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上海交通大学
硕士学位论文
小型无人直升机自主着陆视觉导航系统设计及仿真
姓名:阮利锋
申请学位级别:硕士
专业:计算机应用技术
指导教师:盛焕烨
20090101
上海交通大学硕士学位论文摘要
小型无人直升机自主着陆视觉导航系统设计及仿真
摘要
具有自主飞行能力的小型无人直升机具有重要的军事、民用和科学研究
价值。无人直升机的自主着陆阶段是飞行任务中的重要阶段之一,同时也是
一个安全事故的多发阶段。因为该阶段对导航系统的要求相对于其他阶段而
言,除了具有较高的导航精度、实时性及可靠性外,还需要尽可能地提供无
人直升机距离地面的实时高度,以防止在垂直方向上降落过快而导致与地面
发生强烈碰撞并引发安全事故。因此,设计一种适合于无人直升机自主着陆
阶段的导航系统具有重要的研究价值,同时也具有重大的现实意义。
本文以上海交通大学“天行者”小型无人直升机为主要应用对象,采用
基于计算机视觉的视觉导航技术,设计了一种符合无人直升机自主着陆阶段
特殊要求的视觉导航系统。鉴于目前缺乏某些硬件条件而不具备进行实际自
主飞行试验的能力,且实际飞行试验具有较高的安全风险,本文将在完成计
算机视觉测量试验的基础上,结合“天行者”小型无人直升机自主飞行控制
系统,在 Matlab 仿真环境中对利用视觉导航系统进行导航的自主着陆过程
进行仿真研究,验证该导航系统的可行性、正确性及鲁棒性等系统性能。本
文的主要内容包括以下两个方面:
1)基于计算机视觉原理的位姿测量试验:设计着陆平台图案,并由摄像
机捕获着陆平台所在环境的数字图像。通过图像分析和处理过程,提取特征
图形中所隐含特征点,计算摄像机相对与着陆平台所处的位姿参数。
I
上海交通大学硕士学位论文摘要
2)基于 Matlab 的小型无人直升机自主着陆视觉导航系统仿真:建立构成
视觉导航系统的摄像机及其云台模型,并通过引入随机误差使模型更接近于
现实。结合“天行者”小型无人直升机自主飞行控制算法,构建基于视觉导
航系统的自主着陆仿真平台,并在此基础上验证该导航系统的可行性、正确
性及鲁棒性。此外,本文采用虚拟现实建模语言(VRML)建立了仿真场景,
使仿真结果更直观、形象,增强了系统的表现力。
本文采用计算机仿真的形式设计并验证了应用于无人直升机自主着陆阶
段的视觉导航系统,为该系统走向实际应用提供了有力的支持。但仿真环境
与现实环境之间毕竟存在着一定的差异,有待进行进一步的研究和探索。

关键词:视觉导航系统;计算机视觉;摄像机标定;无人直升机

II
上海交通大学硕士学位论文 Abstract
Design and Simulation of a Visual Navigation System for
Small-scale Unmanned Helicopter Autonomous Landing
Abstract
The small-scale unmanned helicopters have very important military, civil and
scientific research value. Autonomous landing is one of the main flying mission
phases, and it’s also a phase full of accidents. Compared with other phases, it
requires the navigation system not only to provide high precision parameters,
real-time performance and reliability, but also off-land distance as much as
possible, in order to prevent the helicopter from hitting the ground too strong
which leads to an accident. As a result, design a navigation system suitable for
autonomous landing not only has important research value, but also of great
practical significance.
This dissertation takes SJTU "Sky-walker" small-scale un