基于卡爾曼濾波的飛機(jī)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/馬翰飛 李甜田 陳兆飛

圖1：飛機(jī)著陸導(dǎo)航功能結(jié)構(gòu)圖

飛機(jī)或無人機(jī)著陸的安全性與導(dǎo)航系統(tǒng)密不可分。根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)物理特點(diǎn)，飛機(jī)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)可分為全球定位系統(tǒng)（Global Position System,GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)、光電圖像導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS在衛(wèi)星信號較弱的情況下可靠性受到嚴(yán)重影響，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的會產(chǎn)生隨時(shí)間積累的誤差，其戰(zhàn)時(shí)實(shí)用性受到限制，光電圖像導(dǎo)航方法具有可視性好、無線電靜默、非主動(dòng)性的特點(diǎn)而受到重點(diǎn)關(guān)注。近年來，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)發(fā)展迅速，其在飛機(jī)導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用與日俱增，如基于視景增強(qiáng)顯示的輔助導(dǎo)航技術(shù)，同時(shí)，基于圖像特征的視覺導(dǎo)航技術(shù)已成為該領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。由于視覺導(dǎo)航技術(shù)通過被動(dòng)方式獲取外界信號而無需接收外界信號，用視覺技術(shù)取代GPS而與INS構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)增加了導(dǎo)航系統(tǒng)的自主性。本文構(gòu)建了特定形狀的合作光源靶標(biāo)，該靶標(biāo)裝有多光譜光源，將靶標(biāo)固定于跑道旁某一定點(diǎn)，通過圖像融合和增強(qiáng)獲得對于指揮員或飛行員可視性好的圖像信息，利用攝影測量方法解算飛機(jī)相對跑道某一定點(diǎn)的方位和距離等姿態(tài)信息，之后通過模擬飛行試驗(yàn)對導(dǎo)航姿態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行精度分析。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)中，首先利用導(dǎo)航合作目標(biāo)日盲紫外波段光源的特點(diǎn)提取圖像中合作目標(biāo)標(biāo)識點(diǎn)；然后利用空間目標(biāo)在圖像中成像的幾何原理計(jì)算出飛機(jī)相對于合作標(biāo)識的姿態(tài)信息；構(gòu)造卡爾曼濾波系統(tǒng)，通過合適參數(shù)設(shè)置對姿態(tài)信息進(jìn)行濾波處理；輸出姿態(tài)數(shù)據(jù)給飛控系統(tǒng)以完成導(dǎo)航控制，并顯示相關(guān)導(dǎo)航數(shù)據(jù)；系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 姿態(tài)測量與導(dǎo)航

圖2：圖像融合硬件系統(tǒng)框圖

圖3：目標(biāo)提取與導(dǎo)航顯示

2.1 多點(diǎn)PNP飛機(jī)姿態(tài)解算

如果在目標(biāo)上設(shè)置若干個(gè)相互位置關(guān)系已知的合作標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目和分布滿足PNP問題可解條件，則可以作為PNP問題進(jìn)行求解，計(jì)算目標(biāo)的位置姿態(tài)參數(shù)，而在有些應(yīng)用里，可以定制合作標(biāo)志點(diǎn)的分布方式，然后根據(jù)較簡單的空間幾何關(guān)系計(jì)算目標(biāo)的位置姿態(tài)參數(shù)。這樣計(jì)算得到了很大的簡化，既可以作為迭代計(jì)算的初值，也可以在精度要求不高的任務(wù)中直接應(yīng)用。

本文采用5個(gè)合作標(biāo)志，其中4個(gè)分布在直徑為D的圓周兩條相互垂直直徑的端點(diǎn)，第五個(gè)合作標(biāo)志從另四個(gè)合作標(biāo)志分布位置的中心突出這4個(gè)合作標(biāo)志所在平面距離r。用探測器端的一臺相機(jī)拍攝目標(biāo)器的圖像，根據(jù)5個(gè)合作標(biāo)志的成像位置分析目標(biāo)器的相對位置和姿態(tài)。

2.2 導(dǎo)航數(shù)據(jù)卡爾曼濾波

卡爾曼為了克服維納濾波器的不足之處提出了一種遞推濾波方法，稱為卡爾曼濾波?？柭鼮V波是對時(shí)變統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行處理。他不是從頻域，而是從時(shí)域的角度出發(fā)來考慮問題?？柭鼮V波已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括機(jī)器人導(dǎo)航、控制等。近年來更被應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域。

3 設(shè)計(jì)與仿真

以上兩節(jié)研究了基于多點(diǎn)合作信標(biāo)的飛機(jī)姿態(tài)解算方法和卡爾曼濾波的優(yōu)點(diǎn)，接下來將基于上述理論研究成果，構(gòu)建實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，具體內(nèi)容如下。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包含靶標(biāo)端和服務(wù)器端兩個(gè)部分，整體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

按照物理和功能分解，基于卡爾曼濾波的導(dǎo)航系統(tǒng)硬件由信標(biāo)單元、探測及成像單元、目標(biāo)識別單元、姿態(tài)解算單元、卡爾曼濾波單元組成。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖4：原始姿態(tài)導(dǎo)航數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波數(shù)據(jù)及其誤差曲線圖

在紫外目標(biāo)提取和位姿估計(jì)算法研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了紫外目標(biāo)提取與位姿估計(jì)和卡爾曼濾波軟件的開發(fā)，開發(fā)語言為C++，該語言開發(fā)效率高，與各類支持庫互通性好。如圖2所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無論在白天或黑夜，深紫外波段的目標(biāo)光源都能清晰成像，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的穩(wěn)定提取。不管白天還是夜晚，基于紫外圖像的目標(biāo)跟蹤都能為姿態(tài)解算提供可靠的數(shù)據(jù)輸入。圖3為基于紫外光源的目標(biāo)提取試驗(yàn)?？梢钥吹阶贤鈭D像沒有復(fù)雜背景的干擾。

綜合導(dǎo)航界面顯示了合作信標(biāo)圖像和飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)信息，為監(jiān)視員、飛行員和指揮人員提供必要的信息，如圖3所示。

最后本文對動(dòng)態(tài)目標(biāo)的姿態(tài)導(dǎo)航數(shù)據(jù)和卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的分析，如圖4所示。

4 總結(jié)

本文給出了一種基于卡爾曼濾波的導(dǎo)航方法系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和性能指標(biāo)?；谧贤夂献餍艠?biāo)的飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)橹笓]員或飛行員在不良天侯下提供可視性較好的圖像信息，基于卡爾曼濾波的飛機(jī)姿態(tài)信息能提供較準(zhǔn)確的飛行器姿態(tài)信息。經(jīng)模擬飛行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)中卡爾曼濾波算法能有效濾除數(shù)據(jù)噪聲，對導(dǎo)航數(shù)據(jù)更加平滑。