一种无人机空中捕获地面物体的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于无人机应用技术和图像处理技术领域，具体涉及一种无人机空中捕获地面物体的装置和方法，本发明专利技术将空中作业无人机对地面物体的捕获分为2个阶段，母机逼近阶段和下降捕获阶段。其中，母机逼近阶段基于视觉导引确保无人机移动到地面物体的正上方，下降捕获阶段则基于飞机下降或挂载装置下降进行视觉导引的主动捕获作业。本发明专利技术能够实现面向海上、高原、岛礁等场景等恶劣环境的地面物体的捕获，进而实现无人机在各种恶劣环境下对目标物体的有效抓取，在物资投送过程中能够降低人力成本，提高投送效率。提高投送效率。提高投送效率。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机空中捕获地面物体的装置和方法


[0001]本专利技术属于无人机应用技术和图像处理
，具体涉及一种无人机空中捕获地面物体的装置和方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机系统技术取得飞跃式发展，以感知和处理为典型特征的人工智能技术在无人机应用领域也在不断深度融合发展。在应急救援、公共安全、工业工程、军事斗争等领域，高自主、高可靠、高效率的无人智能化多式物资投送需求对无人机技术的发展产生了新的牵引。其中，使用空中无人机进行物资投送是一种非常重要的技术途径，针对指挥调度、控制作业、运输投送、跨平台自主转运接驳等新质能力研发是近年来的热点之一。
[0003]目前，空中无人机平台对地面物体的捕获或抓取还是通过人工地面辅助帮助完成，对操作人员具有一定的危险性且效率较低，作业过程受风的影响较大，对海上、高原、岛礁等场景的物资投送难以适用。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，采用视觉图像处理来辅助捕获过程可以有效提高精确度和成功率。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种无人机空中捕获地面物体的装置和方法，将空中作业无人机对地面物体的捕获分为2个阶段，母机逼近阶段和下降捕获阶段。其中，母机逼近阶段基于视觉导引确保无人机移动到地面物体的正上方，下降捕获阶段则基于飞机下降或挂载装置下降进行视觉导引的主动捕获作业。本专利技术能够实现面向海上、高原、岛礁等场景等恶劣环境的地面物体的捕获，进而实现无人机在各种恶劣环境下对目标物体的有效抓取，在物资投送过程中能够降低人力成本，提高投送效率。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术所采用的具体技术方案为：
[0006]一种无人机空中捕获地面物体的装置，适用于具备空中悬停能力的无人机平台；所述捕获物体的装置包括空中对接结构体、视觉伺服处理器、主动补偿动力模块、电磁捕获模块以及地面对接结构体；
[0007]所述空中对接结构体为所述捕获物体的装置的空中部分，用于通过自身对接壳体与所述地面对接结构体进行逼近配合实现对接作业；
[0008]所述视觉伺服处理器与所述空中对接结构体相对固定设置，用于对地面物体进行图像采集以及特征提取；
[0009]所述主动补偿动力模块由四组螺旋桨组成，安装在所述空中对接结构体上，用于对所述空中对接结构体执行平面位置的动力控制；
[0010]所述电磁捕获模块为由多个电磁铁组成的电磁捕获阵列，安装在所述对接壳体上，用于产生电磁吸力进行地面物体的捕获作业并产生动作到位信号；
[0011]所述地面对接结构体固定在所述地面物体上，设置有能够与所述对接壳体相互对接的对接结构件，并设置有吸合结构体；所述吸合结构体用于在所述对接壳体及所述对接
结构件对接后，与所述电磁捕获阵列进行吸合；
[0012]所述无人机基于所述视觉伺服处理器所收集的特征进行捕获过程的姿态保持以及伺服控制油门给定；
[0013]所述主动补偿动力模块基于视觉伺服处理器所收集的特征进行空中对接结构体执行平面位置的动力控制。
[0014]进一步的，所述对接壳体为圆台形壳体；所述对接结构件为能够扣合在所述对接壳体内的圆台形；所述吸合结构提固定在所述对接结构件的顶面处。
[0015]进一步的，所述螺旋桨的数量为四组，以所述对接壳体的中轴中心对称分布
[0016]专利技术还提出一种无人机空中捕获地面物体的方法，应用于上述的无人机空中捕获地面物体的装置，其特征在于，所述捕获地面物体的方法包括如下步骤：
[0017]步骤100，视觉伺服处理器通过自身的摄像头实时获取正下方地面图像并进行处理，当地面物体进入摄像头视野，视觉伺服处理器通过信息处理获得地空之间的相对位置信息，发送给无人机飞控计算机指引无人机平台修正与地面物体的平面坐标差；
[0018]步骤200，地空之间的平面坐标差低于设定阈值，确定无人机已抵达地面物体上空，通过无人机机腹安装的吊放机构或以无人机下降高度的方式将所述捕获地面物体的装置向下投送；
[0019]步骤300，捕获地面物体的装置在向地面物体逼近过程中，根据视觉伺服处理器获取的相对位置信息进行计算，控制主动补偿动力模块，调整空中对接结构体的位姿，使空中装置对地面物体进行主动逼近控制；
[0020]步骤400，空中对接结构体与地面对接结构体对接逼近卡位，最终通过呈圆形多点位的电磁捕获模块与吸合结构体完成吸合捕获并产生到位信号；
[0021]步骤500，识别目标捕获完成信号，通知无人机吊放机构收起装置或无人机直接上升拉起地面物体。
[0022]进一步的，所述步骤100执行时，视觉伺服处理器采用Harris算法实现角点检测，地面物体所在的色块中心的角点像素坐标为u、v，通过对投影公式中外参矩阵的求解获取地面物体角点与空中对接结构体之间的相对位置信息；
[0023]角点测试的公式是：
[0024][0025]相机投影公式是：
[0026][0027]其中，为外参矩阵。
[0028]进一步的，所述视觉伺服处理器内设置有比例
‑
积分
‑
微分控制器，分别用于控制4个螺旋桨的转速；所述步骤300具体为：通过视觉伺服处理器对地面物体周围环境进行图像
采集、特征提取以及执行所述步骤200，得到目标角点和空中对接结构体之间坐标的相对值Δx1、Δy1、Δx2＝
‑
Δx1以及Δy2＝
‑
Δy1，对于为正的偏差值进行PID控制，进而输出对应的PWM信号，确定对应的螺旋桨的转速；PID控制的公式如下：
[0029][0030][0031]式中，K
P
、K
I
以及K
D
为PID参数。
[0032]进一步的，所述到位信号基于安装在捕获地面物体的装置的吸合面上的金属弹簧针产生的地线信号获得。
[0033]进一步的，圆形多点位的所述电磁捕获模块的吸合及释放动作通过处理器控制继电器来实现。
[0034]进一步的，当所述捕获地面物体的装置获得吸合捕获到位信号后，无人机吊放机构收起装置或无人机直接上升拉起地面物体，并进行下一步投送作业。
[0035]采用上述技术方案，本专利技术能够带来以下有益效果：
[0036]本专利技术提供的一种无人机抓取目标物体的方法，通过实时获取对接锥形结构体和目标物体之间的相对位置信息，根据所述的相对位置信息进一步控制主动补偿动力模块使装置对索降过程中的地面目标物体进行主动逼近控制，最终通过圆形多点位的电磁捕获模块完成吸合捕获，并通过安装在装置吸合面的金属弹簧针产生的地线信号传给无人机，无人机进行下一步动作，实现了无人机对目标物体的精确抓取。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机空中捕获地面物体的装置，其特征在于：适用于具备空中悬停能力的无人机平台；所述捕获物体的装置包括空中对接结构体、视觉伺服处理器、主动补偿动力模块、电磁捕获模块以及地面对接结构体；所述空中对接结构体为所述捕获物体的装置的空中部分，用于通过自身对接壳体与所述地面对接结构体进行逼近配合实现对接作业；所述视觉伺服处理器与所述空中对接结构体相对固定设置，用于对地面物体进行图像采集以及特征提取；所述主动补偿动力模块由四个螺旋桨组成，安装在所述空中对接结构体上，用于对所述空中对接结构体执行平面位置的动力控制；所述电磁捕获模块为由多个电磁铁组成的电磁捕获阵列，安装在所述对接壳体上，用于产生电磁吸力进行地面物体的捕获作业并产生动作到位信号；所述地面对接结构体固定在所述地面物体上，设置有能够与所述对接壳体相互对接的对接结构件，并设置有吸合结构体；所述吸合结构体用于在所述对接壳体及所述对接结构件对接后，与所述电磁捕获阵列进行吸合；所述无人机基于所述视觉伺服处理器所收集的特征进行捕获过程的姿态保持以及伺服控制油门给定；所述主动补偿动力模块基于视觉伺服处理器所收集的特征进行空中对接结构体执行平面位置的动力控制。2.根据权利要求1所述的捕获地面物体的装置，其特征在于，所述对接壳体为圆台形壳体；所述对接结构件为能够扣合在所述对接壳体内的圆台形；所述吸合结构提固定在所述对接结构件的顶面处。3.根据权利要求1所述的捕获地面物体的装置，其特征在于，所述螺旋桨的数量为四组，以所述对接壳体的中轴中心对称分布。4.一种无人机空中捕获地面物体的方法，应用于权利要求1
‑
3之任一项所述的无人机空中捕获地面物体的装置，其特征在于，所述捕获地面物体的方法包括如下步骤：步骤100，视觉伺服处理器通过自身的摄像头实时获取正下方地面图像并进行处理，当地面物体进入摄像头视野，视觉伺服处理器通过信息处理获得地空之间的相对位置信息，发送给无人机飞控计算机指引无人机平台修正与地面物体的平面坐标差；步骤200，地空之间的平面坐标差低于设定阈值，确定无人机已抵达地面物体上空，通过无人机机腹安装的吊放机构或以无人机下降高度的方式将所述捕获地面物体的装置向下投送；步骤300，捕获地面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秦岭，甄咪，郑丽丽，王放，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：