一种室内无人机精确定位与自主导航的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，包括无人机；用于捕捉地面二维码标签获得无人机位置信息的双目相机模块；用于捕捉无人机上的定位标签获得无人机位置信息的超宽带UWB模块；用于捕捉无人机上的标记点获得无人机位置信息的外部全局高清相机模块；用于融合以上三者获得的无人机位置信息，预测无人机姿态和位置并进行实时更新的扩展卡尔曼滤波模块；用于对无人机即时定位的即时定位模块；用于提供自主导航功能的导航模块；用于计算并存储无人机位置信息的计算存储模块；用于提供人机交互功能，设置无人机的飞行航线的人机交互模块。本发明专利技术还提供了室内无人机精确定位与自主导航的方法。本发明专利技术定位精确，成本低，性能可靠。

A system and method for precise positioning and autonomous navigation of indoor UAV

The invention provides a system for precise positioning and autonomous navigation of indoor UAV, including UAV; a binocular camera module for capturing ground QR code label to obtain UAV position information; an ultra wide band UWB module for capturing UAV position information from positioning label on UAV; an external global system for capturing UAV position information from mark points on UAV HD camera module; extended Kalman filter module used to integrate the position information of UAV obtained by the above three, predict the attitude and position of UAV and update in real time; instant positioning module used to locate UAV in real time; navigation module used to provide autonomous navigation function; calculation storage module used to calculate and store UAV position information; calculation storage module used to provide UAV Interactive function, set the human-computer interaction module of UAV's flight route. The invention also provides a method for precise positioning and autonomous navigation of an indoor UAV. The invention has the advantages of precise positioning, low cost and reliable performance.

【技术实现步骤摘要】
一种室内无人机精确定位与自主导航的系统及方法
本专利技术涉及无人飞行器
，更具体地，涉及一种基于UWB(UltraWideband，超宽带)与视觉传感器融合的室内无人机精确定位与自主导航的系统及方法。
技术介绍
室外无人机定位导航往往依赖差分GPS技术，而室内GPS信号较弱，无法满足无人机实时定位导航的需求。目前，关于室内定位有多种解决方案，例如WIFI定位、超声波定位、蓝牙定位、地磁定位、卫星定位、射频识别、红外线定位、Zigbee定位等。但是上述解决方案由于技术局限以及成本太高的问题，尚未有像GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球卫星导航系统)定位技术一样让不同用户满意的成熟产品。这些现有技术要么定位精度无法满足要求，要么成本太高，难以推广。因此，室内定位技术已成为在人员管理、资产管理、公共安全、突发事件处理等方面的研究热点。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何以较低的成本实现室内无人机的实时精确定位与自主导航。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：包括无人机，用于实现无人机本身的正常飞行；所述无人机上设有超宽带UWB定位标签和标记点；双目相机模块，用于通过捕捉地面二维码标签获得所述无人机位置信息；UWB模块，用于通过捕捉所述无人机上的所述UWB定位标签获得所述无人机位置信息；外部全局高清相机模块，用于通过多个全局高清相机捕捉所述无人机上的所述标记点获得所述无人机位置信息；扩展卡尔曼滤波模块，用于融合所述双目相机模块、所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块获得的所述无人机位置信息，预测所述无人机姿态和位置，对所述无人机姿态和位置进行实时更新；即时定位模块，用于对所述无人机进行即时定位；导航模块，用于提供所述无人机的自主导航功能；计算存储模块，用于计算并存储所述UWB模块与所述外部全局高清相机模块提供的所述无人机位置信息；人机交互模块，用于提供人机交互功能，设置所述无人机的飞行航线。优选地，所述无人机包括微型电脑主机miniPC模块，所述扩展卡尔曼滤波模块与所述miniPC模块、所述计算存储模块相连，所述计算存储模块与所述UWB模块、所述外部全局高清相机模块相连；所述miniPC模块与所述双目相机模块、即时定位模块、人机交互模块、导航模块相连。优选地，所述双目相机模块设于所述无人机的底部，并且所述双目相机模块的摄像头的视场方向垂直朝下保持固定；所述双目相机模块的摄像头下方设有地面标记点的二维码标签，所述二维码标签携带自身的世界坐标信息。优选地，所述外部全局高清相机模块由至少3个全局高清相机呈环状分布组成，所述全局高清相机固定在离地面设定高度且朝向环的中心点。优选地，所述双目相机模块获得所述无人机的位置信息并送入所述miniPC模块，所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块分别获得所述无人机的位置信息并均送入所述计算存储模块，所述扩展卡尔曼滤波模块融合所述双目相机模块、所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块的位置信息，并预测所述无人机姿态和位置，同时对所述无人机姿态和位置进行实时更新；所述人机交互模块通过手动设置无人机的飞行路线，并将无人机所需经过的路径信息通过数据通信传至所述miniPC模块，所述miniPC模块根据所述路径信息设定目标位置，并根据所述目标位置和无人机的当前姿态及位置实时调整无人机的姿态，使无人机不断向所述目标位置靠近并最终到达所述目标位置，实现无人机的自主导航。本专利技术还提供了一种室内无人机精确定位与自主导航的方法，其特征在于：采用上述的室内无人机精确定位与自主导航的系统，所述方法包括如下步骤：步骤S1：双目相机模块捕捉预先布置在地面的二维码标签，根据所述双目相机模块获取得到的二维码标签的图像获取二维码标志物的位置信息、姿态信息以及编码信息，由所述位置信息、姿态信息以及编码信息得到无人机相对于所述二维码标志物的位置信息；步骤S2：无人机上贴有UWB定位标签，UWB模块捕捉无人机上的所述UWB定位标签，通过计算所述UWB定位标签到每个UWB模块定位基站的距离，计算无人机的位置信息；步骤S3：无人机上贴有多个标记点，外部全局高清相机模块通过捕捉无人机上的所述标记点，利用同一时间不同全局高清相机图片上的标记点，采用对极几何与三角测量计算无人机的位置；步骤S4：由扩展卡尔曼滤波模块融合所述双目相机模块、所述UWB模块、所述外部全局高清相机模块获得的无人机的位置信息，对无人机的姿态和位置进行实时更新；步骤S5：通过人机交互模块输入无人机的路径信息，miniPC模块根据所述路径信息设定目标位置，根据所述目标位置和无人机的当前姿态及位置实时调整无人机的姿态，使无人机不断向所述目标位置靠近并最终到达所述目标位置。优选地，所述步骤S1具体包括以下子步骤：S101：将所述二维码标志物的图像转化为单通道灰度图；S102：根据所述单通道灰度图设定一个固定阀值，将所述单通道灰度图转化为二值图；S103：对所述二值图进行轮廓检测，遍历所述二值图中所有边个数为4的多边形，并剔除面积小于预设阀值的多边形，然后将剩余的边个数为4的多边形进行正交投影，得到标准的正方形图像；S104：按照预设的编码信息规则提取所述正方形图像中的二进制编码信息和角点信息；S105：根据提取的二进制编码信息和角点信息得到无人机相对于二维码标志物的位置信息。优选地，所述步骤S2具体包括以下子步骤：S201：UWB基站布置；首先根据现场状况布放M个超宽带微雷达信号源作为无人机飞行定位参照点，后台计算机以M个超宽带微雷达信号源为原点分别建立空间坐标系；M为正整数；S202：信号源组网；各个超宽带微雷达信号源发出的UWB信号组成信号网，实现超宽带微雷达信号源与无人机之间的无缝通信，确保无人机定位的精确性；S203：无人机上的UWB定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧；S204：所述UWB定位标签发送的UWB脉冲串被M个UWB基站接收；S205：每个UWB定位基站测量每个UWB定位标签的数据帧到达接收器天线的时间；S206：定位引擎参考所述UWB定位标签发送过来的校准数据，确定所述UWB定位标签达到不同UWB基站之间的时间差，并利用三点定位技术来计算所述UWB定位标签位置。优选地，所述步骤S4具体包括以下子步骤：S401：设置扩展卡尔曼滤波模块的状态转移方程；S402：所述扩展卡尔曼滤波模块针对双目视觉模块，通过前一时刻的状态值预测后一时刻的状态值；S403：用UWB定位模块、外部全局高清相机模块的测量值与S402中预测的状态值估计出最优值，并更新扩展卡尔曼增益常数；S404：重复步骤S402和S403。优选地，所述步骤S5中，通过人机交互模块预设的任务航点信息生成航线跟踪轨迹，并对所述航线跟踪轨迹进行离散处理，得到N个期望航点作为目标位置，N为正整数。相比现有技术，本专利技术提供的室内无人机精确定位与自主导航的系统及方法具有如下有益效果：(1)精确度高：对多种传感器获取的数据信息进行融合，根据融合后的结果来进行定位和导航，相较于采用单一传感器的定位和导航，其精确度更高；(2)通过对地面特定位置上布置的二维码标志物进行识别，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：包括无人机，用于实现无人机本身的正常飞行；所述无人机上设有超宽带UWB定位标签和标记点；双目相机模块，用于通过捕捉地面二维码标签获得所述无人机位置信息；UWB模块，用于通过捕捉所述无人机上的所述UWB定位标签获得所述无人机位置信息；外部全局高清相机模块，用于通过多个全局高清相机捕捉所述无人机上的所述标记点获得所述无人机位置信息；扩展卡尔曼滤波模块，用于融合所述双目相机模块、所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块获得的所述无人机位置信息，预测所述无人机姿态和位置，对所述无人机姿态和位置进行实时更新；即时定位模块，用于对所述无人机进行即时定位；导航模块，用于提供所述无人机的自主导航功能；计算存储模块，用于计算并存储所述UWB模块与所述外部全局高清相机模块提供的所述无人机位置信息；人机交互模块，用于提供人机交互功能，设置所述无人机的飞行航线。

【技术特征摘要】
1.一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：包括无人机，用于实现无人机本身的正常飞行；所述无人机上设有超宽带UWB定位标签和标记点；双目相机模块，用于通过捕捉地面二维码标签获得所述无人机位置信息；UWB模块，用于通过捕捉所述无人机上的所述UWB定位标签获得所述无人机位置信息；外部全局高清相机模块，用于通过多个全局高清相机捕捉所述无人机上的所述标记点获得所述无人机位置信息；扩展卡尔曼滤波模块，用于融合所述双目相机模块、所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块获得的所述无人机位置信息，预测所述无人机姿态和位置，对所述无人机姿态和位置进行实时更新；即时定位模块，用于对所述无人机进行即时定位；导航模块，用于提供所述无人机的自主导航功能；计算存储模块，用于计算并存储所述UWB模块与所述外部全局高清相机模块提供的所述无人机位置信息；人机交互模块，用于提供人机交互功能，设置所述无人机的飞行航线。2.如权利要求1所述的一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：所述无人机包括微型电脑主机miniPC模块，所述扩展卡尔曼滤波模块与所述miniPC模块、所述计算存储模块相连，所述计算存储模块与所述UWB模块、所述外部全局高清相机模块相连；所述miniPC模块与所述双目相机模块、即时定位模块、人机交互模块、导航模块相连。3.如权利要求1或2所述的一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：所述双目相机模块设于所述无人机的底部，并且所述双目相机模块的摄像头的视场方向垂直朝下保持固定；所述双目相机模块的摄像头下方设有地面标记点的二维码标签，所述二维码标签携带自身的世界坐标信息。4.如权利要求1或2所述的一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：所述外部全局高清相机模块由至少3个全局高清相机呈环状分布组成，所述全局高清相机固定在离地面设定高度且朝向环的中心点。5.如权利要求1所述的一种室内无人机精确定位与自主导航的系统，其特征在于：所述双目相机模块获得所述无人机的位置信息并送入所述miniPC模块，所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块分别获得所述无人机的位置信息并均送入所述计算存储模块，所述扩展卡尔曼滤波模块融合所述双目相机模块、所述UWB模块以及所述外部全局高清相机模块的位置信息，并预测所述无人机姿态和位置，同时对所述无人机姿态和位置进行实时更新；所述人机交互模块通过手动设置无人机的飞行路线，并将无人机所需经过的路径信息通过数据通信传至所述miniPC模块，所述miniPC模块根据所述路径信息设定目标位置，并根据所述目标位置和无人机的当前姿态及位置实时调整无人机的姿态，使无人机不断向所述目标位置靠近并最终到达所述目标位置，实现无人机的自主导航。6.一种室内无人机精确定位与自主导航的方法，其特征在于：采用如权利要求1~5任一项所述的室内无人机精确定位与自主导航的系统，所述方法包括如下步骤：步骤S1：双目相机模块捕捉预先布置在地面的二维码标签，根据所述双目相机模块获取得到的二维码标签的图像获取二维码标志物的位置信息、姿态信息以及编码信息，由所述位置信息、姿态信息以及编码信息得到无人机相对于所述二维码标志物的位置信息；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：高永彬，方志军，杨淑群，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31