[论文解读] Precision Landing of a UAV on a Moving Platform for Outdoor Applications

Adarsh Salagame, Sushant Govindraj+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2022

Robotics and Sensor-Based Localization被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于视觉的固定翼无人机在移动室外平台上精确着陆的系统，采用单目相机追踪Apriltag组并结合PID控制。在季风前的强风条件下，系统在高达1.5 m/s的速度下仍能实现稳定追踪并成功着陆，证明了其对风力和光照变化等户外干扰因素的鲁棒性。

ABSTRACT

As UAV technology improves, more uses have been found for these versatile autonomous vehicles, from surveillance to aerial photography, to package delivery, and each of these applications poses unique challenges. This paper implements a solution for one such challenge: To land on a moving target. This problem has been addressed before with varying degrees of success, however, most implementations focus on indoor applications. Outdoor poses greater challenges in the form of variables such as wind and lighting, and outdoor drones are heavier and more susceptible to inertial effects. Our approach is purely vision based, using a monocular camera and fiducial markers to localize the drone and a PID control to follow and land on the platform.

研究动机与目标

• 在风力和光照变化等环境挑战下，实现无人机在移动室外平台上的自主精确着陆。
• 通过采用仅依赖视觉的、基于标识标记的方法，克服以往聚焦于室内环境或依赖特定传感器方法的局限性。
• 通过使用多尺寸Apriltag组，在视场缩小的情况下仍能实现着陆过程中的持续目标追踪。
• 在具有动态目标运动和环境干扰的真实户外条件下，验证系统的鲁棒性。
• 展示使用更重的室外无人机（3DR Iris，2.5kg）并配备机载处理能力，实现对移动平台自主着陆的可行性。

提出的方法

• 一架搭载3DR Iris无人机的单目向下摄像头实时捕获移动平台上Apriltag组的图像，用于实时定位。
• Apriltag组——由尺寸递减的标记组成的组——可实现从5米高度到着陆阶段的持续检测，缓解视场限制问题。
• 系统计算无人机与目标之间的位置误差（∆x, ∆y），并将这些误差输入PID控制器，生成速度指令。
• 着陆过程分阶段进行：在4米高度启动追踪，连续检测2秒后开始着陆；若检测丢失，则提升高度。
• 若追踪丢失，系统采用动态恢复策略，使无人机上升以扩大视场并重新捕获目标。
• 系统使用Odroid XU4进行机载图像处理，并通过无线通信将数据传至地面站以实现监控。

实验结果

研究问题

• RQ1 在风力和光照变化的条件下，纯视觉系统是否能实现对移动室外平台的可靠追踪与精确着陆？
• RQ2 与单个标记相比，使用多尺寸Apriltag组在下降过程中如何提升检测的可靠性？
• RQ3 PID增益选择对目标以不同速度运动时的追踪效率与系统稳定性有何影响？
• RQ4 系统在飞行过程中临时丢失目标检测时，如何实现恢复？
• RQ5 该系统在搭载更重的室外无人机时，能在多大程度上保持在移动平台上的稳定追踪与着陆性能？

主要发现

• 在平台速度为0.5 m/s且PID增益优化（kp=0.65, ki=0.0015, kd=0.09）时，系统追踪效率达到93.35%。
• 随着平台速度增加，追踪效率显著下降，在1.0 m/s时降至23.36%，表明对目标动态变化敏感。
• 较高的PID增益（如kd=0.09）在高速时导致不稳定和振荡，即使初始检测成功，仍会造成追踪丢失。
• 在户外飞行测试中，系统成功实现无人机在以1.5 m/s移动的越野车上的自主着陆，证实了其在真实环境中的可行性。
• 当追踪丢失时，无人机能自主爬升以扩大视场并成功重新捕获目标，展示了稳健的恢复行为。
• 在连续追踪约25秒后，算法实现稳定，表明系统收敛至稳定飞行状态并持续保持在移动目标上方。