一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统及方法，控制系统包括无人机和移动平台，其特征在于，所述无人机上设有无人机机载模块和机载通信模块，无人机机载模块包括机载定位模块、飞行控制模块、嵌入式主控模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块和投放模块；移动平台上设有移动平台车载模块、车载通信模块、车载定位模块和定位标志，定位标志设置在移动平台的上部。同时公开例如其相应的实施方法。本发明专利技术在现有的基于图像处理的对定点目标进行二次定位技术的基础上，增加了协同模块及配套使用的协同算法，将无人机的自主定点投放推向向移动平台的投放，扩大了自主控制无人机的实际使用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统及方法
本专利技术涉及无人机控制的
，尤其涉及一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统及方法，通过图像识别控制无人机对移动平台动点投放。
技术介绍
随着科技的进步及电子信息技术的发展，无人机以其机动灵活、反应迅速、无人飞行、操作要求低的优点得到大众的广泛认可。但是，目前无人机均是人为操控，智能化程度低，飞行和投递过程需要人为控制，飞行安全度不高，受人为影响因素大。而近年来微电子技术和传感器技术的发展，使得完全自主飞行器的实现成为可能。对于全自主控制的无人机，其需要自主完成起飞、投放和降落过程。而在投放或降落过程中，最重要的是如何实现对目标区域的精准定位，以及如何实现精准投放或降落的过程。现有的无人机大多数采用先由GPS进行粗略定位，然后再用超声波传感器，激光雷达以及视觉相机等进行二次精确定位的方法来实现自主控制。目前，该方法只能应用于对静态目标区域进行自动投放或者降落，实际应用范围狭窄，基本上都应用在快递的投放。而实现无人机在移动平台的定点投放和降落，可以将无人机更广泛的应用于无人机物流投送、区域监视、地面目标跟踪、森林火灾以及军事等方面。
技术实现思路
针对无人机不能实现在移动平台定点投放和降落的技术问题，本专利技术提出一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统及方法，无人机不仅可以在静态目标区域、更能在移动平台上定点投放或降落，将无人机的自主控制飞行推向更广阔的应用范围。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，包括无人机和移动平台，所述无人机上设有无人机机载模块和机载通信模块，无人机机载模块包括机载定位模块、飞行控制模块、嵌入式主控模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块和投放模块，机载定位模块、飞行控制模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块、机载通信模块和投放模块均与嵌入式主控模块相连接；移动平台上设有移动平台车载模块、车载通信模块、车载定位模块和定位标志，定位标志设置在移动平台的上部，车载通信模块和车载定位模块均与移动平台车载模块相连接，机载通信模块与车载通信模块通过无线技术相连接。所述无人机机载模块中设有机载协同模块，机载协同模块与嵌入式主控模块相连接；所述移动平台上设有车载协同模块，车载协同模块与移动平台车载模块相连接；机载协同模块和车载协同模块相互通信并分别调整无人机和移动平台的运动状态，车载协同模块和机载协同模块采用协同算法使人机与移动平台的运动模式达到最合适的位置，使无人机进入移动平台的目标区域正上方的位置，且无人机在运行速度上与移动平台保持相对静止的状态，完成相对运动最优的状态。所述图像采集模块设置在无人机正下方的中心位置；测量无人机与移动平台竖直高度的测距模块设置在无人机的正下方，测距模块包括超声波测距单元、激光测距测距单元、红外测距单元中的一种或几种；所述图像采集模块包括摄像头和存储模块，摄像头与存储模块相连接，存储模块与嵌入式主控模块相连接。所述嵌入式主控模块采用第三代的树莓派搭载Ubuntu16.04的系统，图像处理模块采用第三代的树莓派搭载OPENCV环境，图像处理模块通过有线连接实时获得来自图像采集模块的视频流，对移动平台上的定位标志进行图像处理和分析，获得目标移动平台进行二次精准定位。所述机载定位模块和车载定位模块均采用GPS/DGPS模块或者北斗卫星导航模块；移动平台为在陆地或海上行驶的移动平台工具；所述投放模块采用可搭载物体的装置，投放模块包括抓握式或电磁式。所述定位标志为圆环，圆环的中心设有叉号。所述图像处理模块采用霍夫圆检测方法，对图像采集模块的视频流中图像进行分析和处理，实时获得定位标志的圆心参数，送入嵌入式主控模块后使用PID算法，计算出定位标志与无人机间的实际位置偏差与角度偏差，将该数据处理成飞行姿态信号后送往飞行控制模块。其实施方法的步骤为：步骤一：启动无人机，设定需要投放物体的移动平台为目标点，将无人机遥控模式切换为GPS自动飞行模式；步骤二：无人机与目标移动平台的位置偏差进入预设值后，嵌入式主控模块开启图像采集模块和图像处理模块，图像处理模块对所获得的图像进行图像识别，采用霍夫圆检测方法实时得到定位标志的圆环的圆心位置坐标，获取移动平台上投放目的位置坐标；步骤三：飞行控制模块获得当前无人机飞行模式的信息，车载协同模块获得移动平台当前的运动信息，机载协同模块处理出无人机的飞行速度和角度信息；步骤四：嵌入式主控模块经过基于图像识别的速度协同算法后，估算出下一时刻目标移动平台的移动速度、加速度以及位置信息，估算无人机的最佳速度、加速度和方向角度信息，并转化为为飞行姿态的命令；步骤五：飞行控制模块接收飞行姿态的命令，根据测距模块实时检测的无人机与移动平台的竖直距离，完成对无人机飞行姿态及速度的调整，直至达到预设的安全投放高度；步骤六：重复步骤二至五，直到无人机正好处于定为标志中心正上方，且高度为预设高度，运动速度和方向与移动平台保持基本一致，嵌入式主控模块启动投放模块，投放模块实现对所载物体进行投放。所述无人机的图像采集模块的摄像头获取目标移动平台上的定位标志的图像信息，嵌入式主控模块对车载定位模块返回的目标移动平台的GPS坐标进行进一步的处理：假设GPS定位误差为R米，得到的移动平台GPS坐标值是在以移动平台真实GPS坐标值为圆心，以R为半径的圆内浮动，对获得的GPS坐标求平均得到的值收敛于圆心；专业测量的GPS刷新率为50Hz，即移动平台每秒钟返回50个GPS坐标，假设目标移动平台目前的移动速度为V米每秒，t秒内，移动平台从位置x1移动到位置x2，移动距离为V*t，返回50*t个GPS坐标值，对50*t个GPS坐标值求平均估计位置x1到位置x2中间位置的GPS坐标值x，那么位置x2=x+V*t/2，得到移动平台的实时GPS坐标。所述基于图像识别的速度协同算法的步骤如下：步骤1：设移动平台以速度V做匀速运动，实际的运动速度Vn是在速度V的上下有一定的浮动偏差，且浮动偏差是随机的且是高斯白噪声；步骤2：设移动平台是匀速行驶、加速度不变及运动方向固定，那么就可以根据第n时刻图像识别模块返回的速度信息估算得到其第n+1时刻移动平台的运动速度，建立目标移动平台运动预测方程为：V(n|n-1)=V(n-1|n-1)；式中，V(n|n-1)是利用第n-1时刻的移动速度预测的结果，V(n-1|n-1)是上一状态最佳的移动速度；有了现在状态的预测结果V(n|n-1)，车载定位模块测量现在状态的速度测量值V’(n)，结合预测值和测量值，可以得到时刻n的最优化估算值V(n|n)：V(n|n)=V(n|n-1)+Kg(n)*(V’(n)-H*V(n|n-1))式中，V(n|n)是第n时刻最佳速度估算值，V’(n)是第n时刻返回的移动平台的速度测量值，Kg为卡尔曼增益，H是测量系统的参数；步骤3：加速度的波动和图像识别到的定位标志的圆心坐标与无人机的位置坐标偏差都都看成一种高斯随机过程，同时利用步骤2的预测模型进行下一时刻加速度a(n)和位置s(n)的预测；步骤4：根据预测到的定位标志的圆心坐标和当前无人机的实际飞行位置坐标，可以计算出对应的实际水平位置偏差(Δxi,Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，包括无人机和移动平台，其特征在于，所述无人机上设有无人机机载模块和机载通信模块，无人机机载模块包括机载定位模块、飞行控制模块、嵌入式主控模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块和投放模块，机载定位模块、飞行控制模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块、机载通信模块和投放模块均与嵌入式主控模块相连接；移动平台上设有移动平台车载模块、车载通信模块、车载定位模块和定位标志，定位标志设置在移动平台的上部，车载通信模块和车载定位模块均与移动平台车载模块相连接，机载通信模块与车载通信模块通过无线技术相连接。

【技术特征摘要】
1.一种无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，包括无人机和移动平台，其特征在于，所述无人机上设有无人机机载模块和机载通信模块，无人机机载模块包括机载定位模块、飞行控制模块、嵌入式主控模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块和投放模块，机载定位模块、飞行控制模块、图像采集模块、图像处理模块、测距模块、机载通信模块和投放模块均与嵌入式主控模块相连接；移动平台上设有移动平台车载模块、车载通信模块、车载定位模块和定位标志，定位标志设置在移动平台的上部，车载通信模块和车载定位模块均与移动平台车载模块相连接，机载通信模块与车载通信模块通过无线技术相连接。2.根据权利要求1所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，所述无人机机载模块中设有机载协同模块，机载协同模块与嵌入式主控模块相连接；所述移动平台上设有车载协同模块，车载协同模块与移动平台车载模块相连接；机载协同模块和车载协同模块相互通信并分别调整无人机和移动平台的运动状态，车载协同模块和机载协同模块采用协同算法使人机与移动平台的运动模式达到最合适的位置，使无人机进入移动平台的目标区域正上方的位置，且无人机在运行速度上与移动平台保持相对静止的状态，完成相对运动最优的状态。3.根据权利要求1所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，所述图像采集模块设置在无人机正下方的中心位置；测量无人机与移动平台竖直高度的测距模块设置在无人机的正下方，测距模块包括超声波测距单元、激光测距测距单元、红外测距单元中的一种或几种；所述图像采集模块包括摄像头和存储模块，摄像头与存储模块相连接，存储模块与嵌入式主控模块相连接。4.根据权利要求1所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，所述嵌入式主控模块采用第三代的树莓派搭载Ubuntu16.04的系统，图像处理模块采用第三代的树莓派搭载OPENCV环境，图像处理模块通过有线连接实时获得来自图像采集模块的视频流，对移动平台上的定位标志进行图像处理和分析，获得目标移动平台进行二次精准定位。5.根据权利要求1所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，所述机载定位模块和车载定位模块均采用GPS/DGPS模块或者北斗卫星导航模块；移动平台为在陆地或海上行驶的移动平台工具；所述投放模块采用可搭载物体的装置，投放模块包括抓握式或电磁式。6.根据权利要求1所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，所述定位标志为圆环，圆环的中心设有叉号。7.根据权利要求1所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，所述图像处理模块采用霍夫圆检测方法，对图像采集模块的视频流中图像进行分析和处理，实时获得定位标志的圆心参数，送入嵌入式主控模块后使用PID算法，计算出定位标志与无人机间的实际位置偏差与角度偏差，将该数据处理成飞行姿态信号后送往飞行控制模块。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的无人机自动对移动平台投放的飞行控制系统，其特征在于，其实施方法的步骤为：步骤一：启动无人机，设定需要投放物体的移动平台为目标点，将无人机遥控模式切换为GPS自动飞行模式；步骤二：无人机与目标移动平台的位置偏差进入预设值后，嵌入式主控模块开启图像采集模块和图像处理模块，图像处理模块对所获得的图像进行图像识别，采用霍夫圆检测方法实时得到定位标志的圆环的圆心位置坐标，获取移动平台上投放目的位置坐标；步骤三：飞行控制模块获得当前无人机飞行模式的信息，车载协同模块获得移动平台当前的运动信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立家，刘名果，申冰冰，冯子凯，王赞，代震，陈莹，王路宽，
申请(专利权)人：河南大学，河南宙合网络科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41