复杂地面环境下旋翼无人机应急着陆系统

随着四旋翼无人机的快速发展，面对航拍、巡逻巡检、救援、探测、精确测绘，它的应用越来越多。在广泛的应用场景中，我们需要面对更复杂的环境来完成更智能的任务。在任务中，程序失控、人为失误飞行，甚至突然环境变化等紧急情况的概率也变得更高。面对此类紧急情况，在复杂的地面上紧急降落到最近的平坦地面尤为重要。系统将使用摄像头计算平坦的地面作为着陆点，并直接控制无人机自主着陆，安全便捷地完成无人机的紧急着陆。

与此同时，自主无人机发展迅速，飞行过程中程序变化频繁。一些根本性的变化或短暂的疏忽可能会导致飞行错误。因此制定应急安全着陆计划以应对Vio故障以促进自主无人机的发展是必要的任务。本文在相机触发紧急状态时，利用d435深度相机实时计算地面位置，利用地面位置在相机坐标系中的相对位置作为飞行导引。同时，利用无人机IMU数据、相对位置和GPS数据的姿态调整，完成紧急着陆。

该系统中无人机的硬件设计主要包括三个部分：第一，确定机架的参数。根据飞行环境，需要携带机载计算机和摄像机来选择合适的参数并协调轴距、叶片尺寸和叶片间距等参数；第二，将无人机与所有必要的设备相匹配，如适当的电力系统配置、机载计算机和摄像机，并提前预留所需的电压接口；第三，对计算模型的参数进行评估，以确认该模型是合理的且具有良好的飞行参数，可以建造真正的飞机。

机架参数设计

本文对轴距、桨距和重心位置进行评估，并获得合适的参数。这里，一个5英寸的250毫米轴距，机宽度只有320毫米，这是无人机的常见尺寸。机架分为上、中、下三层，机载计算机和GPS放置在顶部。中间层的接收端负责电源管理、飞行控制、电气和远程控制。把相机放在底层。总体架构如下所示（见图1）。

图1 无人机模型图

机载设备

硬件是根据用户的需求选择的，包括机载计算机，飞行控制，GPS和d435深度摄像头。这里的机载计算机使用Jetson NX，它具有足够高的计算能力来面对使用场景。飞行控制使用DJI的A3飞行控制，GPS使用飞行控制本身包含的软件包。D435深度相机在这里直接提供深度图和色彩图，用于后续的平面搜索和位置计算，最终选择的硬件如图2所示

图2 硬件设备图（左）和完整的无人机系统（右）

系统性能测试

这里利用北京航空航天大学的无人机评价系统对所设计的无人机进行最终评价并检验其性能、评估飞行时间和功率的合理性，最终计算结果如表1所示：

表1 系统规格表

无人机失控后，IMU数据是一个相对可靠的来源。使用IMU数据和GPS融合进行姿态控制，可以确保无人机在短时间内工作。接着使用英特尔的实感摄像头获取深度图找到飞机，然后截取飞机的色彩图和实时图像做特征匹配，计算出无人机运动的期望值。在飞行控制中输入期望值，并调整无人机的角度以接近目标点。同时，进近过程采用PID闭环控制，使飞行过程快速稳定。系统的整体结构框如图3所示。

图3 系统框架图

无人机使用d435深度摄像头获取深度图像。首先，使用中值滤波器滤除噪声。比较3×3的磁芯尺寸后，过滤效果更好。经过处理，得到相对干净的深度图。深度图的中值过滤效果如图4所示：

图4 优化深度图

使用非最大像素梯度抑制来消除边缘检测中计算的杂散响应。增加边缘的渲染效果，抑制与相同渐变方向的相邻像素相比的非最大值，并将最大值保留为边缘点，如图5所示：

图5 边缘检测效果

我们在8个场中搜索弱边像素，以检查弱边点和强边点之间的联系。定义只要其中一个邻域像素是强边像素，就可以保留弱边作为强边，最后输出所有强边点作为计算出的实边界。采用螺旋法连续计算，第一个合格区域就是该框架的候选着陆区域（见图6）。

图6 合格滑块的示意图

针对四旋翼无人机飞控系统中的非线性、强耦合、欠驱动等问题，直接给出角度控制飞行不稳定的问题。采用PID控制算法在角度控制中增加闭环，可以快速稳定地满足规定的要求。控制系统的框图如图7所示。

图7 闭环PID系统姿态变化框图

我们选择管道和墙壁的复杂环境作为实验测试场景，同时这里风速很高，这是紧急着陆的环境因素。每个实验至少成功重复两次。它包括全局俯视图，着陆点的搜索和匹配以及最终着陆的飞行路径如图8所示。

图8 左上角是全局俯视图；左下角是找到的目标和实时图像之间的位置匹配；右上角是着陆的轨迹；右下角是着陆位置

在自主无人机的快速发展过程中，由SLAM故障引起的无人机故障导致了很大的损失。该项目的应用可以使无人机故障得到更多的保护。同时，它是在ROS上开发的，可以在各种无人机上使用。对于自主无人机来说，使用这个项目只需要额外增加一个地面摄像头模块，基本没有负担。整个解决方案价格便宜，易于部署，计算复杂度低。当手动控制时，该项目还可用于电池没电、飞行员航向丢失、长途飞行信号中断时的紧急着陆。

源自：Beijing HIWING Sci. and Tech. Info Inst 2023 W. Fu et al. (Eds.): ICAUS 2022, LNEE 1010, pp. 2954–2964, 2023.

https://doi.org/10.1007/978-981-99-0479-2_273