CN107943090A - 一种无人机的降落方法及*** - Google Patents

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唐哲君
张宏
刘剑
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Abstract

本发明公开了一种无人机的降落方法及***，通过将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并控制无人机从目标降落点进行降落，在降落过程中，所述无人机进行分段降落，在每一段中所述无人机的降落速度不同，实现了无人机精准降落，不需要依靠GPS定位或者位置估计实现无人机无人机的降落，也减少了安全事故的发生。

Description

一种无人机的降落方法及***
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机的降落方法及***。
背景技术
无人机飞行降落时无人机飞行每次都必须有的一个过程，而且降落时发生事故的概率往往比较高。如降落到不适合无人机降落的地方(如树上，水面，不平的地面等)，容易造成无人机受损伤。所以很有必要在无人机降落的时候引入一些保护措施。保证无人机降落的安全性，避免损坏无人机或伤及他人。
现有的无人机降落方法一般都是直接往下降，没有感知降落时距地面还有多高，或者有感知但是没有加入一些保护措施，而对地面环境的感知往往没有。这容易造成无人机降落时降落到不适合降落的地方而发生安全事故。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种无人机的降落方法及***，旨在解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种无人机的降落方法，所述方法包括步骤：获取无人机的第一飞行高度；根据所述无人机的第一飞行高度，获取第一飞行高度对应的模板图像；通过无人机的摄像装置拍摄场景画面，获取到拍摄的图像；将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；获取预设的参考高度，根据预设的参考高度对第一飞行高度进行分析，以获取无人机的第一降落速度；根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落。
可选地，所述模板图像为所述无人机在所述目标降落点拍摄的图像或者为所述无人机预先存储的在所述目标降落点的图像。
可选地，所述预设的参考高度包括第一参考高度、第二参考高度以及起飞高度，所述第二参考高度小于所述第一参考高度，所述第一参考高度小于所述起飞高度。
可选地，根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落还包括：根据所述第一降落速度控制无人机在所述起飞高度以及所述第一参考高度之间运动，所述第一降落速度线性相关于所述起飞高度以及所述第一参考高度。
可选地，所述第一参考高度为无人机的悬停位置，当无人机悬停时，再次通过无人机的摄像装置获取到拍摄的图像，将拍摄的图像与无人机预先存储的在所述第一参考高度的图像进行分析，从而微调所述无人机与目标降落点的偏差。
可选地，获取无人机的第二飞行高度，所述第二飞行高度小于等于所述第二参考高度；以及根据所述第二飞行高度获取无人机的第二降落速度，所述第二降落速度为匀速。
可选地，当所述第一飞行高度大于所述起飞高度时，根据所述第一降落速度控制无人机斜向下飞行。
此外，为实现上述目的，本发明实施例第二方面提供一种无人机的降落***，所述***包括：测距模块、图像存储模块、拍摄图像获取模块、匹配模块、存储器以及处理器；所述测距模块，用于获取无人机的第一飞行高度；所述图像存储模块，用于根据所述无人机的第一飞行高度，获取第一飞行高度对应的模板图像；所述拍摄图像获取模块，用于通过无人机的摄像装置拍摄场景画面，获取到拍摄的图像；所述匹配模块，用于将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；存储器，用于存储预设的参考高度；处理器，用于从所述存储器中调取所述预设的参考高度，根据预设的参考高度对第一飞行高度进行分析，以获取无人机的第一降落速度以及根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落。
可选地，所述模板图像为所述无人机在所述目标降落点拍摄的图像或者为所述无人机预先存储的在所述目标降落点的图像。
可选地，所述第一降落速度线性相关于所述预设的参考高度。
本发明实施例提供的无人机的降落方法及***，通过将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并控制无人机从目标降落点进行降落，在降落过程中，所述无人机进行分段降落，在每一段中所述无人机的降落速度不同，实现了无人机精准降落，不需要依靠GPS定位或者位置估计实现无人机无人机的降落，也减少了安全事故的发生。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无人机的立体图；
图2为本发明实施例提供的无人机的俯视图；
图3为本发明实施例提供的无人机的降落***结构示意图；
图4为本发明实施例提供的无人机的降落方法流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现在将参考附图描述实现本发明各个实施例的。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。
在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
参阅图1，图1为本发明实施例提供的无人机结构立体图。一种无人机，包括飞行主体1，所述飞行主体1大致呈椭圆状、设置于所述飞行主体1上的机臂组件，所述飞行主体1的前端为机头10，后端为机尾11，所述机头10厚度小于所述机尾11厚度，所述机头10的设有两个指示灯2。所述机头10上表面设有一第一平面101、以及一第一弧面102自所述第一平面101先前且向下平滑延伸形成、以及一第二弧面103自所述第一弧面102向下且向后平滑延伸形成，所述指示灯2设于所述第一弧面102上且两个所述指示灯2对称设置于所述第一弧面102的左右两侧，所述第二弧面103设有一散热孔104用于给所述飞行主体1散热。
请同时参阅图1及图2所示，所述机臂组件包括一第一机臂12及一第二机臂13，所述飞行主体1左侧向外延伸所述第一机臂12，所述飞行主体1右侧向外延伸所述第二机臂13，所述第一机臂12与所述第二机臂13的结构相同，所述第一机臂12设有一固定部121与所述飞行主体1相连，所述固定部121前侧向前延伸弯折一第一悬臂122，所述固定部121后侧向后延伸弯折一第二悬臂123，一连接部124连接所述第一悬臂122及所述第二悬臂123，使得所述第一悬臂122、所述第二悬臂123与所述连接部124之间围成一个通孔125，所述通孔125供所述操作者的手通过使得所述操作者更加容易的握持所述第一机臂12及所述第二机臂13。所述固定部121与所述飞行主体1连接处的厚度大于所述固定部121与所述第一悬臂122连接处的厚度，从而增强所述第一机臂12及所述第二机臂13与所述飞行主体1连接强度。所述无人机左右两侧分别设有一天线(未标号)位于所述第二悬臂123后面。所述机尾11设有一收容腔(未图示)供所述一电池组件(未标号)***。
无人机可以携带一个负载，例如：摄像装置。在一些实施例中，所述摄像装置可以包括一个摄像头，例如：可以拍摄所述无人机周围的图像、视频等。所述摄像头光敏于各种波长的光线，包括但不限于可见光、紫外线、红外线或其中的任意组合。在一些实施例中，所述负载可以包括其他种类的传感器。在一些实施例中，所述负载通过云台与所述飞行主体1连接在一起，使得所述负载可以相对于所述飞行主体1运动。例如：当所述负载携带摄像装置时，所述摄像装置可以相对于飞行主体1运动以拍摄所述无人机周围的图像、视频等。如图所示，当无人机位于地面时，起落架6可以支撑无人机以保护所述负载。
在一些实施例中，所述无人机可以包括两个前视摄像头，所述前视摄像头光敏于各种波长的光线(如可见光、红外光、紫外线)用于拍摄所述无人机周围的图像或视频。所述无人机可以包括两个置于飞行主体1底部的下视摄像头。
参照图3，图3为本发明第二实施例提供的一种无人机的降落***，所述***包括：测距模块20、图像存储模块21、拍摄图像获取模块22、匹配模块23、存储器24以及处理器25。
测距模块20，用于获取无人机的第一飞行高度。
图像存储模块21，用于根据测距模块20获取的无人机的第一飞行高度，获取第一飞行高度对应的模板图像。
在本实施例中，模板图像为无人机在目标降落点拍摄的图像或者为无人机预先存储的在所述目标降落点的图像。
在一些实施例中，所述测距模块20为置于无人机底部的一个或多个传感器，例如超声波传感器、激光雷达测距传感器，在无人机从起飞点起飞之后，测距传感器测量到无人机飞行到一定高度时，可触发无人机的摄像头拍摄图像，比如在起飞到五米时触发无人机的摄像头拍摄一张图像，在起飞到六米时触发无人机的摄像头拍摄一张图像……，从而得到一个模板图像与无人机距离起飞点高度一一对应的图像库。
当无人机需要返航回到起飞点位置时，可获取无人机的第一飞行高度数据，例如测距传感器测量到的第一飞行高度数据；通过该第一飞行高度数据，可在图像库中查找到第一飞行高度数据对应的模板图像。
拍摄图像获取模块22，用于通过无人机的摄像装置拍摄场景画面，获取到拍摄的图像。
匹配模块23，用于将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置。
在本发明实施例中，无人机内置有一个或多个的摄像装置，摄像装置可以拍摄场景画面，得到基于拍摄的图像。将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像通过匹配技术可获得无人机偏离目标降落点的位置。匹配的方法可包括：求解图像相关系数、或者机器学习方法从图像中获取模板位置。
在本实施例中，目标降落点为无人机起飞点垂直方向的第一飞行高度的位置。
在本实施例中，匹配模块通过扩展卡尔曼滤波算法(EKF，Extended KalmanFilter)进行数据融合获得无人机偏离目标降落点的位置。
卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器),它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中，估计动态***的状态。
所述存储器24用于存储预设的参考高度；所述处理器25用于从所述存储器24中调取所述预设的参考高度，根据预设的参考高度对第一飞行高度进行分析，以获取无人机的第一降落速度以及根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落。
在本实施例中，所述预设的参考高度包括第一参考高度、第二参考高度以及起飞高度，所述第二参考高度小于所述第一参考高度，所述第一参考高度小于所述起飞高度。根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落还包括：根据所述第一降落速度控制无人机在所述起飞高度以及所述第一参考高度之间运动，所述第一降落速度线性相关于所述起飞高度以及所述第一参考高度。所述第一参考高度为无人机的悬停位置，当无人机悬停时，再次通过无人机的摄像装置获取到拍摄的图像，将拍摄的图像与无人机预先存储的在所述第一参考高度的图像进行分析，从而微调所述无人机与目标降落点的偏差，微调的过程是无人机自动水平慢慢地向目标降落点靠近，一点点缩小偏差。
在其中一个实施例中，当所述第一飞行高度大于所述起飞高度时，根据所述第一降落速度控制无人机斜向下飞行，具体地是，所述无人机一边竖直向下移动同时水平也向目标降落点靠近。
在本实施例中，在获得无人机偏离目标降落点的位置之后，可通过PID算法控制无人机的飞行姿态，控制无人机飞行到目标降落点，然后控制无人机从目标降落点进行降落。
无人机的飞行姿态可包括无人机的横滚角(英文名称roll)，俯仰角(英文名称pitch)，航向角(英文名称yaw)，无人机的飞行姿态用来控制无人机保持水平或保持某一姿态角。
本发明实施例提供的无人机的降落***，通过将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并控制无人机从目标降落点进行降落；实现了无人机精准降落，不需要依靠GPS定位或者位置估计实现无人机无人机的降落。
如图1所示，本发明第一实施例提供的一种无人机的降落方法，该方法包括步骤：
S10、获取无人机的第一飞行高度。
在一些实施例中，所述无人机可以通过一个或多个超声传感器，如：超声传感器中，获取所述第一飞行高度。具体地，所述超声传感器可以向地面发送超声波，所述超声波经地面反射之后可以被所述无人机接收，通过获取所述超声波的发送时刻以及接收时刻，辅以声音的传播速度，可以计算出所述第一飞行高度。
在其他实施例中，所述无人机可以通过前视摄像头或者下视摄像头，获取所述第一飞行高度。所述下视摄像头被安装于所述无人机的底部，用于拍摄所述无人机底部的图像和/或视频。所述无人机可以利用立体匹配技术(英文：stereo matching techniques)，提取所述图像和/或所述视频中的深度信息，并依据所述深度信息重建所述无人机底部的三维地形，从而获取所述第一飞行高度。
S11、根据无人机的第一飞行高度，获取第一飞行高度对应的模板图像。
所述无人机可以通过下视摄像头的拍摄图像，比如在起飞到五米时触发无人机的摄像头拍摄一张图像，在起飞到六米时触发无人机的摄像头拍摄一张图像……，从而得到一个模板图像与无人机距离起飞点高度一一对应的图像库。
S12、通过无人机的摄像装置拍摄场景画面，获取到拍摄的图像。
S13、将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置。
在本发明实施例中，无人机内置有一个或多个的摄像装置，摄像装置可以拍摄场景画面，得到基于拍摄的图像。将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像通过匹配技术可获得无人机偏离目标降落点的位置。匹配的方法可包括：求解图像相关系数、或者机器学习方法从图像中获取模板位置。
S14、获取预设的参考高度，根据预设的参考高度对第一飞行高度进行分析，以获取无人机的第一降落速度；
S15、根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落。
在一些实施例中，所述预设的参考高度包括第一参考高度、第二参考高度以及起飞高度，所述第二参考高度小于所述第一参考高度，所述第一参考高度小于所述起飞高度。根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落还包括：根据所述第一降落速度控制无人机在所述起飞高度以及所述第一参考高度之间运动，所述第一降落速度线性相关于所述起飞高度以及所述第一参考高度。
在本实施例中，无人机可以根据所述预设的参考高度，沿垂直于地面的方向分段进行自动降落。例如：当第一参考高度H1、第二参考高度H2以及起飞高度H3，无人机的当前的第一飞行高度为H4，当所述第一飞行高度为H4大于所述起飞高度H3，无人机的速度为V＝at2+b加速下降,常数b为无人机的水平速度，at2为无人机竖直向下的速度，即是当所述第一飞行高度H1大于所述起飞高度H4时，根据所述第一降落速度控制无人机斜向下飞行。当所述第一飞行高度为H4大于所述第一参考高度H1小于所述起飞高度H3时,无人机的速度为V＝d(H3-H1)，即是无人机的速度线性相关于所述起飞高度以及所述第一参考高度。当所述第一飞行高度为H4小于或等于所述第二参考高度H2时，无人机的速度为V＝c匀速下降，即是获取无人机的第二飞行高度H5，所述第二飞行高度H5小于等于所述第二参考高度H2，根据所述第二飞行高度H5获取无人机的第二降落速度，所述第二降落速度为匀速。在其中一个实例，常数a为0.5m/s2，b为0.1m/s，c为0.3m/s。
在一些实施例中，所述第一参考高度为无人机的悬停位置，当无人机悬停时，再次通过无人机的摄像装置获取到拍摄的图像，将拍摄的图像与无人机预先存储的在所述第一参考高度的图像进行分析，从而微调所述无人机与目标降落点的偏差。
在本实施例中，目标降落点为无人机起飞点垂直方向的第一飞行高度的位置。可通过扩展卡尔曼滤波算法(EKF，Extended Kalman Filter)进行数据融合获得无人机偏离目标降落点的位置。
卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器),它能够从一系列的不完全包含噪声的测量中，估计动态***的状态。
在本实施例中，在获得无人机偏离目标降落点的位置之后，可通过PID(比例、积分、微分)算法控制无人机的飞行姿态，控制无人机飞行到目标降落点，然后控制无人机从目标降落点进行降落。
无人机的飞行姿态可包括无人机的横滚角(英文名称roll)，俯仰角(英文名称pitch)，航向角(英文名称yaw)，无人机的飞行姿态用来控制无人机保持水平或保持某一姿态角。
本发明实施例提供的无人机的降落方法，通过将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并控制无人机从目标降落点进行降落；实现了无人机精准降落，不需要依靠GPS定位或者位置估计实现无人机无人机的降落。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机的降落方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
获取无人机的第一飞行高度；
根据所述无人机的第一飞行高度，获取第一飞行高度对应的模板图像；
通过无人机的摄像装置拍摄场景画面，获取到拍摄的图像；
将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；
获取预设的参考高度，根据预设的参考高度对第一飞行高度进行分析，以获取无人机的第一降落速度；
根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落。
2.根据权利要求1所述的一种无人机的降落方法，其特征在于，所述模板图像为所述无人机在所述目标降落点拍摄的图像或者为所述无人机预先存储的在所述目标降落点的图像。
3.根据权利要求1所述的一种无人机的降落方法，其特征在于，所述预设的参考高度包括第一参考高度、第二参考高度以及起飞高度，所述第二参考高度小于所述第一参考高度，所述第一参考高度小于所述起飞高度。
4.根据权利要求3所述的一种无人机的降落方法，其特征在于，根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落还包括：根据所述第一降落速度控制无人机在所述起飞高度以及所述第一参考高度之间运动，所述第一降落速度线性相关于所述起飞高度以及所述第一参考高度。
5.根据权利要求3所述的一种无人机的降落方法，其特征在于，所述第一参考高度为无人机的悬停位置，当无人机悬停时，再次通过无人机的摄像装置获取到拍摄的图像，将拍摄的图像与无人机预先存储的在所述第一参考高度的图像进行分析，从而微调所述无人机与目标降落点的偏差。
6.根据权利要求3所述的一种无人机的降落方法，其特征在于，获取无人机的第二飞行高度，所述第二飞行高度小于等于所述第二参考高度；以及根据所述第二飞行高度获取无人机的第二降落速度，所述第二降落速度为匀速。
7.根据权利要求3所述的一种无人机的降落方法，其特征在于，当所述第一飞行高度大于所述起飞高度时，根据所述第一降落速度控制无人机斜向下飞行。
8.一种无人机的降落***，其特征在于，所述***包括：测距模块、图像存储模块、拍摄图像获取模块、匹配模块、存储器以及处理器；
所述测距模块，用于获取无人机的第一飞行高度；
所述图像存储模块，用于根据所述无人机的第一飞行高度，获取第一飞行高度对应的模板图像；
所述拍摄图像获取模块，用于通过无人机的摄像装置拍摄场景画面，获取到拍摄的图像；
所述匹配模块，用于将拍摄的图像与第一飞行高度对应的模板图像进行匹配，获得无人机偏离目标降落点的位置；
存储器，用于存储预设的参考高度；
处理器，用于从所述存储器中调取所述预设的参考高度，根据预设的参考高度对第一飞行高度进行分析，以获取无人机的第一降落速度以及根据无人机偏离目标降落点的位置，控制无人机飞行到目标降落点并根据所述第一降落速度控制无人机从目标降落点进行降落。
9.根据权利要求8所述的一种无人机的降落***，其特征在于，所述模板图像为所述无人机在所述目标降落点拍摄的图像或者为所述无人机预先存储的在所述目标降落点的图像。
10.根据权利要求8所述的一种无人机的降落***，其特征在于，所述第一降落速度线性相关于所述预设的参考高度。
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