一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，首先，无人机与无人艇进行通讯，无人机获取无人艇GPS信息后靠近运动的无人艇，然后，无人机自动识别无人艇上的靶标精确定位无人艇的位置进行近距离跟踪，最后，无人机下降，同时在不同高度识别不同层级和大小的靶标，获得无人机与靶标的相对位置信息，当无人机下降到一定高度时，无人机降落到运动的无人艇上。本发明专利技术通过基于GPS信息导航对无人艇的位置进行大致定位，然后基于图像的视觉导航对无人艇上的靶标进行精确定位，从而实现在无人艇运动状态下达到快速稳定的跟踪与降落，实现了无人机与无人艇的协同，解决了无人机无法快速稳定的跟踪并降落到运动的无人艇上的问题。

A Method for Unmanned Aerial Vehicle to Identify Target Autonomously and Land on a Moving Unmanned Aerial Vehicle

【技术实现步骤摘要】
一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法
本专利技术属于无人应用
，更具体地，涉及一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法。
技术介绍
随着全球创新格局的变化，无人系统作为一个庞大而崭新的行业已经诞生。以无人机、无人车、无人水面艇和无人水下艇为代表的无人系统技术近年发展势头迅猛，无人机更是“火爆”市场。随着全球人工智能、航空航天、智能制造的高速增长，无人系统必将迎来黄金时代。单个的无人系统，无论是无人艇、无人机、还是无人车都存在一定的局限性，例如进行水域探测时仅仅依靠无人艇偶尔也会遇到各种不利因素如水域环境恶劣、浅滩等。此时如果将多个无人系统配合起来，将会产生‘1+1>2’的效果。如果无人艇上可以携带无人机，则在需要时放出无人机去进行水域甚至是陆地探测或其他任务，完成任务后，无人机自主识别无人艇上的靶标并降落到运动的无人艇上，从而完成无人机-无人艇协同起降。因此，提供一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法在无人机-无人艇协同中非常重要。目前在国际上对于无人机在运动的无人艇上着陆的研究还很少，现有的方法基本上都是针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆，无人机在运动的无人艇上着陆的难点主要有一下两个方面：1、由于在水面上，无人艇不仅在水平平面上存在移动，还有俯仰、偏航和横摇的姿态变化，使得无人机的降落平台很不稳定，两个运动的系统在这种情况下进行对接降落是非常困难的，现有的针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆的方法无法适用。2、无人机和无人艇是两个独立的系统，依靠GPS只能实现米级的定位，而依靠视觉AprilTag靶标定位则可以实现厘米级定位，现有的针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆的方法往往通过识别一个AprilTag靶标进行定位，但是无人机在下降过程中，靶标在相机的视角中越来越大直到看不清全部的靶标，无法实现在不同高度上都可以对无人艇进行精确定位。所以，提供一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法是亟需解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，旨在解决现有技术中由于基本上都是针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆而无法解决当无人艇处于运动状态下而导致无人机降落平台不稳定时，无人机无法快速稳定的跟踪并降落到运动的无人艇上的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，包括以下步骤：S1、远距离导航：通过无人机与无人艇之间建立通讯来获取无人艇的GPS信息，根据所得GPS信息控制无人机靠近运动的无人艇，当无人机能够识别无人艇上的靶标时，将无人机机头与无人艇的航向相对应并转至步骤S2；S2、近距离追踪：当无人机在追踪无人艇的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可下降区域时，转至步骤S3；S3、追踪并下降：当无人机在下降的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可降落高度时，无人机降落到无人艇上。优选地，步骤S1中无人机机载平台与无人艇上安装配套的通讯模块，进而无人机可以通过与无人艇建立通讯获得无人艇的GPS坐标，从而根据无人机自身GPS模块得到的GPS坐标可以大致计算出与无人艇之间的位置距离误差，然后无人机自主控制靠近无人艇大致所在的区域。优选地，若无人艇和无人机之间没有建立通讯，无人机无法获得无人艇的大致位置，那么只要无人艇在无人机的摄像头的视野范围之内，无人机就可以识别到无人艇上的靶标，从而定位出无人艇的位置，依然可以完成后续的下降步骤，进而降落到运动的无人艇上。优选地，步骤S2中的可下降区域是指以无人艇为顶点的倒锥形范围，只有无人机在无人艇的倒锥形范围内时才会开始下降。优选地，倒锥形范围为Δx＜εΔh且Δy＜εΔh，其中Δx、Δy、Δh分别为xyz三维坐标系中x，y，z三个方向上无人机与无人艇的位置偏差，当Δx＜εΔh且Δy＜εΔh时无人机才会有下降的速度，同时控制水平方向的速度进一步缩小与无人艇的位置误差。优选地，无人艇上的靶标由多层嵌套的AprilTag构成，优选地，可以采用三层嵌套的AprilTag靶标，分为内层、中层、外层三层AprilTag靶标，在不同的高度分别识别靶标的外层、中层、内层，从而得到无人机与无人艇之间的精确空间相对位置信息。优选地，步骤S3中无人机追踪并下降的方法包括以下步骤：S31、在保证无人机识别到无人艇上靶标的外层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h1时，转到步骤S32；S32、在保证无人机识别到无人艇上靶标的中层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h2时，转到步骤S33；S33、在保证无人机识别到无人艇上靶标的内层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于hmin时，转到步骤S34；S34、固定此时无人机的下降速度，无人机在下降过程中继续识别无人艇上靶标的内层，若丢失靶标，判断此时靶标丢失方向，根据靶标从图像中丢失的方向给无人机一个水平方向的额外速度，使得无人机可以根据靶标丢失的方向去加速或者减速追踪无人艇，最终降落到无人艇上；否则，触发无人机降落程序，无人机直接降落到无人艇上。优选地，本专利技术所述无人机为旋翼无人机，所述无人艇可以但不限于无人水面艇，也可以是有人驾驶的水面艇，所述无人艇上有一个拥有防护的降落平台，降落平台中间贴着靶标，所述无人艇可以是在运动中的，也可以是无动力漂浮的。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，通过基于GPS信息导航对无人艇的位置进行定位，确定无人艇的大致位置，然后基于图像的视觉导航对无人艇上的靶标进行精确定位，从而实现在无人艇运动状态下达到快速稳定的跟踪与降落，实现了无人机与无人艇的协同，解决了现有技术中仅针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆而无法解决当无人艇处于运动状态下而导致无人机降落平台不稳定时，无人机无法快速稳定的跟踪并降落到运动的无人艇上的问题。2、本专利技术使用多层嵌套的AprilTag靶标，使得无人机在识别到靶标追踪下降的过程中在不同高度可以识别不同层级的靶标，可以在不同高度完成对无人艇的精确定位，不会因为无人机高度下降，靶标在视野中变大而看不清靶标，大大提高了靶标识别的效率和精确度。3、本专利技术所提供的一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，拥有基于图像的视觉导航和GPS信息导航两种位置反馈方式，使得无人机在各种情况下都可以完成对无人艇的定位。在无人艇和无人机之间没有通讯的场景，只要保证无人艇在无人机的摄像头视野范围之内，无人机就可以识别到无人艇上的靶标，从而定位出无人艇的位置，依然可以完成后续的下降步骤，进而降落到运动的无人艇上，整个系统更加稳定，更加安全有效。附图说明图1是本专利技术所提供的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法流程图；图2是本专利技术中追踪下降以及追踪降落过程的方法流程图；图3是本专利技术所提供的无人艇上的多层嵌套AprilTag靶标图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、远距离导航：通过无人机与无人艇之间建立通讯来获取无人艇的GPS信息，根据所述GPS信息控制无人机靠近运动的无人艇，当无人机能够识别无人艇上的靶标时，将无人机机头与无人艇的航向相对应并转至步骤S2；S2、近距离追踪：当无人机在追踪无人艇的过程中能够识别无人艇上靶标，且无人机达到可下降区域时，转至步骤S3；S3、追踪并下降：当无人机在下降的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可降落高度时，无人机降落到无人艇上。

【技术特征摘要】
1.一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、远距离导航：通过无人机与无人艇之间建立通讯来获取无人艇的GPS信息，根据所述GPS信息控制无人机靠近运动的无人艇，当无人机能够识别无人艇上的靶标时，将无人机机头与无人艇的航向相对应并转至步骤S2；S2、近距离追踪：当无人机在追踪无人艇的过程中能够识别无人艇上靶标，且无人机达到可下降区域时，转至步骤S3；S3、追踪并下降：当无人机在下降的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可降落高度时，无人机降落到无人艇上。2.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述可下降区域是指以无人艇为顶点的倒锥形范围，只有无人机在无人艇的倒锥形范围内时才会开始下降。3.根据权利要求2所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述倒锥形范围为Δx＜εΔh且Δy＜εΔh，其中Δx、Δy、Δh分别为xyz三维坐标系中x，y，z三个方向上无人机与无人艇的位置偏差，当Δx＜εΔh且Δy＜εΔh时无人机才会有下降的速度，同时控制水平方向的速度进一步缩小与无人艇的位置误差。4.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述靶标由多层嵌套的AprilTag靶标构成。5.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，许哲成，胡斌斌，刘彬，孟浩飞，孟令桐，罗佳威，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42