带有为水平速度估计而补偿瞬时旋转的垂直视角摄像机的无人机制造技术

垂直视角摄像机(16)传递由无人机飞越的地面的图像信号(ScamV)。陀螺测试仪传感器(102)测量欧拉角(θ、ψ)，表征无人机的飞行姿态，并传递陀螺测试仪信号(Sgyro)，表示瞬时旋转。旋转补偿装置(136)接收图像信号和陀螺测试仪信号，传递重新调整时间的图像数据，补偿旋转，随后用于估计无人机的水平速度。摄像机和惯性单元由公共时钟(160)引导，设置电路(170)，用于确定在陀螺测试仪信号与图像信号之间的相移的值，将这个相移值应用于旋转补偿装置(136)的输入，在重新调整时间的图像数据的计算之前，将图像信号重新同步到陀螺测试仪信号上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及诸如无人机的机动化飞行设备的领航(导航控制)，具体而言，涉及诸如四螺旋桨遥控直升机的旋翼无人机。法国巴黎的Parrot SA的AR.Drone 2.0或者Bebop Drone是这种四螺旋桨遥控直升机的典型示例。它们配备有一系列传感器(加速度计、3轴陀螺仪、高度计)、捕获无人机所朝向的场景的图像的前置摄像机、和捕获所飞越的地面的图像的垂直视角摄像机。它们设有多个水平旋翼，由各自的电机驱动，这些电机可以以有区别的方式被控制，以便控制无人机的姿态和速度。其中，在EP2 364 757A1、EP2 400 460A1、EP2613213A1或者EP 2 644 240 A1、EP 2 613 214 A1(Parrot SA)中说明了这种无人机的多个方面。
技术介绍
本专利技术具体涉及无人机的水平速度的测量，测量主要基于由垂直视角摄像机提供的图像并借助计算器，计算器用于分析由摄像机捕获的图像的序列。独立于惯性传感器(加速度计)，摄像机估计的位移提供了两个方向上的无人机水平平移的测量。具体而言，分析由摄像机给出的两个连续图像以在绝对地球参考系的一个或另一个水平维度上以像素提供明显的位移。如果已知了高度(由无人机机载的超声波和大气压力传感器给出)，就可以将图像的这个明显位移转换为距离，从而转换为速度，获知分隔两个连续图像的时间间隔。上述的EP 2 400 460 A1说明了这个基于所谓的“光流”型算法的水平速度的测量的技术，在光流算法不再能够给出足够可靠的结果时，动态受控地可以转换为“点检测器”或“兴趣点检测”型的其他算法。光流算法具有许多优点，尤其是该方法对于场景的对比度和内容基本没有约束，借助“多解”型方案可以估计高速和低速。另一方面，这个方法对于飞行姿态的旋转和变化非常敏感，不允许本质地验证给出的结果的质量，即，算
法始终从足够数量的点显示高变化率的时刻给出结果，但即使这个结果没有任何意义也会被给出。实际上，给出的结果并非总是可靠的，而且也不是非常准确的，尤其是对于低速。现在，为了在悬停飞行中获得自动稳定的有效且有反应的控制，必须实时获得即刻的准确、灵敏(由于在平衡点附近的线性速度极低)且可用的水平速度的测量。借助惯性单元可实时测量易于对无人机的水平速度的测量具有影响的这些飞行姿态的旋转和变化。按照本身已知的方式，光流算法的实现方式还包括补偿在连续使用的图像之间的旋转的步骤。为此，通过将起因于两个连续图像之间的旋转的光心的位移加到估计的光流来补偿易于引入的误差(增加沿在图像平面与垂直于旋转轴的平面之间的交线的分量的旋转)。换言之，在由摄像机捕获的场景的两个连续图像之间的旋转的情况下，借助由无人机的信号处理器内的软件实时执行的射影矩阵计算，在与在前图像比较之前，产生图像的新版本。这个旋转补偿允许对于尤其是在悬停飞行中遇到的旋转进行鲁棒的速度计算，并保持无人机的位移的线性模型。这个旋转补偿技术的实现方式中的困难在于以下事实：有关于由惯性单元传递给算法的旋转角度(尤其是横摇角和纵摇角)的值的误差由于图像的平移而产生相同的后果，即使很小的误差也易于在水平速度分量的估计中产生偏差-即使旋转补偿算法将一个图像很好地在另一个上重新调整时间。这些很小的误差尤其来自于在由垂直摄像机传递的图像信号与由惯性单元传递的陀螺测试仪信号之间的同步的失败。如果希望避免旋转补偿过程中的任何误差，因此重要的是对于每一个图像都确保这两个信号的极为准确的同步。Myung Hwangbo的″Robust Monocular Vision-based Navigation for a Miniature Fixed-Wing Aircraft″，Carnegie-Mellon University，Robotics Institute，2009年9月15日，chapter 4.2.3，标题″Camera-IMU synchronization″说明了测量在图像信号与陀螺测试仪信号之间的偏移量的简单技术。这个技术基于假设：此时偏移量保持恒定。其在于，在预先的校准步骤中，将正弦曲线运动给予无人机，并基于光流在这个正弦曲线运动上的计算来估计运动。随后将这个运动估计与陀螺测试仪的测量相比较，两个正弦形信号(图像信号和陀螺测试仪信号)的重新调整时间给出了搜索的相位。这个测量的相位在校准步骤后被认为是恒定的，在飞
行的随后阶段期间是永久且静态适用的。但实际上，同步的误差可以由易于持久变化的多个因素产生，尤其是信号的软件处理中一定的等待时间，这个等待时间不是恒定的，尤其是根据处理器在给定时刻的工作负荷，以不可预测的方式变化。基于时间偏移保持恒定的假设的上述预先校准的简单技术绝对无法考虑到这些动态现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是弥补上述的缺点，通过提出了一个解决方案，可以在无人机飞行过程中的任何时间实时地保证在由无人机的垂直摄像机传递的图像信号与由惯性单元传递的陀螺测试仪信号之间的极其准确的同步。为了避免将任何偏差引入在连续图像之间的旋转的校正中，具有以上揭示的关于无人机水平速度分量的估计的准确度的重要结果。为此，本专利技术提出了一种无人机，按照由上述EP 2 400 460 A1本身已知的方式，包括：-垂直视角摄像机，适于指向无人机飞越的地面的场景，用以捕获这个场景的图像序列，并作为输出传递相应的数字图像信号；-惯性单元，包括陀螺测试仪传感器，适于测量欧拉角，表征无人机相对于绝对地球参考系的飞行姿态，并作为输出传递陀螺测试仪信号，表示无人机的瞬时旋转；-旋转补偿装置，作为输入接收i)由摄像机传递的图像信号和ii)由惯性单元传递的陀螺测试仪信号，及作为输出传递重新调整时间的图像数据，补偿无人机从一个图像到下一个图像的旋转；及-估计装置，用于基于由摄像机捕获的场景的一个图像到下一个图像的位移来估计无人机的水平速度，这些估计装置作为输入接收所述的重新调整时间的图像数据。本专利技术的特征在于：-摄像机和惯性单元由公共时钟引导；-陀螺测试仪传感器的采集频率是摄像机的图像信号的传递频率的倍数；及-进一步提供了电路，适于：·将由惯性单元传递的陀螺测试仪信号与由摄像机传递的图像信号相比较；·确定在这些各自信号之间的相移的值；·将这个相移值应用于旋转补偿装置的输入；及-旋转补偿装置进一步适于在所述的重新调整时间的图像数据的计算之前，执行由摄像机传递的图像信号到由惯性单元传递的陀螺测试仪信号上的重新同步的预先校正。优选地，适于将由惯性单元传递的陀螺测试仪信号与由摄像机传递的图像信号相比较以确定在这些各自信号之间的相移的值，及将这个相移值应用于旋转补偿装置的输入的电路是硬件技术电路。优选地，无人机进一步包括积分器装置，适于在对应于图像序列的两个连续图像的图像信号的传递之间所包括的时间间隔上积分由惯性单元传递的陀螺测试仪信号。附图说明现在将参考附图来说明本专利技术的示例性实施例，在附图中，相同的参考标记在全部图形中表示相同或功能相似的要素。图1是显示由遥控设备操控的无人机的总图。图2是用于无人机的控制、伺服控制和领航的不同部件的方框图。图3作为方框图示出了有助于摄像机与陀螺测试仪之间的同步的机制的不同部件。图4示出了显示在由摄像机和陀螺测试仪传递的信号之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机(10)，包括：‑垂直视角摄像机(16)，所述垂直视角摄像机适于指向无人机飞越的地面(T)的场景，用以捕获这个场景的一序列图像，并作为输出传递相应的数字图像信号(ScamV)；‑惯性单元(154)，所述惯性单元包括陀螺测试仪传感器(102)，适于测量欧拉角表征无人机相对于绝对地球参考系(UVW)的飞行姿态，并作为输出传递陀螺测试仪信号(Sgyro)，表示无人机的瞬时旋转；‑旋转补偿装置(136)，所述旋转补偿装置作为输入接收i)由摄像机传递的图像信号(ScamV)和ii)由惯性单元传递的陀螺测试仪信号(Sgyro)，及作为输出传递重新调整时间的图像数据，补偿无人机从一个图像到下一个图像的旋转；及‑估计装置(138)，用于基于由摄像机捕获的场景的一个图像到下一个图像的位移来估计无人机的水平速度，这些估计装置作为输入接收所述的重新调整时间的图像数据，其特征在于：‑摄像机和惯性单元由公共时钟(160)引导；‑陀螺测试仪传感器的采集频率是摄像机的图像信号的传递频率的倍数；及‑进一步设置电路(170)，所述电路适于：·将由惯性单元传递的陀螺测试仪信号(Sgyro)与由摄像机传递的图像信号(ScamV)相比较；·确定在这些相应信号之间的相移的值；·将这个相移值应用于旋转补偿模块(136)的输入；以及‑旋转补偿装置(136)进一步适于在所述的重新调整时间的图像数据的计算之前，执行由摄像机传递的图像信号(ScamV)到由惯性单元传递的陀螺测试仪信号上的重新同步的预先校正。...

【技术特征摘要】
2015.04.01 FR 15528131.一种无人机(10)，包括：-垂直视角摄像机(16)，所述垂直视角摄像机适于指向无人机飞越的地面(T)的场景，用以捕获这个场景的一序列图像，并作为输出传递相应的数字图像信号(ScamV)；-惯性单元(154)，所述惯性单元包括陀螺测试仪传感器(102)，适于测量欧拉角表征无人机相对于绝对地球参考系(UVW)的飞行姿态，并作为输出传递陀螺测试仪信号(Sgyro)，表示无人机的瞬时旋转；-旋转补偿装置(136)，所述旋转补偿装置作为输入接收i)由摄像机传递的图像信号(ScamV)和ii)由惯性单元传递的陀螺测试仪信号(Sgyro)，及作为输出传递重新调整时间的图像数据，补偿无人机从一个图像到下一个图像的旋转；及-估计装置(138)，用于基于由摄像机捕获的场景的一个图像到下一个图像的位移来估计无人机的水平速度，这些估计装置作为输入接收所述的重新调整时间的图像数据，其特征在于：-摄像机和惯性单元由公共时钟(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·埃林，F·凯罗，
申请(专利权)人：鹦鹉无人机股份有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR