CN110239677A - 一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，首先，无人机与无人艇进行通讯，无人机获取无人艇GPS信息后靠近运动的无人艇，然后，无人机自动识别无人艇上的靶标精确定位无人艇的位置进行近距离跟踪，最后，无人机下降，同时在不同高度识别不同层级和大小的靶标，获得无人机与靶标的相对位置信息，当无人机下降到一定高度时，无人机降落到运动的无人艇上。本发明通过基于GPS信息导航对无人艇的位置进行大致定位，然后基于图像的视觉导航对无人艇上的靶标进行精确定位，从而实现在无人艇运动状态下达到快速稳定的跟踪与降落，实现了无人机与无人艇的协同，解决了无人机无法快速稳定的跟踪并降落到运动的无人艇上的问题。

Description

一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法

技术领域

本发明属于无人应用技术领域，更具体地，涉及一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法。

背景技术

随着全球创新格局的变化，无人***作为一个庞大而崭新的行业已经诞生。以无人机、无人车、无人水面艇和无人水下艇为代表的无人***技术近年发展势头迅猛，无人机更是“火爆”市场。随着全球人工智能、航空航天、智能制造的高速增长，无人***必将迎来黄金时代。

单个的无人***，无论是无人艇、无人机、还是无人车都存在一定的局限性，例如进行水域探测时仅仅依靠无人艇偶尔也会遇到各种不利因素如水域环境恶劣、浅滩等。此时如果将多个无人***配合起来，将会产生‘1+1>2’的效果。如果无人艇上可以携带无人机，则在需要时放出无人机去进行水域甚至是陆地探测或其他任务，完成任务后，无人机自主识别无人艇上的靶标并降落到运动的无人艇上，从而完成无人机-无人艇协同起降。因此，提供一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法在无人机-无人艇协同中非常重要。

目前在国际上对于无人机在运动的无人艇上着陆的研究还很少，现有的方法基本上都是针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆，无人机在运动的无人艇上着陆的难点主要有一下两个方面：

1、由于在水面上，无人艇不仅在水平平面上存在移动，还有俯仰、偏航和横摇的姿态变化，使得无人机的降落平台很不稳定，两个运动的***在这种情况下进行对接降落是非常困难的，现有的针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆的方法无法适用。

2、无人机和无人艇是两个独立的***，依靠GPS只能实现米级的定位，而依靠视觉AprilTag靶标定位则可以实现厘米级定位，现有的针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆的方法往往通过识别一个AprilTag靶标进行定位，但是无人机在下降过程中，靶标在相机的视角中越来越大直到看不清全部的靶标，无法实现在不同高度上都可以对无人艇进行精确定位。

所以，提供一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，旨在解决现有技术中由于基本上都是针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆而无法解决当无人艇处于运动状态下而导致无人机降落平台不稳定时，无人机无法快速稳定的跟踪并降落到运动的无人艇上的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，包括以下步骤：

S1、远距离导航：通过无人机与无人艇之间建立通讯来获取无人艇的GPS信息，根据所得GPS信息控制无人机靠近运动的无人艇，当无人机能够识别无人艇上的靶标时，将无人机机头与无人艇的航向相对应并转至步骤S2；

S2、近距离追踪：当无人机在追踪无人艇的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可下降区域时，转至步骤S3；

S3、追踪并下降：当无人机在下降的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可降落高度时，无人机降落到无人艇上。

优选地，步骤S1中无人机机载平台与无人艇上安装配套的通讯模块，进而无人机可以通过与无人艇建立通讯获得无人艇的GPS坐标，从而根据无人机自身GPS模块得到的GPS坐标可以大致计算出与无人艇之间的位置距离误差，然后无人机自主控制靠近无人艇大致所在的区域。

优选地，若无人艇和无人机之间没有建立通讯，无人机无法获得无人艇的大致位置，那么只要无人艇在无人机的摄像头的视野范围之内，无人机就可以识别到无人艇上的靶标，从而定位出无人艇的位置，依然可以完成后续的下降步骤，进而降落到运动的无人艇上。

优选地，步骤S2中的可下降区域是指以无人艇为顶点的倒锥形范围，只有无人机在无人艇的倒锥形范围内时才会开始下降。

优选地，倒锥形范围为Δx＜εΔh且Δy＜εΔh，其中Δx、Δy、Δh分别为xyz三维坐标系中x，y，z三个方向上无人机与无人艇的位置偏差，当Δx＜εΔh且Δy＜εΔh时无人机才会有下降的速度，同时控制水平方向的速度进一步缩小与无人艇的位置误差。

优选地，无人艇上的靶标由多层嵌套的AprilTag构成，优选地，可以采用三层嵌套的AprilTag靶标，分为内层、中层、外层三层AprilTag靶标，在不同的高度分别识别靶标的外层、中层、内层，从而得到无人机与无人艇之间的精确空间相对位置信息。

优选地，步骤S3中无人机追踪并下降的方法包括以下步骤：

S31、在保证无人机识别到无人艇上靶标的外层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h₁时，转到步骤S32；

S32、在保证无人机识别到无人艇上靶标的中层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h₂时，转到步骤S33；

S33、在保证无人机识别到无人艇上靶标的内层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h_min时，转到步骤S34；

S34、固定此时无人机的下降速度，无人机在下降过程中继续识别无人艇上靶标的内层，若丢失靶标，判断此时靶标丢失方向，根据靶标从图像中丢失的方向给无人机一个水平方向的额外速度，使得无人机可以根据靶标丢失的方向去加速或者减速追踪无人艇，最终降落到无人艇上；否则，触发无人机降落程序，无人机直接降落到无人艇上。

优选地，本发明所述无人机为旋翼无人机，所述无人艇可以但不限于无人水面艇，也可以是有人驾驶的水面艇，所述无人艇上有一个拥有防护的降落平台，降落平台中间贴着靶标，所述无人艇可以是在运动中的，也可以是无动力漂浮的。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列

有益效果：

1、本发明提供了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，通过基于GPS信息导航对无人艇的位置进行定位，确定无人艇的大致位置，然后基于图像的视觉导航对无人艇上的靶标进行精确定位，从而实现在无人艇运动状态下达到快速稳定的跟踪与降落，实现了无人机与无人艇的协同，解决了现有技术中仅针对静止的或者无动力的无人艇进行无人机着陆而无法解决当无人艇处于运动状态下而导致无人机降落平台不稳定时，无人机无法快速稳定的跟踪并降落到运动的无人艇上的问题。

2、本发明使用多层嵌套的AprilTag靶标，使得无人机在识别到靶标追踪下降的过程中在不同高度可以识别不同层级的靶标，可以在不同高度完成对无人艇的精确定位，不会因为无人机高度下降，靶标在视野中变大而看不清靶标，大大提高了靶标识别的效率和精确度。

3、本发明所提供的一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，拥有基于图像的视觉导航和GPS信息导航两种位置反馈方式，使得无人机在各种情况下都可以完成对无人艇的定位。在无人艇和无人机之间没有通讯的场景，只要保证无人艇在无人机的摄像头视野范围之内，无人机就可以识别到无人艇上的靶标，从而定位出无人艇的位置，依然可以完成后续的下降步骤，进而降落到运动的无人艇上，整个***更加稳定，更加安全有效。

附图说明

图1是本发明所提供的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法流程图；

图2是本发明中追踪下降以及追踪降落过程的方法流程图；

图3是本发明所提供的无人艇上的多层嵌套AprilTag靶标图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

为实现上述目的，本发明提供了一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法。如图1所示是发明所提供的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法流程图。

具体的，本发明所提供的一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法包括以下步骤：

S1、远距离导航：无人机与无人艇建立通讯，无人机获取无人艇GPS信息后靠近运动的无人艇，识别无人艇上的靶标，若能识别，则将无人机机头与无人艇的航向对应，转至步骤S2，否则，重复步骤S1；

具体的，无人机机载平台与无人艇上安装配套的通讯模块，进而可以通过通讯获得无人艇的GPS坐标，从而根据无人机自身GPS模块得到的GPS坐标可以大致计算出与无人艇之间的位置的距离偏差，然后无人机自主控制靠近无人艇大致所在的区域。

具体的，如果无人艇和无人机上都有GPS模块，都可以获得自身在大地坐标系下的坐标，并且无人艇和无人机之间有无线通讯，那么只要无人机在无人艇的无线通讯范围内都可以完成这个降落的过程。若无人艇和无人机之间没有通讯，无人机没法获得无人艇的大致位置，那么只要无人艇在无人机上摄像头的视野范围内，无人机就可以识别到无人艇上的靶标，从而定位出无人艇的位置，依然可以完成后续的下降步骤，进而降落到运动的无人艇上。

S2、近距离追踪：无人机自动识别无人艇上的靶标，然后精确定位无人艇的位置进行近距离跟踪，若在追踪过程中丢失靶标，则重复S1-S2，直至再次发现无人艇上的靶标，否则，判断当前是否达到可下降区域，若达到可下降区域，转至步骤S3，若未达到可下降区域，则重复步骤S2；

具体的，无人机在靠近无人艇所在区域后便使用摄像头在一定范围内扫描无人艇，由于无人艇是运动的，所以在此期间依然根据大致位置误差慢慢靠近无人艇，直至发现无人艇上的靶标从而定位无人艇的具***置，进而跟踪上运动的无人艇；若在追踪过程中丢失靶标，将会重新根据GPS定位得到的位置偏差靠近并搜索，直到再次发现无人艇上的靶标，视觉定位无人艇，再将得到的无人机与无人艇的空间位置偏差反馈给机载平台，然后通过自主控制方式追踪无人艇。

具体的，步骤S2中的可下降区域是指以无人艇为顶点的倒锥形范围，只有无人机在无人艇的倒锥形范围内时才会开始下降；具体的，倒锥形范围为Δx＜εΔh且Δy＜εΔh，其中Δx、Δy、Δh分别为xyz三维坐标系中x，y，z三个方向上无人机与无人艇的位置偏差，当Δx＜εΔh且Δy＜εΔh时无人机才会有下降的速度，同时控制水平方向的速度进一步缩小与无人艇的位置误差。具体的，ε可以为大于0.1小于1的数。具体的，当无人机与无人艇在水平面方向上的偏差小于εΔh时，给无人机一个向下的速度使其下降，而当无人机与无人艇在水平面方向上的偏差大于等于εΔh时，无人机将一直控制追踪无人艇缩小差距，直到偏差小于εΔh时才可以下降直至降落到无人艇的靶标上。具体的，当无人机在无人艇的通讯范围内，发出下降命令后，无人机将接收到的无人艇的GPS信号和自身的GPS信号做对比得到无人艇在无人机的大致相对空间位置，进而得到空间xyz三维坐标系中x，y，z三个方向上无人机与无人艇的位置偏差Δx、Δy、Δh，将水平方向上的位置误差Δx和Δy作为控制器的偏差输入，从而得到无人机的速度，将速度量转化为无人机横滚角roll、俯仰角pitch、航偏角yaw三个不同的角度，从而接近无人艇。具体的，可以采用双闭环PID控制算法、自适应PID算法、鲁棒控制方法等控制算法。

S3、追踪并下降：无人机识别无人艇上靶标，若丢失靶标，则重复步骤S1-S3，否则，判断此时的高度是否小于h_min，若小于h_min，则无人机降落到无人艇上，算法结束，若此时的高度大于等于h_min，则无人机下降，重复步骤S3。具体的，h_min可以为大于0.5小于1.2的值，单位为米。

具体的，如图2所示为本发明中追踪下降以及追踪降落过程的方法流程图。无人机追踪并下降的方法包括以下步骤：

S31、在保证无人机识别到靶标的外层的前提下，无人机继续下降，若此时无人机的高度大于等于h₁，则重复步骤S31，否则，转到步骤S32；具体的，h₁可以为大于3.5小于6的值，单位为米；

S32、在保证无人机识别到靶标的中层的前提下，无人机继续下降，若此时无人机的高度大于等于h₂，则重复步骤S32，否则，转到步骤S33；具体的，h₂可以为大于1.2小于3的值，单位为米；

S33、在保证无人机识别到靶标的内层的前提下，无人机继续下降，若此时无人机的高度大于等于h_min，则重复步骤S33，否则转到步骤S34；具体的，h_min可以为大于0.5小于1.2的值，单位为米。

S34、固定此时无人机的下降速度，识别靶标的内层，若丢失靶标，判断此时靶标丢失方向，根据靶标从图像中丢失的方向给无人机一个水平方向的额外速度，使得无人机可以根据靶标丢失的方向去加速或者减速追踪无人艇，最终降落到无人艇平台上，算法结束，否则，触发无人机降落程序，无人机直接降落到无人艇上，算法结束。

具体的，降落程序触发后，无人机将从h_min高度开始以一个恒定的速度下降，由于无人艇是一直在运动的，这时候如果垂直下降是不可行的，在此同时根据图像定位到的水平位置偏差输出水平速度控制量，使得在无人机最终降落时依然可以追踪运动的无人艇，直到安全降落至无人艇的靶标上。

在本实施例中，无人机在离无人艇靶标还有0.1m高度处时丢失靶标，该靶标是渐渐从图像正上方丢失，即从无人机正前方丢失，代表着无人机在无人艇靶标的后面，那么给予无人机一个向前的额外速度，并叠加到控制器输出的速度上，使得无人机可以追踪上无人艇，进而安全降落到无人艇平台上。

具体的，如图3所示为本发明所提供的无人艇上的多层嵌套AprilTag靶标图，靶标由多层嵌套的AprilTag靶标构成，本实施例以三层AprilTag靶标为例，分为内层、中层、外层三层AprilTag靶标，在不同的高度分别识别靶标的外层、中层、内层，从而得到无人机与无人艇之间的精确空间相对位置信息。在降落过程中，随着高度的降低，目靶标标以及无人艇会在无人机的相机视野中越来越大，甚至看不全整个靶标。且靶标所占像素越多，在机载平台下图像处理的速度就越慢，所以使用多层嵌套的AprilTag靶标，在大于h₁高度的时候识别靶标的外层，由于外层图像中间嵌套着中层AprilTag靶标，所以在识别到AprilTag靶标后要忽略图像中间几个bit的信息；当高度小于h₁而大于h₂时，识别靶标的中层，同样的，由于中间嵌套着内层靶标，所以在识别到AprilTag后也要忽略图像中间几个bit的信息；当高度小于h₂时，识别靶标的内层；在边界高度来回切换时会存在一定的死区，例如当高度降低由外层靶标切换至中层靶标时，需要高度小于h₁-σ，而再切换回外层靶标时需要高度大于h₁+σ，这样就避免无人机在边界高度时发生来回切换，使***更加稳定。具体的，σ可以取值为0.5。

具体的，在识别靶标时首先对识别到的图像执行自适应阈值处理、连续边界分割、四边形拟合、快速解码等操作，然后在摄像头的参数标定后，利用矩阵运算得出摄像头与靶标之间的空间位置信息与旋转角误差，反馈给无人机的机载平台，计算出获得无人机与靶标的相对位置信息。

本实施例中无人机为旋翼无人机，无人艇可以但不限于无人水面艇，也可以是有人驾驶的水面艇，且艇上拥有一个降落平台，降落平台中间贴着靶标，无人艇可以是在运动中的，也可以是无动力漂浮的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、远距离导航：

通过无人机与无人艇之间建立通讯来获取无人艇的GPS信息，

根据所述GPS信息控制无人机靠近运动的无人艇，

当无人机能够识别无人艇上的靶标时，将无人机机头与无人艇的航向相对应并转至步骤S2；

S2、近距离追踪：

当无人机在追踪无人艇的过程中能够识别无人艇上靶标，且无人机达到可下降区域时，转至步骤S3；

S3、追踪并下降：

当无人机在下降的过程中能够识别无人艇上的靶标，且无人机达到可降落高度时，无人机降落到无人艇上。

2.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述可下降区域是指以无人艇为顶点的倒锥形范围，只有无人机在无人艇的倒锥形范围内时才会开始下降。

3.根据权利要求2所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述倒锥形范围为Δx＜εΔh且Δy＜εΔh，其中Δx、Δy、Δh分别为xyz三维坐标系中x，y，z三个方向上无人机与无人艇的位置偏差，当Δx＜εΔh且Δy＜εΔh时无人机才会有下降的速度，同时控制水平方向的速度进一步缩小与无人艇的位置误差。

4.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述靶标由多层嵌套的AprilTag靶标构成。

5.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，步骤S3所述的方法包括以下步骤：

S31、在保证无人机识别到所述靶标的外层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h₁时，转到步骤S32；

S32、在保证无人机识别到所述靶标的中层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h₂时，转到步骤S33；

S33、在保证无人机识别到所述靶标的内层的前提下，无人机继续下降，当无人机的高度小于h_min时，转到步骤S34；

S34、固定此时无人机的下降速度，无人机在下降过程中继续识别所述靶标的内层，若丢失靶标，根据靶标从图像中丢失的方向给无人机一个水平方向的额外速度，使得无人机可以根据靶标丢失的方向去加速或者减速追踪无人艇，最终降落到无人艇上，否则，触发无人机降落程序，无人机直接降落到无人艇上。

6.根据权利要求1所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，若无人艇和无人机之间没有建立通讯，无人机无法获得无人艇的大致位置，那么只要无人艇在无人机的摄像头的视野范围之内，无人机就可以识别到无人艇上的靶标，从而定位出无人艇的位置，依然可以完成后续的下降步骤，进而降落到运动的无人艇上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的无人机自主识别靶标并降落到运动的无人艇上的方法，其特征在于，所述无人机为旋翼无人机，所述无人艇可以但不限于无人水面艇，也可以是有人驾驶的水面艇，所述无人艇上有一个拥有防护的降落平台，降落平台中间贴着靶标，所述无人艇可以是在运动中的，也可以是无动力漂浮的。