一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法技术

该发明专利技术公开了一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法，属于移动机器技术领域。通过无人机搭载的广角相机模块采集各地面小车上放置标签的位置信息，并通过局域网发送至上位机，建立机体定位坐标系；在地面小车编队执行编队任务时，对各小车进行准确定位，通过解算原始坐标信息得出各地面小车位置信息，并计算得出小车编队的中心位姿；无人机飞行至该中心位姿上方一定高度跟随，保证小车均在广角相机视野范围内移动；计算当前相机画面中小车编队所占比例，发送相应控制指令自适应调节无人机飞行高度。人机飞行高度。人机飞行高度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法


[0001]本专利技术属于移动机器
，更为具体地讲，涉及一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法。

技术介绍

[0002]基于视觉的定位方式是通过相机传感器得到的图像或视频流，求出在当前坐标系下携带者机器人的自身位姿。
[0003]近年来，移动机器人技术发展迅速，随着任务复杂程度的提高，在诸多情境中往往会出现单个机器人无法胜任的场景。相较于单机器人系统，多机器人系统可以结合多个机器人的不同优势，实现更强的性能与更好的鲁棒性。多机器人应用场景包括：目标检测与追踪、共同覆盖与路径规划、协作运输等。其中，定位是多机器人协同控制的核心问题，得到复杂环境中多移动机器人的位置信息，有助于实现多移动机器人协同控制。
[0004]该专利技术的提出源于异构多机器人协同控制设计与实现对机器人定位的需求。在协同控制设计与实现中，无人机需要根据地面无人车的位置信息自主调节飞行高度和位置，使得无人机投影位置始终处于地面无人车的几何中心，同时，保证地面所有车辆能在无人机的广角相机范围内。
[0005]对于该需求，现有技术主要集中在两个方向：一种是通过地面设备对无人车进行定位，并将位置信息返回上位机，以此控制无人机位置；另一种是基于机器视觉，无人机通过机器学习方法对相机采集数据进行目标定位，并调节无人机位置。第一种方案中受到地面定位设备的限制，同时对实际应用中地面环境要求较高，不具有广泛应用性；第二种方案需要高性能计算设备，依赖高性能机器学习模型的支持，对于可供部署的上位机要求较高，同时在图像处理的实时性方面存在不足。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法，具体实现了一种对地面多机器人的无人机动态定位方法；在地面小车执行编队任务、队形切换时，对地面小车编队实现视觉跟踪覆盖。其中，地面小车位置测量依赖于无人机搭载的广角相机，无人机飞行位置依赖于实时计算。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：无人机垂直起飞至小车编队上方，由机载广角相机模块采集各地面各小车的位置信息，并派发送至上位机，建立机体定位坐标系；
[0009]步骤2：读取各小车当前平面位置坐标(x
i
,y
i
)，取原点(0,0)为虚拟点，将各小车组成的多边形剖分成n个有限的三角形X1,X2,...,X
n
，n表示地面小车总个数；通过公式计算各三角形几何中心C
j
和三角形面积S
j
；
[0010][0011]通过公式计算小车组成多边形的几何中心(C
x
,C
y
)，即当前编队中心坐标；
[0012][0013]步骤3：视觉跟踪控制器依据小车编队位姿信息传输速度控制指令，控制无人机飞行保持在小车编队的中心点上方；
[0014]步骤3.1：在机体定位坐标系下，广角相机得到地面各小车位置坐标信息集合，并得到编队中心位置；
[0015]步骤3.2：计算编队中心位置与期望位置的误差，传输飞控指令给无人机，采用增量式PD控制，将无人机上点A移动到另一点B，点A为无人机原位置，点B为期望几何中心上方一定高度，所计算的误差为点A处得到的编队中心位置与期望位置的误差；
[0016]步骤3.3：无人机当前位姿p和期望位姿p
d
间的误差e和速度增量计算公式如下；
[0017]e＝p
‑
p
d
[0018]Δu(k)＝K
P
[e(k)
‑
e(k
‑
1)]+K
D
[e(k)
‑
2e(k
‑
1)+e(k
‑
2)][0019]其中，K
P
表示增益，e(k)表示误差；
[0020]步骤4：通过设定小车编队构成的长方形在画面中所占比例系数，自适应调节无人机飞行高度；
[0021]步骤4.1：设比例系数η，计算公式如下；
[0022][0023]其中，m和n分别是包围地面小车编队的最小长方形的长和宽，M和N分别是当前无人机高度h下对应视野范围的长和宽；
[0024]步骤4.2：由比例系数η计算出当前无人机期望飞行高度H，传输控制指令上升或下降至该高度；
[0025]步骤4.3：在上述步骤的基础上，此时飞机已经飞行在期望的高度，对地面小车进行较好的视野覆盖；在地面小车进行编队切换、编队移动操作时，重复步骤2和步骤3，即时计算当前期望高度H；
[0026]步骤4.4：当小车队形扩大，则当前飞行高度h<期望高度H，计算期望高度 H，发送速度控制指令使无人机上升至期望高度H；
[0027]步骤4.5：当小车队形缩小，则当前飞行高度h>期望高度H，计算期望高度 H，发送速度控制指令使无人机下降至期望高度H；
[0028]步骤5：对各个地面小车进行即时定位，将当前位置信息反馈至上位机，再重复步骤3和步骤4。
[0029]本专利技术的专利技术目的是这样实现的：
[0030]本专利技术基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法，通过无人机搭载的广角相机模块采集各地面小车上放置标签的位置信息，并通过局域网发送至上位机，建立机体定位坐标系；在地面小车编队执行编队任务时，对各小车进行准确定位，通过解算原始坐标信息得出各地面小车位置信息，并计算得出小车编队的中心位姿；无人机飞行至该中心位姿上方一定高度跟随，保证小车均在广角相机视野范围内移动；计算当前相机画面中小车编队所占比例，发送相应控制指令自适应调节无人机飞行高度。
[0031]同时，本专利技术基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法还具有以下有益效果：
[0032](1)、在以往定位方案中，各小车需要通过各自携带的定位标签与基站进行分别定位，对场地要求较高，且所有计算过程均在上位机进行，而本专利技术中通过无人机对所有小车进行视觉定位，较大程度上减少了对场地的要求，计算过程由无人机与上位机分别承担，上位机仅需要对无人机发送控制指令，减少了上位机的负担，可使上位机高效率地进行位置信息解算与传输；；
[0033](2)、在无人机固定高度飞行的方法中，随着地面小车队形扩大，可能会出现小车驶出广角相机视野范围而丢失的情况；同时，随着无人机飞行高度提升，对小车的定位准确性则会下降，仅设定更高的飞行高度无法保证较高的定位精度。而本专利技术是在无人机视觉定位的基础之上，通过构建无人机跟随小车编队的飞行规则，实现了一种在技术上更易实现的的系统结构，各地面小车依赖无人机定位完成位置更新，且地面小车之间不需要任何通讯设备也能实现准确定位效果；
[0034](3)、在拥有上位机的整体系统中，无人机和各地面小车独立于上位机之外，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉定位的无人机自适应高度调节方法，包括以下步骤：步骤1：无人机垂直起飞至小车编队上方，由机载广角相机模块采集各地面各小车的位置信息，并派发送至上位机，建立机体定位坐标系；步骤2：读取各小车当前平面位置坐标(x
i
,y
i
)，取原点(0,0)为虚拟点，将各小车组成的多边形剖分成n个有限的三角形X1,X2,...,X
n
，n表示地面小车总个数；通过公式计算各三角形几何中心C
j
和三角形面积S
j
；通过公式计算小车组成多边形的几何中心(C
x
,C
y
)，即当前编队中心坐标；步骤3：视觉跟踪控制器依据小车编队位姿信息传输速度控制指令，控制无人机飞行保持在小车编队的中心点上方；步骤3.1：在机体定位坐标系下，广角相机得到地面各小车位置坐标信息集合，并得到编队中心位置；步骤3.2：计算编队中心位置与期望位置的误差，传输飞控指令给无人机，采用增量式PD控制，将无人机上点A移动到另一点B，点A为无人机原位置，点B为期望几何中心上方一定高度，所计算的误差为点A处得到的编队中心位置与期望位置的误差；步骤3.3：无人机当前位姿p和期望位姿p
d
间的误差e和速度增量计算公式如下；e＝p
‑
p
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡江平，黄帅，穆尚群，苑港硕，周子粲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：