需要的分米级的定位精度 为了打破西方国家对 GPS 的垄断 我国大力开展北斗系统 的研发工作 但目前北斗系统仍处于建设过程中 其覆盖范围 有限 为东经约 70 140 北纬 5 55 其精度目前仅为 20 米左右 尚无法满足回收系统的精度要求 此外 北斗导航 系统是主动式双向测距二维导航 地面中心控制系统解算 供 用户三维定位数据 北斗的这种工作原理带来两个方面的问题 一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性 另一方面由于设备 必须包含发射机 因此在体积 重量上 价格和功耗方面处于 不利的地位 无人机助降系统 特别是在甲板短小的船只上安置简易的 撞绳等回收系统 对于维护国家海洋主权 在有争议区域实施 空中侦查 监视 乃至对非法入侵的他国船只实施电子干扰 警告和空中打击等任务 已经迫在眉睫 以计算机视觉为主 辅以其他定位和测距装置的精确定位系统 在近十年内 仍将 是我国军队现代化建设中必须攻克的技术 在更远的将来 计 算机视觉技术 这双无人机的眼睛 在自动巡航 自动目标 检测 自动战斗等领域 将发挥作用越来越大的作用 三 计算机视觉助降系统的可行性分析 在计算机视觉助降系统的关键技术指标是 实时 定位精 确 小型化 重量轻 能耗低 下面从计算机的软硬件和摄像 机的当前水平 分析助降系统的可行性 1 计算器件的发展 自 1980 年以来 DSP 芯片的运算速度显著提高 MAC 一次乘法和一次加法 时间从 20 世纪 80 年代初的 400ns 如 TMS32010 降低到 1ns 以下 处理能力提高了 数百倍 DSP 芯片内部关键的乘法器部件从 1980 年的占模 片区 die area 的 40 左右 下 降到 5 以下 片内 RAM 数量增加一个数量级以上 目前 代表 Ti 公司 DSP 最高 水平的 6XXX 系列的芯片 由于采用了多核 多线程和超长指 令字等新技术 每秒的运算能力已经能轻松突破亿次 DSP 器 件 从制造工艺来看 1980 年采用 4 m 的 N 沟道 MOS NMOS 工艺 而现在则普遍采用亚微米 Micron CMOS 工艺 DSP 芯片的引脚数量从 1980 年的最多 64 个 增加到现在的 200 个以上 引脚数量的增加 意味着结构灵活 性的增加 如外部存储器的扩展和处理器间的通信等 此外 DSP 芯片的发展使 DSP 系统的成本 体积 重量和功耗都有 很大程度的下降 FPGA 是现场编程门阵列器件 它和 DSP 集成在一块芯片 上 可实现宽带信号处理 大大提高信号处理速度 目前 各 种高性能 低功耗的 FPGA 不断推陈出新 例如 Altera 生产 的首款 28nm FPGA 芯片 与前一代 Cyclone 产品相比 这些器 件前所未有的同时实现了低成本和高性能 功耗降低 25 满 足了大批量低成本串行协议解决方案的需求 目前为止 摩尔定律依然是计算机硬件发展的主旋律 即 微处理器的性能每隔 18 个月提高一倍 2计算机视觉领域的算法发展 在无人机助降系统中 主要用到计算机视觉领域中目标识 别的内容 下面介绍计算机视觉在此方面近期取得的成就 目前 最主流的三种三维物体识别研究思路是 1 基于模型或几何的方法 2 基于外观或视图的方法 3 基于局部特征匹配的方法 2 1 基于模型或几何的方法 这种方法所识别的目标是已知的 原理就是利用传感器获得真 实目标的三维信息并对信息进行分析处理 得到一种表面 边界及 连接关系的描述 这里 三维物体识别中有两类最经常使用的传感 器 灰度传感器和深度传感器 前者获取图像的每个像素点对应于 一个亮度测量 而后者对应于从传感器到可视物体表面的距离 另 一方面 利用 CAD 建立目标的几何模型 对模型的表面 边界及连 接关系进行完整的描述 然后把这两种描述加以匹配就可以来识别 三维物体 其流程如下图所示 传感器数据获取过程 就是从现实生活中的真实物体中产生待 识别的模型 分析 建模过程 是对传感器数据进行处理 从中提取 与目标有关的独立应用特征 模型库的建立一般式在识别过程之前 即首先根据物体的某些特定特征建立一些关系以及将这些信息汇总 成一个库 在模型匹配过程 系统通过从图像中抽取出的物体关系 属性图 把物体描述与模型描述通过某种匹配算法进行比较 分析 最终得到与物体最相似的一种描述 从而确定物体的类型和空间位 置 基于模型的三维物体识别 需要着重解决以下 4 个问题 1 模型产生 主要有 CAD 设计法 用以产生模型库 和传感器 产生法 用以产生目标 2 目标描述 有基于不变性特征法 表面模型法等 3 模型描述 一般和目标描述方法相似 4 模型匹配 可用距离法 最小二乘匹配法及树匹配等 基于模型的方法进行三维物体识别 优点是比较直观和易于理 解 但是一般使用的算法的运算量都较大 并且需要人工借助 CAD 等软件产生模型 另外 对复杂物体建立三维几何模型的难度和工 作量比较大 在应用中还非常不方便 因此怎样在这个基础上加以 改善是一个值得探讨的问题 2 2 基于视图的方法 二维图像一般情况下通过普通相机就可以获取 在一幅二维图 像中 三维物体的外观取决于形状 反射特性 姿态和环境亮度等 基于外观或基于视图的三维物体识别算法研究 近来成为人们的研 究热点 即使最简单的物体 其不同视点的二维视图差异往往会很 大 而生物视觉系统对此表现出非常稳健的识别能力 它们的识别 过程趋向于选择物体的二维视图 而不是物体的三维描述 基于视 图的方法通过视觉相似性来识别物体 识别系统设计相对简单 无 需显式地计算物体三维模型 该方法一般分为两个步骤 首先 通 过不同光照条件和三维物体在二维图像中呈现出的不同姿态 来自 动地学习物体的表示或训练系统 然后 在一幅未知的二维图像中 判断是否存在目标物 该方法一个主要的限制条件是 我们感兴趣 的对象必须与背景能够较好的区分开来 因此对物体间的重叠较为 敏感 且需要较好的图像分割 但当物体的几何建模很困难或根本 不可能得到时 则可利用基于视图的方法来识别三维物体 该方法 的关键点和难点 是在于如何准确有效地用多个视角图像来描述一 个物体 基于视图的三维物体识别算法流程 如下图所示 2 3 基于局部特征匹配的方法 2 3 1 基于点特征的方法 利用目标的特征点识别目标的技术 广泛应用于目标识别 算法中 其中 角点特征具有旋转不变性 几乎不受光照条件 的影响 且能最小化要处理的数据量 在识别技术中具有重要 的实用价值 1988 年 Harris 提出的 harris 角点 被广泛应用 于检测算法 1998 年 TRAJKOVIC M 等人提出了角点需要遵 循的三个准则 即一致性 准确性和复杂性标准 CORDELIA S 等人进一步提出了重复率和信息量的标准 进入 90 年代 基 于边界链码 基于边界曲率和基于小波的角点检测算法相继提 出 最近 10 年 基于形态学等方法的角点检测算法仍在继续研 究中 研究人员对角点检测算法存在的固有的问题 即对噪声 敏感和运算量大的问题 一直在加以研究 David G Low e 在总结原有基于不变量技术特征检测方法 的基础上 于2004 年正式提出了基于尺度空间 对图像缩放 旋转 甚至仿射变换保持不变性的图像局部特征描述算子 1 Scale Invariant Feature T ransform SIFT 即尺度不变特征变换 2006年 Herbert Bay针对SIFT算法的复杂度高的缺点 进一步提出了SURF算法 SURF算法保持了SIFT算法的缩放 旋转和仿射变换不变性 而运算量仅为SIFT算法的50 左右 2011 年 JM MOREL 提出了 ASIFT 算法 该算法可以解决 相机光轴方向可能发生变化带来的扭曲 在无人机呈一定 角度飞向回收装置时 这种算法可以有助于解决可能的仿 射扭曲 2 3 2 基于线特征的目标识别技术 提取图像中的特征线如直线 曲线 各种轮廓线等 可以使图像的 表述更简洁 而曲线可以用直线加以近似 进而形成封闭的轮廓 常用的直线提取方法有Hough变换 启发式连接算法 层次记号编组 法和相位编组法等 Hough变换提取直线准确且稳定 抗噪声能力强 不会产生直线断裂等情况 但是计算量很大且由于不考虑各点之间 的距离信息 因此 容易将不属于直线上的点也连接到该直线上 即容易 出现过连接现象 启发式连接算法提取直线克服了 Hough 变换的缺 陷 但对边缘检测结果敏感 容易产生直线断裂的情况 层次记号 编组法提取直线速度快 能连接短直线 然而存在参数难以选择 分辨率低的问题 而相位编组法采用了另一种思路 相位编组法是 根据各像素点的梯度相位进行分组 相邻的梯度方向相同的点形成 边缘支持区域 再从每个区域提取直线段 这种方法在提取低对比 度直线时效果很好 但是抗