一种无人机巡线飞行控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种无人机巡线飞行控制系统及方法，系统包括无人机、数据采集组件和控制器；数据采集组件用于采集飞行有关数据传至控制器，控制器包括无人机驱动节点和巡线飞行控制节点；控制器接收无人机的视频图像数据，由其中的无人机驱动节点处理后发送到巡线飞行控制节点，巡线飞行控制节点对视频图像信息进行处理并识别轨迹，再检测轨迹误差，经PI控制后得到左右线速度和偏转角速度，再加上向前线速度发送到无人机驱动节点，再由无人机驱动节点处理后发送到无人机，使无人机巡线飞行。该方法利用前述系统进行巡线飞行，由于飞行误差进行PI控制，无人机飞行轨迹接近于预设轨迹，能良好的自主跟随预设轨迹进行飞行，实现无人机的巡线飞行。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机巡线飞行控制系统及方法
本专利技术涉及无人机视觉导航自主飞行
，特别涉及无人机巡线飞行控制系统及方法。
技术介绍
多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。比如四旋翼无人机，当飞机四个螺旋桨的升力之和等于飞机总重量时，飞机的升力与重力相平衡，飞机就可以悬停在空中，实现定高飞行。根据牛顿第三定律，旋翼在旋转的同时，也会同时向电机施加一个反作用力(反扭矩)，促使电机向反方向旋转，无人机会做自旋运动。所以为了避免飞机自旋，四旋翼飞机的四个螺旋桨中，相邻的两个螺旋桨旋转方向是相反的。当飞机需要升高高度时，四个螺旋桨同时加速旋转，升力加大，飞机就会上升，当飞机需要降低高度时同理。当要飞机原地旋转时，我们就可以利用反扭矩，相对的两个顺时针旋转的电机转速增加，相对的两个逆时针旋转的电机转速降低，由于反扭矩影响，飞机就会产生逆时针方向的旋转。前进时，后面两个电机螺旋桨会提高转速，同时前面两个电机螺旋桨降低转速，由于飞机后部的升力大于飞机前部，飞机的姿态会向前倾斜，已达到前后偏航角的控制，螺旋桨产生的升力除了在竖直方向上抵消飞机重力外，还在水平方向上有一个分力，这个分力就让飞机有了水平方向上的加速度，飞机也因而能向前飞行。后退和左右飞行同理。多旋翼无人机采用光流传感器实现相对于地面的定位，已达到对位置的控制。多旋翼无人机操控性强，可垂直起降和悬停，主要适用于低空、低速、有垂直起降和悬停要求的任务类型；无人机的控制方式发展至今，主要形成了遥控、程序控制/指令控制、半自主控制和自主控制等四种控制方式。数字图像处理是指利用计算机对图像进行处理的方法和技术。常用的图像中物体检测查找方法有二值化、反投影直方图、均值漂移、形态学滤波、分水岭算法、方向滤波、拉普拉斯变换、Canny算子、霍夫变换等等，再配合图像颜色空间转换，直方图均衡化、滤波操作等图像处理的方法。计算机中，按照颜色和灰度的多少可以将图像分为二值图像、灰度图像、索引图像和真彩色RGB图像四种基本类型。控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。但目前在工业届中还是古典控制理论用得比较多，在古典控制理论中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制系统原理图1所示；PID控制的公式如下所示；其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Kp/Ti为积分系数，Td为微分时间常量，Kp*Td为微分系数，e(t)为误差，u(x)为输出量。常用的巡线方法有红外传感技术，在巡线小车当中应用比较多，由红外发射器与接收探头来完成的。光有反射的特性，当前方的红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。红外光线对于不同的物体反射特性是不一样的，例如对白色反光的物体，红外光线的反射量将会多一点。对黑色不反光的物体，红外反射量将会大量的减少。利用这个特性来完成轨迹的识别。然后将这种接收到的红外光线变化量转换为电压值传送到控制器中。在控制器中应用PID控制的方法对其进行控制已达到巡线的目的。但用红外传感技术用于无人机巡线有以下缺点，首先是需要安装红外发射接收器，如果需要大面积检测，需要安装多个红外发射接收器，其次，对轨迹很难做到整体的精确识别，最后，会受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰，在复杂环境下影响轨迹检测。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种无人机巡线飞行控制系统及方法，该算法可以精确识别轨迹，抗干扰能力强。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种无人机巡线飞行控制系统，包括无人机、数据采集组件和控制器；所述数据采集组件设置在无人机上，并包括摄像头、光流传感器和气压计；所述摄像头用于采集图像，光流传感器用于室内的定位，气压计用于测量高度；所述控制器用于与数据采集组件通信连接；控制器包括无人机驱动节点和巡线飞行控制节点；控制器接收无人机的视频图像数据，由其中的无人机驱动节点处理后发送到巡线飞行控制节点，巡线飞行控制节点对视频图像信息进行处理并识别轨迹，再检测轨迹相对于无人机的偏角和相对于无人机中心的偏距，经PI控制后得到左右线速度和偏转角速度，再加上前后线速度发送到无人机驱动节点，再由无人机驱动节点处理后发送到无人机，使无人机巡线飞行。作为改进，所述无人机驱动节点：用于接收数据采集组件发送的数据信息，并对其处理之后再发送到巡线飞行控制节点中；用于接收巡线飞行控制节点发送过来的信息，处理之后再发送给无人机；在巡线飞行中，无人机驱动节点把接收到的视频图像处理之后发送到巡线飞行控制节点，再接收巡线飞行控制节点发送过来的速度信息，处理后发送给无人机进行飞行以及巡线调整。一种无人机巡线飞行方法，其特征在于：采用上述的无人机巡线飞行控制系统；步骤如下：S1：启动无人机和控制器，连上WIFI：启动无人机驱动节点，对无人机进行设置，启动巡线飞行控制节点,并起飞无人机，无人机起飞后使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机巡线飞行控制系统，其特征在于：包括无人机、数据采集组件和控制器；所述数据采集组件设置在无人机上，并包括摄像头、光流传感器和气压计；所述摄像头用于采集图像，光流传感器用于室内的定位，气压计用于测量高度；所述控制器用于与数据采集组件通信连接；控制器包括无人机驱动节点和巡线飞行控制节点；控制器接收无人机的视频图像数据，由其中的无人机驱动节点处理后发送到巡线飞行控制节点，巡线飞行控制节点对视频图像信息进行处理并识别轨迹，再检测轨迹相对于无人机的偏角和相对于无人机中心的偏距，经PI控制后得到左右线速度和偏转角速度，再加上前后线速度发送到无人机驱动节点，再由无人机驱动节点处理后发送到无人机，使无人机巡线飞行。

【技术特征摘要】
1.一种无人机巡线飞行控制系统，其特征在于：包括无人机、数据采集组件和控制器；所述数据采集组件设置在无人机上，并包括摄像头、光流传感器和气压计；所述摄像头用于采集图像，光流传感器用于室内的定位，气压计用于测量高度；所述控制器用于与数据采集组件通信连接；控制器包括无人机驱动节点和巡线飞行控制节点；控制器接收无人机的视频图像数据，由其中的无人机驱动节点处理后发送到巡线飞行控制节点，巡线飞行控制节点对视频图像信息进行处理并识别轨迹，再检测轨迹相对于无人机的偏角和相对于无人机中心的偏距，经PI控制后得到左右线速度和偏转角速度，再加上前后线速度发送到无人机驱动节点，再由无人机驱动节点处理后发送到无人机，使无人机巡线飞行。2.如权利要求1所述的无人机巡线飞行控制系统，其特征在于：所述无人机驱动节点：用于接收数据采集组件发送的数据信息，并对其处理之后再发送到巡线飞行控制节点中；用于接收巡线飞行控制节点发送过来的信息，处理之后再发送给无人机；在巡线飞行中，无人机驱动节点把接收到的视频图像处理之后发送到巡线飞行控制节点，再接收巡线飞行控制节点发送过来的速度信息，处理后发送给无人机进行飞行以及巡线调整。3.一种无人机巡线飞行方法，其特征在于：采用权利要求2所述的无人机巡线飞行控制系统；步骤如下：S1：启动无人机和控制器，连上WIFI：启动无人机驱动节点，对无人机进行设置，启动巡线飞行控制节点,并起飞无人机，无人机起飞后使用手动控制无人机飞到轨迹上方，然后开始巡线；S2：无人机通过WIFI将摄像头拍摄的视频数据以固定频率发送到控制器中，控制器中的无人机驱动节点接收发送的视频图像数据，并将对视频图像数据进行格式转换后发送到巡线飞行控制节点；S3:提取轨迹：控制器中的巡线飞行控制节点接收所述S2处理后的视频图像数据，使用回调函数的方式对视频图像进行处理识别轨迹，得到二值化轨迹图像；S4：检测S3得到的二值轨迹图像中轨迹误差：检测所述二值化轨迹图像中轨迹相对于无人机的偏角和偏距；S5：对所述S4得到的偏角与偏距分别使用PI控制，逐渐消除偏角和偏距，得到无人机旋转角速度angular.z和左右飞行速度linear.y；S6：发送速度参数数据给无人机；将所述S5得到的旋转角速度angular.z和左右飞行速度linear.y以及无人机本来的前向飞行速度linear,x，三项速度信息发送到无人机驱动节点，无人机驱动节点再将所述速度信息发送给无人机，无人机调整飞行进行巡线；S7：当无人机巡线结束或者长时间检测不到轨迹时，无人机开始降落，由巡线飞行控制节点发送降落信息到无人机驱动节点中，由无人机驱动节点处理后再发送给无人机完成降落。4.如权利要求1所述的无人机巡线飞行方法，其特征在于：所述S3中提取轨迹的方法为：先将所述视频图像数据从颜色空间RGB格式转换到颜色空间模型HSV，然后对灰度V进行直方图均衡化，之后再设置阈值对图像进行二值化处理，得到轨迹标为白色，背景为黑色的二值化轨迹图像，接着做形态学的开闭操作让轨迹更加规则完整。5.如权利要求4所述的无人机巡线飞行方法，其特征在于：所述将视频图像数据从颜色空间RGB格式转换成颜色空间模型HSV的步骤为：无人机驱动节点接收到的视频图像数据颜色空间是RGB格式，将视...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋永端，何鎏，曹枭，谭觅，李秀敏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50