一种基于视觉定位的无人机定点飞行控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于视觉定位的无人机定点飞行控制系统。该系统包括无人机机载模块、定位标志、地面监控模块、通讯模块。系统可通过与视觉处理算法配合，由识别信息控制无人机定点飞行，弥补了GPS定点飞行精度不够的缺点，控制系统使用开源操作系统与通用无人机通讯协议，具有良好的兼容性与扩展性。可应用于无人机物流、无人机监察等方向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器视觉/无人机定位领域，具体涉及一种通过视觉传感器对人工标志物进行定位与识别，并由识别信息控制无人机定点飞行的系统。
技术介绍
随着互联网技术的不断进步，我国电子商务发展迅速，市场规模扩张迅速，物流产业也得到了飞速发展。然而风光的背后也暴露出了诸多问题，如快递送达不及时，货物送到损坏严重等，这些问题也反映出人工物流领域的缺陷。为了弥补这些缺陷，各大物流企业开始思考如何在降低成本的同时还能保证服务的质量，满足客户需求。由此，具有造价低、体积小、操控简便、生存能力较强等优点的无人机派送方案应运而生。如今无人机派送在国外已经形成了较为完善的运行模式，其中尤以美国亚马逊为例。该公司无人机物流试运行模式采用“配送车＋无人机”为国内的投入使用提供了参考方案。该模式主要是无人机负责物流配送的“最后一公里”。举例来说就是，配送车在离开仓库之后，只需行走在主路上即可，然后在每个小支路处停车，并派出无人机进行配送，完成配送之后自动返航准备下一个投送任务。要实现上述自动控制功能，需要在无人机上加装部分装置以满足定点飞行的要求，其中最为关键的是使无人机需要能够知道其下一个目的点在何处并动态调整路径，即可在某种手段下导航至投送点并自动返回。这种无人机导航技术主要分为有GPS和无GPS两大类，前者通过接收GPS信号来规划路径导航，后者则借助一些传感器对指定参照物进行感知来辅助导航。目前国内外针对无GPS下无人机导航及无人机派送这种特定模式下的控制方法开展了大量的研究，但还没有能够完全兼顾成本、效果与易实现程度的解决方案出现。虽然目前无人机派送在物流运输上还存在着一些问题和缺点亟待解决，但从它所带来的经济价值和效果上看，无人机在电商物流发展的前景仍是广阔的，相关技术的研究和专利技术也是具有非常大的价值的。相关技术1 无人机导航技术导航技术是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、视觉导航及地磁导航等。在无人机导航中，根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航技术至关重要。2 无人机飞行控制技术飞行控制是利用遥控设备或飞行控制装置完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的关键技术，对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用。根据实际情况通过人工或程序自动为无人机指定动作，配合导航技术完成各项复杂功能。3 视觉定位技术机器视觉技术具备定位功能，能够自动判断物体的位置，并将位置信息通过一定的通讯协议输出。定位检测可分为两个步骤，一是制作实现功能所需的标准模板，二是通过机器视觉装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统进行搜索与定位。基于机器视觉的视觉定位技术不但克服了传统人工定位方法费时费力的缺点，同时也发挥了自己快速准确的优点，多用于全自动装配、生产和控制。现有技术不足1 对于无人机导航技术，目前多采用基于GPS的单一导航技术或组合导航技术，适用于高空、没有干扰、远距离的飞行导航，对GPS信号的依赖程度很高，但民用GPS定位精度有限，难以满足物流派送中精确的投递任务要求，很可能将快递投丢，因此需要借助一些其他定位辅助方法。2对于无人机飞行控制技术，主流的方式是无人机飞控加无线电遥控器相互配合，无人机内部的飞控自动控制飞机的姿态和速度，操控者使用遥控器控制无人机完成指定的操作。这种控制方式在派送任务中显然是不合理的，应该让无人机在启动后能够通过一定途径自动地获取任务、规划路径并返回，以尽可能的减少送货人员的操作。3 视觉定位技术多被用在静态的生产、装备环境下，如要在无人机上装配视觉定位系统，视觉传感器会处于不稳定的运动状态之下，成像质量难以保证，导致判断精度有所下降。另外考虑到续航的因素，体积重量过大的高性能图像处理系统也不适合在无人机上作业。
技术实现思路
针对以上三个相关技术的不足，本专利技术设计了一种基于视觉定位的无人机定点飞行控制系统，具体采用如下技术方案：该系统包括无人机机载模块、定位标志、地面监控模块、通讯模块，所述无人机机载模块包括飞行控制模块、图像采集模块、嵌入式平台，图像采集模块设置在无人机下方正中心；飞行控制模块用于识别无人机当前的飞行模式，以及执行嵌入式平台发出的控制指令，控制无人机的飞行动作；嵌入式平台分别从飞行控制模块和图像采集模块获取当前飞行模式信息以及视频数据，当获取无人机处于GPS定位飞行模式时，嵌入式平台启动内部视觉处理模块对视频数据进行分析，以识别定位标志是否存在，若存在，则视觉处理模块计算无人机与定位标志的水平方向位置偏差与方位角偏差，并根据水平方向位置偏差与方位角偏差生成定位信息，嵌入式平台进而通过其内部的控制逻辑模块将定位信息转换为实际的姿态控制信号，姿态控制信号通过接口传递给飞行控制模块，飞行控制模块根据姿态控制信号完成调整水平方向位置偏差与方位角偏差的飞行动作，当视觉处理模块计算出水平方向位置偏差与方位角偏差值处于设定范围内后，嵌入式平台向飞行控制模块发出降落命令，飞行控制模块控制无人机完成降落。优选地，地面监控模块通过通讯模块向无人机机载模块发送任务，无人机机载模块在接收到任务后，无人机的飞行模式由自由飞行模式切换为GPS定位飞行模式，无人机通过GPS导航到达目标点附近后，无人机机载模块开始检测定位标志是否存在，检测到定位标志后通过获取的定位信息对无人机进行姿态控制并实现自主降落，无人机完成任务后自动返航，并反馈任务状态。优选地，通讯模块采用基于MavLink协议的无线通讯模式，嵌入式平台搭载Android操作系统，嵌入式平台通过USB-host API接口和串行驱动程序接收和发送飞行控制模块的数据。优选地，所述定位标志为一黑色矩形区域，该区域内部按照预先设定的规则放置两组大小不同的白色正方形，其中大的组里正方形数量为3个，小的组里正方形数量为6个，所述设定的规则为：3个大正方形分布于黑色矩形区域的三个角，并分别标记正方形中心点为M1、M2、M3，一小正方形位于黑色区域剩下的那个角并标记其中心点为m2，另一小正方形位于黑色矩形区域中心并标记其中心点为m1，剩余的四个小正方形对称设置在m1的四周，M2和M3的连线以及M1和m2的连线均经过m1，9个正方形互相没有重叠部分。本专利技术具有如下有益效果：（1）对无人机进行实时监控，发送控制指令，无人机完成自主飞行和视觉定位，最终达到精确定点的目的。（2）对各个模块进行独立设计，使其能够独立完成部分功能，在通过可靠的通讯连接，建立各模块之间的通讯通道，完成信息在无人机、地面站、机载计算机之间的相互传递，保证无人机飞行路径的正确性、飞行状态的稳定性和视觉定位的准确性。附图说明图1 为定位标志设计图。图2 为标志识别流程图。图3 为图像轮廓识别与提取示意图。图4 为偏差定位模型图。图5 为标识区域解析流程图。图6 为标识信息解析图。图7 为无人机定点飞行系统结构图。图8 为系统硬件结构图。图9 为系统运行流程图。图10 为视觉处理与控制软件结构图。图11 为视觉处理与控制软件运行流程图。图12 为坐标系匹配图。图13 为视觉定位控制结构图。图14 为视觉定位控制流程图。图15 为无人机物流运输系统图。图16 为无人机物流运输系统运行流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉定位的无人机定点飞行控制系统，该系统包括无人机机载模块、定位标志、地面监控模块、通讯模块，其特征在于，所述无人机机载模块包括飞行控制模块、图像采集模块、嵌入式平台，图像采集模块设置在无人机下方正中心；飞行控制模块用于识别无人机当前的飞行模式，以及执行嵌入式平台发出的控制指令，控制无人机的飞行动作；嵌入式平台分别从飞行控制模块和图像采集模块获取当前飞行模式信息以及视频数据，当获取无人机处于GPS定位飞行模式时，嵌入式平台启动内部视觉处理模块对视频数据进行分析，以识别定位标志是否存在，若存在，则视觉处理模块计算无人机与定位标志的水平方向位置偏差与方位角偏差，并根据水平方向位置偏差与方位角偏差生成定位信息，嵌入式平台进而通过其内部的控制逻辑模块将定位信息转换为实际的姿态控制信号，姿态控制信号通过接口传递给飞行控制模块，飞行控制模块根据姿态控制信号完成调整水平方向位置偏差与方位角偏差的飞行动作，当视觉处理模块计算出水平方向位置偏差与方位角偏差值处于设定范围内后，嵌入式平台向飞行控制模块发出降落命令，飞行控制模块控制无人机完成降落。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉定位的无人机定点飞行控制系统，该系统包括无人机机载模块、定位标志、地面监控模块、通讯模块，其特征在于，所述无人机机载模块包括飞行控制模块、图像采集模块、嵌入式平台，图像采集模块设置在无人机下方正中心；飞行控制模块用于识别无人机当前的飞行模式，以及执行嵌入式平台发出的控制指令，控制无人机的飞行动作；嵌入式平台分别从飞行控制模块和图像采集模块获取当前飞行模式信息以及视频数据，当获取无人机处于GPS定位飞行模式时，嵌入式平台启动内部视觉处理模块对视频数据进行分析，以识别定位标志是否存在，若存在，则视觉处理模块计算无人机与定位标志的水平方向位置偏差与方位角偏差，并根据水平方向位置偏差与方位角偏差生成定位信息，嵌入式平台进而通过其内部的控制逻辑模块将定位信息转换为实际的姿态控制信号，姿态控制信号通过接口传递给飞行控制模块，飞行控制模块根据姿态控制信号完成调整水平方向位置偏差与方位角偏差的飞行动作，当视觉处理模块计算出水平方向位置偏差与方位角偏差值处于设定范围内后，嵌入式平台向飞行控制模块发出降落命令，飞行控制模块控制无人机完成降落。2.如权利要求1所述的基于视觉定位的无人机定点飞行控制系统，其特征在于，地面监控模块通过通讯模块向无人机机载模块发送任务，无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庞伟，于洪斌，王力，熊昌镇，程冲，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11