一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法技术

本发明专利技术公开了一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法。该方法针对旋翼无人机面向移动平台的降落问题，首先通过图像处理方法获得无人机和合作标志之间的相对位姿，然后采用了一种两阶段的降落控制方法：第一飞行阶段采用分段串级PID算法控制无人机跟随接近移动平台；第二飞行阶段解算移动平台前进速度，给予无人机速度补偿使其到达与移动平台交会点，最终垂直降落在移动平台上。本发明专利技术方法的优点是：（1）不依赖GNSS信号；（2）通过嵌套合作标志的方式有效解决了合作标志超出相机视场范围的问题；（3）能够实现在移动平台上的降落。（3）能够实现在移动平台上的降落。（3）能够实现在移动平台上的降落。

【技术实现步骤摘要】
一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法


[0001]本专利技术涉及无人系统导航
，具体是一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法。

技术介绍

[0002]无人机凭借其强大的机动性，在国防、农业、救援等诸多领域得到了广泛应用。高精度的定位导航信息对提高无人机自主化、智能化具有重要意义。
[0003]专利CN 109445455 A提出了一种无人飞行器自主降落方法及其控制系统：该专利通过在飞行过程中根据合作标志在图像中的面积占比，采用分段控制方法，实现了视觉引导降落。但在该方法中所采取的速度策略为分段给定值控制飞行过程，没有考虑地面合作标志的运动状态，这就会导致在跟随动态目标点时可能会造成较大误差，鲁棒性较差。
[0004]而本专利技术采取分段串级PID控制，可以对固定在移动平台上的合作标志进行实时的识别，实现更精准的降落。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，该方法可以实现旋翼无人机在无GNSS信号环境下在移动平台上的精准降落。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，该方法针对旋翼无人机面向移动平台的降落问题，首先通过图像处理方法获得无人机和合作标志之间的相对位姿，然后采用了一种两阶段的降落控制方法：第一飞行阶段采用分段串级PID算法控制无人机跟随接近移动平台；第二飞行阶段解算移动平台前进速度，给予无人机速度补偿使其到达与移动平台交会点，最终垂直降落在移动平台上。
[0007]具体包括合作标志识别、位姿解算和两阶段的自主降落方法。
[0008]合作标志识别是采用嵌套二维码作为合作标志，对实时获取的图像进行识别处理；位姿解算是计算识别得到的二维码坐标系和无人机机载相机坐标系之间的相对位置和相对姿态(相对位姿)；两阶段的自主降落方法是根据实时获取的相对位姿，在第一飞行阶段采用分段串级PID控制律计算无人机的期望速度，控制无人机逼近移动平台；在第二飞行阶段解算移动平台速度，预测并控制无人机抵达与移动平台交会点，最终降落在移动平台上。
[0009]具体实现步骤为：
[0010]步骤(1)、机载计算机获取相机的实时图像流。
[0011]步骤(2)、对每一帧图像，逐帧检测并判断图像中是否有合作标志。
[0012]步骤(3)、在检测到有合作标志的情况下，利用相机内参，经过矩阵运算得到每一帧图像中相机坐标系下合作标志的位姿和合作标志坐标系下的相机位姿。
[0013]步骤(4)、在第一飞行阶段，根据步骤(3)得到的各个坐标系下的相对位姿，采用分段串级PID控制，计算出速度控制量，并将其发送给飞控，控制无人机运动。当无人机与移动
平台的相对位姿满足预设值时，转步骤(5)。
[0014]步骤(5)、在第二飞行阶段，计算出移动平台和无人机的相对速度及距离，预测出无人机与移动平台的交会位置点，计算无人机的速度控制量，并将其发送给飞控。无人机到达交会位置点后，按预设速度垂直降落至移动平台。
[0015]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)不依赖GNSS信号；(2)通过嵌套合作标志的方式有效解决了合作标志超出相机视场范围的问题；(3)能够实现在移动平台上的降落。
附图说明
[0016]图1为自主降落方法的框图。
[0017]图2自主降落过程的方法流程图。
[0018]图3移动平台上嵌套合作标志设定图案。
[0019]图4自主降落过程中无人机的位置曲线。
具体实施方式
[0020]下面结合说明书附图对本专利技术作进一步说明。
[0021]如图1所示，本专利技术为一种面向移动平台的旋翼无人机降落方法，包括以下步骤：
[0022]步骤(1)：机载计算机获取相机的实时图像流。
[0023]步骤(2)：对每一帧图像，逐帧检测并判断图像中是否有合作标志。
[0024]设计一个嵌套的AprilTag二维码，用作图像识别中的合作标志，如图3所示。对步骤(1)获取的实时图像，进行图像灰度化、边缘检测、四边形检测、AprilTag码识别等处理，将获得的信息与AprilTag编码库的信息进行对比，判断相机所捕获的图像中是否包含有效的合作标志标识。
[0025]步骤(3)：在检测到有合作标志的情况下，利用相机内参，经过矩阵运算得到每一帧图像中相机坐标系下合作标志的位姿和合作标志坐标系下的相机位姿。这一步骤具体为：
[0026]设定相机内参系数：其中f
x
，f
y
分别表示x轴和y轴方向上焦距的长度，单位为像素；c
x
，c
y
分别表示主点的实际位置，单位为像素。
[0027]通过单应性变换解算出合作标志坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵。
[0028][0029]其中H矩阵为计算出的图像坐标与合作标志坐标系之间的单应性矩阵，s为尺度因子，E为合作标志坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵。
[0030]分别为合作标志坐标系到相机坐标系的旋转矩阵(第三列在计算中被截取)和平移矩阵。
[0031]根据上述已经得到了相机内参矩阵和单应性矩阵，因为旋转矩阵R中列向量的模长均为1，由此约束条件可以得到s的大小；又因为标签必须位于摄像机前方，可以推导出比例因子必须保证T
z
符号为负，从而得到s的符号。
[0032]由于旋转矩阵R是正交矩阵，因此R被截断的列向量可以通过与前两组列向量的内积为0求解。至此可以得到合作标志坐标系到相机坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵T。
[0033]由可得，合作标志中心在相机坐标系坐标为T，姿态为R。相机在合作标志坐标系坐标为
‑
R
‑1T，姿态为R
‑1。其中P
c
,P
t
分别为相机坐标系和合作标志坐标系位置。
[0034]步骤(4)：在第一飞行阶段，根据步骤(3)得到的各个坐标系下的相对位姿，采用分段串级PID控制，计算出速度控制量，并将其发送给飞控，控制无人机运动。当无人机与移动平台的相对位姿满足预设值时，转步骤(5)。这一步骤具体包括：
[0035]步骤4.1：设合作标志坐标系下相机的位置为(x
t
,y
t
,z
t
)，姿态四元数为(qw
t
,qx
t
,qy
t
,qz
t
)。相机坐标系下合作标志的位置为(x
c
,y
c
,z
c
)，姿态四元数为(qw
c
,qx
c
,qy
c
,qz
c
)。
[0036]首先计算出相机在合作标志坐标系下的欧拉角，并根据其值调整无人机偏航方向角速度，直至两者朝向一致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，其特征在于：包括合作标志识别、位姿解算和两阶段的自主降落方法；合作标志识别是采用嵌套二维码作为合作标志，对实时获取的图像进行识别处理；位姿解算是计算识别得到的二维码坐标系和无人机机载相机坐标系之间的相对位置和相对姿态即相对位姿；两阶段的自主降落方法是根据实时获取的相对位姿，在第一飞行阶段采用分段串级PID控制计算无人机的期望速度，控制无人机逼近移动平台；在第二飞行阶段解算移动平台速度，预测并控制无人机抵达与移动平台交会点，最终降落在移动平台上。2.根据权利要求1所述的面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，其特征在于，具体实现步骤为：步骤(1)、机载计算机获取相机的实时图像流；步骤(2)、对每一帧图像，逐帧检测并判断图像中是否有合作标志；步骤(3)、在检测到有合作标志的情况下，利用相机内参，经过矩阵运算得到每一帧图像中相机坐标系下合作标志的位姿和合作标志坐标系下的相机位姿；步骤(4)、在第一飞行阶段，根据步骤(3)得到的各个坐标系下的相对位姿，采用分段串级PID控制，计算出速度控制量，并将其发送给飞控，控制无人机运动；当无人机与移动平台的相对位姿满足预设值时，转步骤(5)；步骤(5)、在第二飞行阶段，计算出移动平台和无人机的相对速度及距离，预测出无人机与移动平台的交会位置点，计算无人机的速度控制量，并将其发送给飞控；无人机到达交会位置点后，按预设速度垂直降落至移动平台。3.根据权利要求2所述的面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，其特征在于：所述步骤(2)中，设计一个嵌套的AprilTag二维码，用作图像识别中的合作标志，对步骤(1)获取的实时图像，进行图像灰度化、边缘检测、四边形检测、AprilTag码识别处理，将获得的信息与AprilTag编码库的信息进行对比，判断相机所捕获的图像中是否包含有效的合作标志标识。4.根据权利要求2所述的面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体实现方法为：通过离线标定，获取相机的内参矩阵；步骤(2)识别到合作标志后，检测到合作标志的特征点在图像平面的映射，并得到其在图像坐标系下的坐标；通过上述坐标和合作标志坐标系下特征点坐标的对应关系，得到两个坐标系之间的单应性矩阵；再利用单应性变换解算出相机坐标系和合作标志坐标系下的转换矩阵；进而分别计算出相机在合作标志坐标系下的位姿和合作标志在相机坐标系下的位姿。5.根据权利要求2所述的面向移动平台的旋翼无人机视觉引导降落方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体实现步骤为：步骤4.1：设合作标志...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵高鹏，张锡伟，王奔，张志龙，杨世杰，刘衍喜，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：