基于视觉预瞄的无人机自主驶入驶出

周川翔

航空工业成都飞机设计研究所，四川成都，610091

0 引言

对于三点起落架布局的轮式无人机，地面滑行阶段是一个完整飞行任务中的关键部分。驶入阶段对应无人机进行起飞滑跑前，从机库驶出滑行至机场跑道起飞指定点的过程；驶出阶段对应无人机完成着陆后，从跑道当前位置滑行至机库的过程。传统无人机自主驶入驶出的控制方法依赖于预先设置的一系列机场驶入驶出特征点，这些特征点与无人机的相对位置关系依赖于差分GPS进行定位。当无人机在无法使用GPS卫星定位的情况下，只能由地面牵引车将飞机从当前位置拖动至指定位置，致使跑道利用率大幅降低。

基于视觉循迹的无人机自主驶入驶出方法与飞行员早期操纵飞机驶入驶出方法类似，飞行员在地面通过视觉直接判断飞机与引导线的偏离情况，进而控制前轮转角，使飞机始终沿引导线滑行。

1 无人机地面简易模型

对于三点起落架布局的轮式无人机驶入驶出阶段，无人机速度相对较低，此时方向舵效率不足，因此多采用前轮转向进行侧向控制。无人机地面滑行转弯半径是驶入驶出阶段的一个重要参数，转弯半径会直接影响到无人机在地面循迹过程的控制精度。当无人机在地面转弯滑行时，其向心力是由地面作用在机轮上的侧向力提供的。在不考虑机轮偏滚和无人机侧滑的情况下，无人机前轮转弯时的几何关系如图1所示。

图1中，δ为前轮转角，ω为等效转向角，a为无人机起落架前轮到无人机质心距离，b为起落架主轮到无人机质心距离，B为起落架主轮距[1]。

由图1中几何关系可近似计算出无人机在地面内外侧主轮转弯半径存在下式关系：

以某三点起落架布局的轮式无人机为例，地面转弯过程中，主轮内侧和外侧所对应的转弯半径与前轮转角关系如图2所示。

假设无人机在行驶过程中，x，y分别是机体坐标系下的纵轴（机头指向）和横轴，在某一时刻t，在Oy轴上重心处速度的分量为vy，相应的Ox轴上的分量为vx；在t+Δt时刻，可以将沿着Ox轴的速度分量的变化表示如下：

上式中因为Δθ很小，所以可以进行简化。在有限时间内取极限，可以得到无人机绝对加速度在机体坐标系Ox轴上的分量，同理也可获得Oy轴上的分量，整理为如下式形式：

前轮和主轮侧偏角可分别表示为：

式中，Cn，Cm分别为前轮和主轮的侧偏刚度。

整理可得到无人机地面二自由度动力学微分方程为：

式中，IZ为无人机地面绕z轴转动惯量。

2 基于单点预瞄的前馈控制器设计

基于单点预瞄的循迹方法与飞行员的控制飞机驶入或驶出的行为相似，即飞行员会根据前方引导线的情况并结合其他一些影响因素寻找出一个理想的预瞄距离，并计算出引导线上与预瞄点距离最近的一个目标点与预瞄点之间的距离，这个距离称为预瞄偏差。预瞄偏差可以通过对视觉成像进行坐标转化后反算得到[2]。

首先对坐标系进行定义，由于相机一般固定安装于无人机机体水平中心上，且与机体坐标系中心位置偏差较小，因此定义相机视觉坐标系（C系）为：原点OC在相机光心，光轴为OCZC轴，OCXCYC平面与光轴垂直，与成像平面平行。

定义像素坐标系（Op－uv）：在相机视觉坐标系中（C系）存在点P（XC，YC，ZC），通过透镜投影点P在成像平面存在成像点P，在像素坐标系中它的坐标为（u，v）（图3）。其中像素坐标系反映的是像素点的排列状况，不属于物理单位[3]。

设点P在相机视觉坐标系内坐标为（xC，yC，zC），点P′在像素坐标系内为（u，v）。由相似三角形的定理，可以得到如下关系式：

由此可以建立相机视觉坐标系到像素坐标系的转化：

上式中，dx，dy为每个像素的物理尺寸，u0，v0为光轴中心的坐标，f为相机焦距，均为相机固有属性。

记预瞄点在像素坐标系和相机坐标系下坐标分别为（u1，v1）和（x1，y1，z1），由式可以得到如下等式：

其中y1可看作相机安装位置离地面高度，由此解出相机坐标系下预瞄点坐标（x1，y1，z1），同理可解算出目标点坐标，即可计算得到预瞄偏差和预瞄距离[4]。

如图4所示，即所选取预瞄点与当前预期轨迹的横向偏差为ye，假设无人机在偏转前轮行驶的过程中保持稳定，由于前轮转角δ可以通过横向速度vy与重心横摆角速度ω表示，因此可以构造vy和ω的函数如下所示：

由此前轮转角δ与预瞄偏差ye之间的传递函数可以表示为如下：

按文献中的方法对上式进行简化，得到：

图5即为基于视觉预瞄的无人机前轮闭环控制架构图。实际无人机在驶入驶出过程中，预瞄点的选择还应当结合无人机地面转弯半径：当无人机转弯半径较大时，应当选择较远预瞄点；当无人机转弯半径较小时，可以选择较近预瞄点[5]。

3 视觉预瞄控制仿真分析

为了验证视觉预瞄控制方法的可行性，建立了无人机地面模型进行仿真验证。本文以无人机驶入跑道过程为例，假定机场驶入引导线连续且无分叉，且驶入过程无高度变化。如图6所示粗实线为驶入引导线，驶入起点为坐标原点（0,0），驶入终点为（800,650）。无人机初始速度为10m/s，分别选取预瞄距离为50m和100m进行仿真。

可以看出当预瞄距离选择为100m时，驶入效果较好。

4 结论

本文针对GPS拒止环境下，三点起落架布局的轮式无人机驶入驶出困难的问题，提出了一种基于视觉预瞄的自主驶入驶出方法。通过建立无人机地面二自由度模型，设计了视觉预瞄的无人机前轮转弯控制方法，并进行了仿真。仿真结果表明，选择合适的预瞄距离，该控制方法能够有效控制无人机完成驶入驶出。