CN110162101A - 一种基于视觉导引的精确空投***及方法 - Google Patents

一种基于视觉导引的精确空投***及方法 Download PDF

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郭惠楠
张广栋
曹剑中
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Abstract

本发明提供了一种基于视觉导引的精确空投***及方法，解决传统空投方式在导航或无线通讯信号失效情况下，难以保证投掷物准确降落至目标区域的问题。其中***包括视觉导引***、姿态控制***及降落伞；所述视觉导引***用于获取匹配目标区域图像，根据所述匹配目标区域图像，计算降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送至所述姿态控制***；所述姿态控制***与降落伞的伞控绳相连，用于根据所述相对位置变量调整降落伞的姿态和方向。方法包括以下步骤：1)装订目标区域视觉特征图；2)匹配目标区域；3)计算降落伞与目标区域的相对位置变量；4)降落伞自主降落至目标区域。

Description

一种基于视觉导引的精确空投***及方法
技术领域
本发明涉及智能无人***，具体涉及一种基于视觉导引的精确空投***及方法。
背景技术
在物资空投作业复杂环境下，精确空投已经成为重要的物资输送手段。例如应急救灾物资的快速投送、偏远地区的物流配送，都需要更加精确的空投方式来降低空投作业风险。
传统精确空投***，大多以投掷轨迹预测方式、GPS(或北斗导航)定位方式、惯性导航以及无线电导引相结合等方式进行。但是在灾区或特殊区域定位(导航)***失效或无线电通信中断等特殊情况下，传统空投方式难以保证投掷物准确降落至目标区域。
发明内容
本发明目的是克服传统空投方式在导航或无线通讯信号失效情况下，难以保证投掷物准确降落至目标区域的技术问题，提供一种基于视觉导引的精确空投***及方法，从而实现高效、精准空投作业。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于视觉导引的精确空投***，其特殊之处在于，包括视觉导引***、姿态控制***及降落伞；
所述视觉导引***用于获取匹配目标区域图像，根据所述匹配目标区域图像，计算降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送至所述姿态控制***；
所述姿态控制***与降落伞的伞控绳相连，用于根据所述相对位置变量调整降落伞的姿态和方向。
进一步地，所述视觉导引***包括多光谱段相机组件、数据处理及控制组件；
所述多光谱段相机组件包括可见光成像部件、近红外成像部件、短波红外成像部件、中波红外成像部件和长波红外成像部件；
所述数据处理及控制组件用于对多光谱段相机组件获取的图像进行参数解算以及图像融合处理，获取降落伞与目标区域的相对位置变量。
进一步地，所述姿态控制***包括数据处理单元和伞绳拖动单元；
所述数据处理单元接收视觉导引***发送的相对位置变量，并将相对位置变量转换为伞绳控制信号，伞绳控制信号用于驱动伞绳拖动单元动作；
所述伞绳拖动单元与所述降落伞的伞控绳相连，用于实时控制降落伞绳收放、调整降落伞的姿态和方向。
同时，本发明提供了一种利用上述基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，采用视觉导引***对目标区域拍摄成像，在空投作业过程中，根据搜索匹配的目标区域位置，实时解算目标区域相对于降落伞的相对位置变量，并将该变量发送至姿态控制***，完成降落伞实时闭环控制调姿，最终实现降落伞准确落入目标区域；其特征之处，在于包括以下步骤：
1)装订目标区域视觉特征图
空投作业前，视觉导引***装订目标区域视觉特征图；
2)匹配目标区域空投作业时，启动视觉导引***，搜索与所述目标区域视觉特征图相匹配的目标区域，并获取匹配目标区域图像；
3)计算降落伞与目标区域的相对位置变量
视觉导引***根据输出的匹配目标区域图像，实时计算出降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送到姿态控制***；
4)降落伞自主降落至目标区域
在降落伞下降过程中，姿态控制***根据步骤3)所计算的降落伞与目标区域的相对位置变量，拉动伞控绳，实时调整降落伞的姿态和方向，使所述相对位置变量逐渐趋近于零，最终实现在目标区域降落。
进一步地，步骤1)装订目标区域视觉特征图中，视觉特征图为可见光成像波段的彩色图像及目标区域特征信息，或红外成像波段的灰度图像及目标区域特征信息；
所述目标区域特征信息包括色度特征信息、几何特征信息、纹理及边缘特征信息和光谱特征信息。
进一步地，步骤2)匹配目标区域中，通过多光谱段相机组件获取匹配目标区域图像，所述多光谱段相机组件包括可见光成像部件、近红外成像部件、短波红外成像部件、中波红外成像部件和长波红外成像部件。
进一步地，步骤3)计算降落伞与目标区域的相对位置变量中，计算出降落伞与目标区域的相对位置变量的具体方法如下：
3.1)预装订视觉导引***中多光谱段相机组件的图像探测器靶面尺寸、图像探测器分辨率、相机焦距f信息；
3.2)根据如下公式求得图像探测器像元尺寸k1和k2；
其中，以图像探测器靶面中心为坐标原点，建立图像坐标系x-y，定义x轴正向向右，y轴正向向上，k1为x轴方向的图像探测器像元尺寸；k2为y轴方向的图像探测器像元尺寸；
3.3)搜索到与所述目标区域视觉特征图相匹配的目标区域图像后，得到目标区域图像中心在图像探测器靶面上的像元坐标(p,q)，从而得到目标区域图像中心在图像靶面上的物理坐标，记作(X,Y)；
其中，X＝k1×p，Y＝k2×q；
3.4)计算降落伞与目标区域的相对位置变量(α,β)：
其中：f为相机焦距，(X′,Y′)为目标在图像坐标系下的坐标，H为降落伞实时高度，α为目标区域在图像坐标系x轴向的相对角度，β为目标区域在图像坐标系y轴向的相对角度。
进一步地，步骤4)降落伞自主降落至目标区域中；
通过数据处理单元接收视觉导引***发送的相对位置变量，并将相对位置变量转换为伞绳控制信号，伞绳控制信号用于驱动伞绳拖动单元动作；
伞绳拖动单元与所述降落伞的伞控绳相连，用于实时控制降落伞绳收放、调整降落伞的姿态和方向。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明的精确空投***采用视觉导引***获取匹配目标区域图像，计算降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送至姿态控制***，姿态控制***调整降落伞的姿态和方向，使物质准确降落在目标区域，可在无线电或者定位***失灵的情况下，为空投***指引目标区域，保证投掷物准确降落至目标区域，可广泛应用于导航或无线通讯信号失效情况下的应急救灾和偏远地区物资配送领域。
附图说明
图1是本发明精确空投***的架构图；
图2为本发明精确空投方法的流程图；
图3为本发明精确空投方法中相对位置变量解算方法说明图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种基于视觉导引的精确空投***，包括视觉导引***、姿态控制***及降落伞；视觉导引***用于获取匹配目标区域图像，根据所述匹配目标区域图像，计算降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送至所述姿态控制***；姿态控制***与降落伞的伞控绳相连，用于根据所述相对位置变量调整降落伞的姿态和方向。
视觉导引***包括多光谱段相机组件、数据处理及控制组件、电源管理组件；多光谱段相机组件可包含多个成像谱段部件，具体可为可见光成像部件、近红外成像部件、短波红外成像部件、中波红外成像部件和长波红外成像部件；多个成像谱段部件可根据应用需求独立使用或选择性组合使用，根据用户需求，多个成像谱段部件可指令控制开启或根据所拍摄的环境场景自动开启，并输出各光谱段的图像，在能见度较好的一般天气条件下，可以采用彩色可见光波段高清相机；在能见度较差的恶劣天气条件下，可以采用近红外波段的相机；在夜间模式下，可以采用红外波段相机；数据处理及控制组件用于对多光谱段相机组件获取的图像进行参数解算以及图像融合处理，获取降落伞与匹配目标区域的相对位置变量；电源管理组件用于***内外电压转换及过载保护。
姿态控制***包括数据处理单元和伞绳拖动单元；数据处理单元接收视觉导引***发送的相对位置变量，并将相对位置变量转换为伞绳控制信号，伞绳控制信号用于驱动伞绳拖动单元动作；伞绳拖动单元与所述降落伞的伞控绳相连，用于实时控制降落伞绳收放、调整降落伞的姿态和方向。
本实施例精确空投***中，降落伞下端连有物质托盘，视觉导引***安装在物质托盘上，姿态控制***安装在降落伞与物质托盘之间的伞控绳上。
如图2所示，本实施例提供了一种利用上述基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，基本原理是视觉导引方式采用相机成像***获取目标区域图像信息，并在相机内部完成相对位置变量解算，通过降落伞姿态控制***将相对位置变量转换为控制信号，在降落伞下降过程中完成降落伞实时闭环控制调姿，最终实现降落伞准确落入目标区域，其包括以下步骤：
1)装订目标区域视觉特征图
空投作业前，视觉导引***装订目标区域视觉特征图，目标区域视觉特征图为前期通过其他方式得到的目标区域图像文件，属于本发明的输入信息；视觉特征图可以为以下几种：
A1：可见光成像波段(波长范围：0.38微米-0.78微米)的彩色图像及目标区域特征信息；
B1：红外成像波段(波长范围：0.78微米-14微米)的灰度图像及目标区域特征信息；
目标区域特征信息包括色度特征信息、几何特征信息、纹理及边缘特征信息和光谱特征信息等。
2)匹配目标区域
空投作业时，启动视觉导引***，搜索与所述目标区域视觉特征图相匹配的目标区域，并获取匹配目标区域图像；
视觉导引***包括多光谱段相机组件、数据处理及控制组件、电源管理组件，多光谱段相机组件可包含多个成像谱段部件，具体为可见光成像部件、近红外成像部件、短波红外成像部件、中波红外成像部件、长波红外成像部件；多个成像谱段部件可根据应用需求独立使用或选择性组合使用；根据用户需求，多个成像谱段部件可指令控制开启或根据所拍摄的环境场景自动开启，并输出各光谱段的图像，在能见度较好的一般天气条件下，可以采用彩色可见光波段高清相机；在能见度较差的恶劣天气条件下，可以采用近红外波段的相机；在夜间模式下，可以采用红外波段相机；数据处理及控制组件能够对各光谱段的图像进行参数解算以及图像融合处理；电源管理组件用于***内外电压转换及过载保护。
3)计算降落伞与目标区域的相对位置变量
视觉导引***根据输出的匹配目标区域图像，实时计算出降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送到姿态控制***；
其中，计算出降落伞与目标区域的相对位置变量的具体流程如下：
3.1)预装订视觉导引***中多光谱段相机组件的图像探测器靶面尺寸、图像探测器分辨率、相机焦距f信息；
3.2)根据如下公式求得图像探测器像元尺寸k1和k2；
其中，以图像探测器靶面中心为坐标原点，建立图像坐标系x-y，定义x轴正向向右，y轴正向向上，k1为x轴方向的图像探测器像元尺寸；k2为y轴方向的图像探测器像元尺寸；
3.3)搜索到与所述目标区域视觉特征图相匹配的目标区域图像后，得到目标区域图像中心在图像探测器靶面上的像元坐标(p,q)，乘以图像探测器像元尺寸，从而得到目标区域图像中心在图像靶面上的物理坐标，单位为毫米，记作a(X,Y)；
其中，X＝k1×p，Y＝k2×q；
3.4)如图3所示，根据摄影测量学中的中央投影构象方程建立空间三角关系，计算降落伞与目标区域的相对位置变量(α,β)：
其中：f为相机焦距，单位为毫米；
S为摄影中心；
H为降落伞实时高度；
Z轴为垂直于x轴和y轴形成的平面向上(与地面相对高度位置的方向)；
A(X′,Y′)为目标在图像坐标系下的坐标，其中，X′为目标中心在地面上x轴方向的物理坐标值，Y′为目标中心在地面上y轴方向的物理坐标值；
X为目标区域图像中心在图像靶面上x轴方向的物理坐标值；
Y为目标区域图像中心在图像靶面上y轴方向的物理坐标值；
α为目标区域在图像坐标系x轴向的相对角度；
β为目标区域在图像坐标系y轴向的相对角度。
4)降落伞自主降落至目标区域
在降落伞下降过程中，姿态控制***根据步骤3)所计算的降落伞与目标区域的相对位置变量，拉动伞控绳，实时调整降落伞的姿态和方向，使所述相对位置变量逐渐趋近于零，最终实现在目标区域降落。姿态控制***包含数据处理单元和伞绳拖动单元，数据处理单元接收视觉导引***发送的相对位置变量信号，并将相对位置变量转换为伞绳控制信号；伞绳可以由电机驱动实现收放动作，将相对位置变量转换电机的控制信号，通过电机的动作实时控制降落伞绳收放，实现达到控制伞体降落姿态。
降落伞开伞后，视觉导引***不断提供目标点的相对位置变量，伞绳拖动单元根据控制信号实时控制降落伞绳收放、调整降落伞的姿态和方向，使物资准确降落在目标区域。

Claims (8)

1.一种基于视觉导引的精确空投***，其特征在于：包括视觉导引***、姿态控制***及降落伞；
所述视觉导引***用于获取匹配目标区域图像，根据所述匹配目标区域图像，计算降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送至所述姿态控制***；
所述姿态控制***与降落伞的伞控绳相连，用于根据所述相对位置变量调整降落伞的姿态和方向。
2.根据权利要求1所述的基于视觉导引的精确空投***，其特征在于：
所述视觉导引***包括多光谱段相机组件、数据处理及控制组件；
所述多光谱段相机组件包括可见光成像部件、近红外成像部件、短波红外成像部件、中波红外成像部件和长波红外成像部件；
所述数据处理及控制组件用于对多光谱段相机组件获取的图像进行参数解算以及图像融合处理，获取降落伞与目标区域的相对位置变量。
3.根据权利要求1或2所述的基于视觉导引的精确空投***，其特征在于：所述姿态控制***包括数据处理单元和伞绳拖动单元；
所述数据处理单元接收视觉导引***发送的相对位置变量，并将相对位置变量转换为伞绳控制信号，伞绳控制信号用于驱动伞绳拖动单元动作；
所述伞绳拖动单元与所述降落伞的伞控绳相连，用于实时控制降落伞绳收放、调整降落伞的姿态和方向。
4.一种利用权利要求1至3任一所述的基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)装订目标区域视觉特征图
空投作业前，视觉导引***装订目标区域视觉特征图；
2)匹配目标区域
空投作业时，启动视觉导引***，搜索与所述目标区域视觉特征图相匹配的目标区域，并获取匹配目标区域图像；
3)计算降落伞与目标区域的相对位置变量
视觉导引***根据输出的匹配目标区域图像，实时计算出降落伞与目标区域的相对位置变量，并将其发送到姿态控制***；
4)降落伞自主降落至目标区域
在降落伞下降过程中，姿态控制***根据步骤3)所计算的降落伞与目标区域的相对位置变量，拉动伞控绳，实时调整降落伞的姿态和方向，使所述相对位置变量逐渐趋近于零，最终实现在目标区域降落。
5.根据权利要求4所述的基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，其特征在于：步骤1)装订目标区域视觉特征图中，视觉特征图为可见光成像波段的彩色图像及目标区域特征信息，或红外成像波段的灰度图像及目标区域特征信息；
所述目标区域特征信息包括色度特征信息、几何特征信息、纹理及边缘特征信息和光谱特征信息。
6.根据权利要求5所述的基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，其特征在于：步骤2)匹配目标区域中，通过多光谱段相机组件获取匹配目标区域图像，所述多光谱段相机组件包括可见光成像部件、近红外成像部件、短波红外成像部件、中波红外成像部件和长波红外成像部件。
7.根据权利要求4或5或6所述的基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，其特征在于：步骤3)计算降落伞与目标区域的相对位置变量中，计算出降落伞与目标区域的相对位置变量的具体步骤如下：
3.1)预装订视觉导引***中多光谱段相机组件的图像探测器靶面尺寸、图像探测器分辨率、相机焦距f信息；
3.2)根据如下公式求得图像探测器像元尺寸k1和k2；
其中，以图像探测器靶面中心为坐标原点，建立图像坐标系x-y，定义x轴正向向右，y轴正向向上，k1为x轴方向的图像探测器像元尺寸；k2为y轴方向的图像探测器像元尺寸；
3.3)搜索到与所述目标区域视觉特征图相匹配的目标区域图像后，得到目标区域图像中心在图像探测器靶面上的像元坐标(p,q)，从而得到目标区域图像中心在图像靶面上的物理坐标，记作(X,Y)；
其中，X＝k1×p，Y＝k2×q；
3.4)计算降落伞与目标区域的相对位置变量(α,β)：
其中：f为相机焦距，(X′,Y′)为目标在图像坐标系下的坐标，H为降落伞实时高度，α为目标区域在图像坐标系x轴向的相对角度，β为目标区域在图像坐标系y轴向的相对角度。
8.根据权利要求7所述的基于视觉导引的精确空投***进行精确空投的方法，其特征在于：步骤4)降落伞自主降落至目标区域中；
通过数据处理单元接收视觉导引***发送的相对位置变量，并将相对位置变量转换为伞绳控制信号，伞绳控制信号驱动伞绳拖动单元动作；
伞绳拖动单元与所述降落伞的伞控绳相连，实时控制降落伞绳收放、调整降落伞的姿态和方向。
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