一种旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，工作时，飞行控制器结合超声波测距模块和视觉导航模块提供的实时的飞行高度和目标物质点的位置信息解算旋翼无人机与目标物质点之间的实际相对误差距离以及跟踪角度误差，飞行控制器将此角度误差作为PID输入，通过PID算法计算出旋翼无人机的下降高度并控制旋翼无人机进行下降，直至成功着陆，从而完成旋翼无人机在移动目标上自主着降的任务。

A control method of autonomous landing on a moving target on a rotor unmanned aerial vehicle

The invention discloses a vision based on rotor UAV autonomous landing on a moving target control method, the UAV flight controller, ultrasonic ranging module and visual navigation module, based on the vision of the rotor when working, the flight controller combined with position information real-time flight altitude ultrasonic ranging module and visual navigation module provides and the target material point calculation of rotor machine and target material point the actual distance and the relative error of tracking angle error, the angle error of the flight controller as the input of PID, through the PID algorithm to calculate the drop height and rotor UAV control rotor UAV was decreased, until the successful landing, thus completing the rotor UAV in moving target autonomous landing task.

【技术实现步骤摘要】
一种旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法
本专利技术涉及旋翼无人机自主着降技术邻域，特别是一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法。
技术介绍
近几年，旋翼无人机凭借其可悬停稳定飞行、可垂直起降等优点，在民用、救援甚至军事应用中都扮演着十分重要的角色，如交通部门利用旋翼无人机实时检查路况、隐蔽地抓拍高速公路上的违章驾驶行为；大型发电站利用旋翼无人机对太阳能电板进行巡检；快递公司利用旋翼无人机派送包裹；救援部队利用旋翼无人机侦测受灾情况并及时给受灾群众投送食物和药品等必要物资。然而，若要旋翼无人机执行更为复杂的任务，即要求旋翼无人机能够有更长的飞行时间及更大的飞行范围，这就对机载电池的续航时间与使用寿命提出了一个更高的要求。增大电池容量的同时也增加了机身重量，延长续航时间效果不明显。实现旋翼无人机与地面移动车辆空地协作就可以有效地缓解这一问题，所谓的空地协作即要求旋翼无人机能够在移动车辆上实现自主起降，两者协同完成一系列复杂任务。现阶段旋翼无人机大多采用定点着降的方式，这一着降方式就限定了旋翼无人机只能在固定的目标上进行降落。对于在移动目标上的自主着降，工程上易于实现的方式是采用阶梯式的着降方式，即当满足降落的条件时，旋翼无人机进入降落模式，降低一定的高度后，又进入跟踪模式，两种模式交替执行，最终，旋翼无人机的着降轨迹成阶梯状。显然，这种着降方式不是一个连续的过程，并且，当旋翼无人机下降到一定高度时，就会受到地面效应的影响，而且这种影响会随着飞行高度的减小而增大，这对跟踪飞行的稳定性、着降的精确度都会造成一定的影响。因此，实现旋翼无人机连续稳定地在移动目标上自主着降技术是迫切需要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种工程上易于实现的基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的方法，用于解决旋翼无人机无法在未知运动状态的移动目标上稳定着降的工程问题。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术采用已公开专利(公开号为CN106774436A)中提出的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，完成自主着降前的对移动目标的稳定跟踪，并将本专利技术提出的方法用于上述专利提出的系统结构中，实现旋翼无人机在移动目标上自主着降的任务。本专利技术公开了一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，所述两轴无刷云台用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；所述超声波测距模块用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；所述摄像头模块用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；所述图像处理器用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点的位置信息，并将目标物质点的位置信息输出至飞行控制器；所述飞行控制器用于根据接收到的目标物质点的位置信息和实时的飞行高度，解算出旋翼无人机与目标物质点之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪飞行以及在目标物上着降；所述旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法包括以下步骤：步骤1)，控制旋翼无人机在开始着降前保持在预设高度对移动目标的视觉跟踪；步骤2)，飞行控制器判断连续20帧移动目标的成像位置是否都在成像平面的中心，如果连续20帧移动目标的成像位置均在成像平面的中心，执行步骤3)；否则跳转至步骤1)；步骤3)，进入着降模式，旋翼无人机保持预设高度向前飞行预设的第一距离阈值，所述预设的第一距离阈值小于等于htan50°，其中h为旋翼无人机实时的飞行高度，50°为旋翼无人机前飞方向上摄像头模块视场角的一半，该距离保证了目标特征标志仍位于摄像头模块的视野范围内；步骤4)，保持旋翼无人机的位置和高度不变，计算位于该位置的旋翼无人机与移动目标的实际的相对误差距离X，然后结合此时的飞行高度h、根据公式计算得到期望的跟踪角度θ0的值；步骤5)，飞行控制器控制旋翼无人机开始下降高度，同时结合实时的实际相对位置误差距离与飞行高度，并根据公式计算实际的跟踪角度θ；步骤6)，计算目标物质点的成像位置、成像平面中心之间的连线和过成像平面中心且垂直指向成像平面下边缘射线的夹角β；步骤7)，将β和预先设定的角度阈值β0进行比较；步骤7.1)，如果β大于β0，移动目标改变运动方向，飞行控制器控制旋翼无人机提升至预设高度，跳转执行步骤1)；步骤7.2)，如果β小于等于β0，移动目标的前向运动，θ会增大，与期望的跟踪角度θ0对比就会存在角度误差eθ，eθ＝θ0-θ，飞行控制器控制将此角度误差作为PID输入，通过PID算法计算出旋翼无人机的下降高度并控制旋翼无人机进行下降、使得实际的跟踪角度θ与期望的跟踪角度θ0相同，直至旋翼无人机成功在移动目标上着陆。优选的，所述的预设高度为2m，旋翼无人机实时的飞行高度通过上述的超声波测距模块测得，并与预设高度进行比较来判断是否位于预设高度。优选的，所述角度阈值β0为15°。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术采用工程上易于实现的PID控制方法，结合优化的着降策略实现了旋翼无人机在未知运动状态的移动目标上自主着降的任务，从而扩大了旋翼无人机的应用范围。2、本专利技术提出的着降方法其着降过程是一个连续的垂直降落的过程，从而避免了采用阶梯式着降方式所受到的地面效应的影响，提高了系统的稳定性。此外，在整个着降过程中，移动目标始终朝着靠近旋翼无人机的方向运动，这就有效地避免了因飞行高度的下降而目标丢失的情况。3、本专利技术提出的一种旋翼无人机自主着降的方法，将复杂的降落过程转化为跟踪一个期望的角度θ0，在简化着降过程的同时又减小了系统的计算量，实验结果表明，运用本专利技术提出的着降方法，着降精度可控制在5厘米以内。附图说明图1是旋翼无人机自主着降过程示意图；图2是目标特征标志；图3是本专利技术采用的一种控制系统实施例的结构示意图；图4是目标物定位示意图；图5是实际相对误差距离解算示意图；图6是角度β示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术公开了一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，所述两轴无刷云台用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；所述超声波测距模块用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；所述摄像头模块用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；所述图像处理器用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点的位置信息，并将目标物质点的位置信息输出至飞行控制器；所述飞行控制器用于根据接收到的目标物质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，所述两轴无刷云台用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；所述超声波测距模块用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；所述摄像头模块用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；所述图像处理器用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点的位置信息，并将目标物质点的位置信息输出至飞行控制器；所述飞行控制器用于根据接收到的目标物质点的位置信息和实时的飞行高度，解算出旋翼无人机与目标物质点之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪飞行以及在目标物上着降；其特征在于，所述旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法包括以下步骤：步骤1)，控制旋翼无人机在开始着降前保持在预设高度对移动目标的视觉跟踪；步骤2)，飞行控制器判断连续20帧移动目标的成像位置是否都在成像平面的中心，如果连续20帧移动目标的成像位置均在成像平面的中心，执行步骤3)；否则跳转至步骤1)；步骤3)，进入着降模式，旋翼无人机保持预设高度向前飞行预设的第一距离阈值，所述预设的第一距离阈值小于等于h tan50°，其中h为旋翼无人机实时的飞行高度，50°为旋翼无人机前飞方向上摄像头模块视场角的一半，该距离保证了目标特征标志仍位于摄像头模块的视野范围内；步骤4)，保持旋翼无人机的位置和高度不变，计算位于该位置的旋翼无人机与移动目标的实际的相对误差距离X，然后结合此时的飞行高度h、根据公式...

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，所述两轴无刷云台用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；所述超声波测距模块用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；所述摄像头模块用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；所述图像处理器用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点的位置信息，并将目标物质点的位置信息输出至飞行控制器；所述飞行控制器用于根据接收到的目标物质点的位置信息和实时的飞行高度，解算出旋翼无人机与目标物质点之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪飞行以及在目标物上着降；其特征在于，所述旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法包括以下步骤：步骤1)，控制旋翼无人机在开始着降前保持在预设高度对移动目标的视觉跟踪；步骤2)，飞行控制器判断连续20帧移动目标的成像位置是否都在成像平面的中心，如果连续20帧移动目标的成像位置均在成像平面的中心，执行步骤3)；否则跳转至步骤1)；步骤3)，进入着降模式，旋翼无人机保持预设高度向前飞行预设的第一距...

【专利技术属性】
技术研发人员：单一，刘春生，李蔚蓝，孙景亮，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32