一种旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法与流程

本发明涉及旋翼无人机自主着降技术邻域，特别是一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法。

背景技术：

近几年，旋翼无人机凭借其可悬停稳定飞行、可垂直起降等优点，在民用、救援甚至军事应用中都扮演着十分重要的角色，如交通部门利用旋翼无人机实时检查路况、隐蔽地抓拍高速公路上的违章驾驶行为；大型发电站利用旋翼无人机对太阳能电板进行巡检；快递公司利用旋翼无人机派送包裹；救援部队利用旋翼无人机侦测受灾情况并及时给受灾群众投送食物和药品等必要物资。然而，若要旋翼无人机执行更为复杂的任务，即要求旋翼无人机能够有更长的飞行时间及更大的飞行范围，这就对机载电池的续航时间与使用寿命提出了一个更高的要求。增大电池容量的同时也增加了机身重量，延长续航时间效果不明显。实现旋翼无人机与地面移动车辆空地协作就可以有效地缓解这一问题，所谓的空地协作即要求旋翼无人机能够在移动车辆上实现自主起降，两者协同完成一系列复杂任务。

现阶段旋翼无人机大多采用定点着降的方式，这一着降方式就限定了旋翼无人机只能在固定的目标上进行降落。对于在移动目标上的自主着降，工程上易于实现的方式是采用阶梯式的着降方式，即当满足降落的条件时，旋翼无人机进入降落模式，降低一定的高度后，又进入跟踪模式，两种模式交替执行，最终，旋翼无人机的着降轨迹成阶梯状。显然，这种着降方式不是一个连续的过程，并且，当旋翼无人机下降到一定高度时，就会受到地面效应的影响，而且这种影响会随着飞行高度的减小而增大，这对跟踪飞行的稳定性、着降的精确度都会造成一定的影响。

因此，实现旋翼无人机连续稳定地在移动目标上自主着降技术是迫切需要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种工程上易于实现的基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的方法，用于解决旋翼无人机无法在未知运动状态的移动目标上稳定着降的工程问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明采用已公开专利(公开号为cn106774436a)中提出的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，完成自主着降前的对移动目标的稳定跟踪，并将本发明提出的方法用于上述专利提出的系统结构中，实现旋翼无人机在移动目标上自主着降的任务。

本发明公开了一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，所述两轴无刷云台用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；所述超声波测距模块用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；所述摄像头模块用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；所述图像处理器用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点的位置信息，并将目标物质点的位置信息输出至飞行控制器；所述飞行控制器用于根据接收到的目标物质点的位置信息和实时的飞行高度，解算出旋翼无人机与目标物质点之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪飞行以及在目标物上着降；

所述旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法包括以下步骤：

步骤1)，控制旋翼无人机在开始着降前保持在预设高度对移动目标的视觉跟踪；

步骤2)，飞行控制器判断连续20帧移动目标的成像位置是否都在成像平面的中心，如果连续20帧移动目标的成像位置均在成像平面的中心，执行步骤3)；否则跳转至步骤1)；

步骤3)，进入着降模式，旋翼无人机保持预设高度向前飞行预设的第一距离阈值，所述预设的第一距离阈值小于等于htan50°，其中h为旋翼无人机实时的飞行高度，50°为旋翼无人机前飞方向上摄像头模块视场角的一半，该距离保证了目标特征标志仍位于摄像头模块的视野范围内；

步骤4)，保持旋翼无人机的位置和高度不变，计算位于该位置的旋翼无人机与移动目标的实际的相对误差距离x，然后结合此时的飞行高度h、根据公式计算得到期望的跟踪角度θ0的值；

步骤5)，飞行控制器控制旋翼无人机开始下降高度，同时结合实时的实际相对位置误差距离与飞行高度，并根据公式计算实际的跟踪角度θ；

步骤6)，计算目标物质点的成像位置、成像平面中心之间的连线和过成像平面中心且垂直指向成像平面下边缘射线的夹角β；

步骤7)，将β和预先设定的角度阈值β0进行比较；

步骤7.1)，如果β大于β0，移动目标改变运动方向，飞行控制器控制旋翼无人机提升至预设高度，跳转执行步骤1)；

步骤7.2)，如果β小于等于β0，移动目标的前向运动，θ会增大，与期望的跟踪角度θ0对比就会存在角度误差eθ，eθ＝θ0-θ，飞行控制器控制将此角度误差作为pid输入，通过pid算法计算出旋翼无人机的下降高度并控制旋翼无人机进行下降、使得实际的跟踪角度θ与期望的跟踪角度θ0相同，直至旋翼无人机成功在移动目标上着陆。

优选的，所述的预设高度为2m，旋翼无人机实时的飞行高度通过上述的超声波测距模块测得，并与预设高度进行比较来判断是否位于预设高度。

优选的，所述角度阈值β0为15°。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明采用工程上易于实现的pid控制方法，结合优化的着降策略实现了旋翼无人机在未知运动状态的移动目标上自主着降的任务，从而扩大了旋翼无人机的应用范围。

2、本发明提出的着降方法其着降过程是一个连续的垂直降落的过程，从而避免了采用阶梯式着降方式所受到的地面效应的影响，提高了系统的稳定性。此外，在整个着降过程中，移动目标始终朝着靠近旋翼无人机的方向运动，这就有效地避免了因飞行高度的下降而目标丢失的情况。

3、本发明提出的一种旋翼无人机自主着降的方法，将复杂的降落过程转化为跟踪一个期望的角度θ0，在简化着降过程的同时又减小了系统的计算量，实验结果表明，运用本发明提出的着降方法，着降精度可控制在5厘米以内。

附图说明

图1是旋翼无人机自主着降过程示意图；

图2是目标特征标志；

图3是本发明采用的一种控制系统实施例的结构示意图；

图4是目标物定位示意图；

图5是实际相对误差距离解算示意图；

图6是角度β示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种基于视觉的旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法，所述基于视觉的旋翼无人机包括飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，所述两轴无刷云台用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；所述超声波测距模块用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；所述摄像头模块用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；所述图像处理器用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点的位置信息，并将目标物质点的位置信息输出至飞行控制器；所述飞行控制器用于根据接收到的目标物质点的位置信息和实时的飞行高度，解算出旋翼无人机与目标物质点之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪飞行以及在目标物上着降；

如图1所示，所述旋翼无人机在移动目标上自主着降的控制方法包括以下步骤：

步骤1)，控制旋翼无人机在开始着降前保持在预设高度对移动目标的视觉跟踪，即图1中的a-b阶段；

步骤2)，飞行控制器判断连续20帧移动目标的成像位置是否都在成像平面的中心，如果连续20帧移动目标的成像位置均在成像平面的中心，执行步骤3)；否则跳转至步骤1)；

步骤3)，进入着降模式，即位于图1中b点的位置，旋翼无人机保持预设高度向前飞行预设的第一距离阈值，即图1中由b点飞行至c点。所述预设的第一距离阈值小于等于htan50°，其中h为旋翼无人机实时的飞行高度，50°为旋翼无人机前飞方向上摄像头模块视场角的一半，该距离保证了目标特征标志仍位于摄像头模块的视野范围内；

步骤4)，保持旋翼无人机的位置和高度不变，计算位于该位置的旋翼无人机与移动目标的实际的相对误差距离x，然后结合此时的飞行高度h、根据公式计算得到期望的跟踪角度θ0的值。

图4为目标物定位示意图。坐标系ocxcyc为图像像素坐标系，坐标系oc′xc′yc′为图像物理坐标系。其中摄像头模块的焦距f＝3.6mm，h为超声波测距模块测得的实时的飞行高度。两图像坐标系之间的转换关系式为：

其中，(px,py)为成像点在图像物理坐标系中的坐标位置，(u,v)为其在图像像素坐标系中的坐标位置；(u0,v0)为点oc′在图像像素坐标系中的位置坐标，其物理意义为虚拟成像图像的光学中心，而ku,kv是每个像素的宽和高在传感器尺寸中的物理长度，这些参数都可以通过对摄像头模块标定获得。

如图4所示，假设的目标物质点在图像像素坐标系中的成像点位置已在图中标出，利用上述的关系式可以得到其在图像物理坐标系中的坐标位置，将这一坐标位置分别投影到oc′xc′轴和oc′yc′轴上得到偏差δx和δy。

所述的实际的相对误差距离x就可以通过图5所示计算得到，将上述得到的偏差δx结合摄像头焦距f和超声波测距模块测得的高度信息h，根据相似三角形定则就可以计算得到目标物质点和旋翼无人机在该前飞方向上的实际的相对误差距离x。

在已知实际的相对误差距离x的值之后，结合此时的飞行高度h，根据公式即可计算期望的跟踪角度θ0。

步骤5)，飞行控制器控制旋翼无人机开始下降高度，同时结合实时的实际相对位置误差距离与飞行高度，并根据公式计算实际的跟踪角度θ；

步骤6)，如图6所示，计算目标物质点的成像位置、成像平面中心之间的连线和过成像平面中心且垂直指向成像平面下边缘射线的夹角β；

步骤7)，将β和预先设定的角度阈值β0进行比较；

步骤7.1)，如果β大于β0，移动目标改变运动方向，飞行控制器控制旋翼无人机提升至预设高度，跳转执行步骤1)；

步骤7.2)，如果β小于等于β0，移动目标的前向运动，θ会增大，与期望的跟踪角度θ0对比就会存在角度误差eθ，eθ＝θ0-θ，飞行控制器控制将此角度误差作为pid输入，通过pid算法计算出旋翼无人机的下降高度并控制旋翼无人机进行下降、使得实际的跟踪角度θ与期望的跟踪角度θ0相同，直至旋翼无人机成功在移动目标上着陆。

优选的，所述的预设高度为2m，旋翼无人机实时的飞行高度通过上述的超声波测距模块测得，并与预设高度进行比较来判断是否位于预设高度。

优选的，所述角度阈值β0为15°。

本发明采用如图2所示的目标特征标志，目标特征标志的主体是一个a4纸大小的红色矩形，其长和宽分别为297毫米和210毫米，rgb颜色对应的值为(255，0,0)，外围是3厘米宽的黑色边框。并将目标特征标志安置在移动目标之上。

本发明采用如图3所示的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，运用该系统可以稳定地给旋翼无人机提供视觉导航信号及着陆指令，保障了跟踪及自主着降的稳定性与精度。该系统包括机载部分、第一无线通讯模块、第二无线通讯模块以及地面测试模块。所述机载部分包括旋翼无人机的飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，

本发明实施例使用的两轴无刷云台是tarot公司研制的gopro两轴无刷云台，其处理器为双32为高速arm核处理器，并配备有三旋翼mems陀螺仪和三旋翼mems加速度计，控制精度可达到0.1度，在俯仰、滚转两方面控制角度的范围分别为-135度～90度，-45度～45度。使用此两轴无刷云台可保证在旋翼无人机的飞行过程中，摄像头镜头和超声波测距模块始终垂直朝下，而不受无人机姿态的影响。

本发明实施例使用的超声波测距模块是一款型号为i2cxl-maxsonar-ez4的工业级超声波传感器，检测范围为20厘米至765厘米，盲区为20厘米，分辨率为1厘米，使用i2c总线与飞行控制器建立通信，并具有功耗低、较高的声功率输出、可实时自动校准和使用方便的特点。用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器。

本发明实施例使用的摄像头模块是一款usb摄像头，其最大像素为210w，镜头焦距为3.6毫米，考虑到帧率的需求，将其分辨率设定为30w，视场角约为100度，帧率为100fgs/640*480，并且帧率不随光线的变化而变化，其默认的图片输出格式为mjpeg，动态捕捉的视频的存储格式为avi。本实施例使用的摄像头设置同时兼顾了图像清晰度需求和图像处理速度要求，其通过usb接口与图像处理器相连。用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器。

本发明实施例使用的图像处理器为型号是n29_2lj1900的工控板，集成intelj1900四核处理器，8g的运行内存和32g的固态硬盘并提供4个usb接口，功能类似于一台微型电脑，预装windows7系统和opencv函数库，利用vs2010开发可对移动目标进行稳定视觉跟踪的软件平台。实时地对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点信息，通过usb转ttl模块与飞行控制器的uart接口相连，将目标物质点信息输出至飞行控制器，同时又将处理过的带有目标物信息的图像输出至机载图传发送模块。

本发明实施例使用的飞行控制器为美国3dr公司生产的pixhawk的基础上优化的pixraptor飞行控制器。采用主/协双处理器结构，内置invensensempu6000六轴陀螺加速度计、stmicrol3gd20h陀螺仪、stmicrolsm303d磁力计以及measms5611气压计。其提供了丰富的外设接口，包括5路uart接口、1路i2c接口、1路spi接口以及ppm脉位调制信号输入等接口。其对旋翼无人机的控制分为内/外两个控制回路，内回路称为姿态回路，实现对旋翼无人机姿态的精确控制；外回路称为位置回路，实现对旋翼无人机位置的精确控制。飞行控制器通过uart接口接收图像处理器发送的视觉导航信号(即实际相对误差距离)，作用于位置回路，利用pid控制，实现旋翼无人机对移动目标的稳定跟踪。

所述的第一无线通讯模块和第二无线通讯模块是机载部分与地面站部分两种独立的通讯方式。所述的第一无线通讯模块包括机载数传模块和机载图传发送模块；所述的第二无线通讯模块包括地面站数传模块和地面站图传接收模块。

本发明实施例使用的机载数传模块通过uart串口与飞行控制器相连，用于将飞行控制器发送过来的旋翼无人机的飞行参数经地面站数传模块输出至地面测试模块，地面测试模块用于输出旋翼无人机规划的飞行任务至地面站数传模块，地面站数传模块通过usb接口与地面测试模块相连，用于将旋翼无人机规划的飞行任务经机载数传模块输出至飞行控制器，两者以433mhz的频率通讯，有效传输距离为500米。

本发明实施例使用的机载图传模块通过usb接口与图像处理器相连，用于将图像处理器处理过的带有目标物信息的图像经地面站图传接收模块输出至地面测试模块，地面站图传接收模块通过usb接口与地面测试模块相连，用于接收图像处理器处理过的图像信息，两者以5.8ghz的频率进行通讯，其功率为200mw，有效传输距离为800米。

所述的地面测试模块，用于实时显示图像处理器处理过的图像信息，便于操控者对整个跟踪飞行过程进行监控，可以提前对意外情况做出反应。

本发明实施例以四旋翼无人机为例，采用4个朗宇x4110-kv580无刷电机、4个乐天40a电调搭配2对飞越tarota系列1238碳纤维螺旋桨作为四旋翼无人机的动力单元。鉴于上述选型，可以给四旋翼无人机提供≥4.0kg的升力。本实施例中的四旋翼无人机还配备了电源模块，其中包括一块6000mah、25c、22.2v的锂电池、24v转12v直流稳压模块和一个ubec降压模块。锂电池一方面直接给旋翼无人机的动力单元供电，再通过ubec降压模块输出5v电压给飞行控制器供电；另一方面配合12v稳压模块给图像处理器和两轴无刷云台供电。除此之外，机载部分还配备了一个2.4ghz天地飞遥控接收机，用于接收与之配套的天地飞遥控器的控制信号，操控者可以通过拨动遥控器上的摇杆来实现对旋翼无人机的控制，接入遥控器是为了在旋翼无人机自主飞行出现失控的情况下，可以立即切回手动控制，避免不必要的危险。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。