CN112539732A - 一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台 - Google Patents

一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台 Download PDF

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CN112539732A
CN112539732A CN202011405038.9A CN202011405038A CN112539732A CN 112539732 A CN112539732 A CN 112539732A CN 202011405038 A CN202011405038 A CN 202011405038A CN 112539732 A CN112539732 A CN 112539732A
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洪慧
袁晴
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/24—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders using a parallactic triangle with fixed angles and a base of variable length in the observation station, e.g. in the instrument

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Abstract

本发明公开了一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台。本发明包含一个地面站，通过发送控制指令控制无人机执行飞行任务，其中随着控制指令的改变，无人机飞行状态也会随之改变，地面站同时会接收无人机发送的姿态角、加速度、电池电量信息，并将所有接收到的数据和发送的控制指令一起保存到PC端。再通过放置的双目摄像头拍摄无人机飞行轨迹，拍摄到无人机飞行轨迹视频，再根据双目摄像头视觉测距原理进行无人机深度测距以及三维空间坐标重建，获取到无人机飞行轨迹点精确的三维空间坐标。本发明完整获取了无人机控制指令以及对应的无人机飞行状态信息，包括姿态角、速度、加速度等，满足研究精确控制无人机的数据需求。

Description

一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台
技术领域
本发明属于无人机数据采集平台技术领域，具体为一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台。
背景技术
无人机因具有较强的负载能力及灵活的机动性，广泛应用于军事和民用领域，如道路交通巡查、城市测绘航拍，大型无人机集群表演等，在很多应用情景下，都需要控制无人机进行精确稳定地飞行，如何精确控制无人机飞行得到越来越多的关注。
目前国内和国外基本是控制无人机进行简单的室外GPS航点任务，无法完成室外无人机的精确稳定飞行控制。研究如何精确控制无人机的重点在于研究无人机接收到控制指令后对应的具体飞行状态(包括无人机的姿态角、速度、加速度)。研究上述问题的关键在于采集大量数据，通过大数据的分析和训练来得到无人机飞行指令和具体飞行状态的对应关系。采集数据的难点在于获取无人机速度信息，想要获取无人机速度信息，需要对无人机进行三维空间定位，目前主流室外定位技术是GPS、UWB。从GPS得到的位置信息是物体在大地坐标系WGS-84中的经纬度信息，需要进行复杂单位换算，并且目前主流的M8N GPS模块精度为0.5米，无法满足精度要求。无人机的地面坐标系采用的UWB(Ultra-Wide Band)定位模块实现无人机的坐标定位，地面的坐标系始终不变，用于研究无人机在空中飞行时具体的运动，由于定位相对较好UWB定位方式也存在10到20cm的误差，所以在无人机一段连续的飞行中可能会出现几个明显不满足正常的位置无人机误差坐标点，导致计算得到的无人机的速度信息存在一定异常。
所以如何设计一个可以获取准确无人机集群状态信息及轨迹数据的采集平台，是当前需要解决的问题。
发明内容
为了克服上述背景技术所存在的不足，本发明设计了一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台。由于双目摄像头经过相机标定、双目标定、双目匹配和计算深度信息等实际操作校准后测距精度为5-10cm，满足精度要求，通过双目摄像头拍摄无人机飞行轨迹视频，并根据双目摄像头视觉测距原理进行无人机深度测距以及三维空间坐标重建，获取到无人机飞行轨迹点精确的三维空间坐标。结合地面站来接收无人机发送的姿态角，电池等信息，获取到研究无人机飞行指令和具体飞行状态的对应关系的所有数据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台，包括：
双目摄像头，用于拍摄无人机飞行轨迹，获取无人机三维空间位置信息；
PC电脑，用于接收无人机的加速度、姿态角、电池信息；
无人机地面站，用于保存无人机信息和控制无人机飞行；
无限数传模块，用于发送和接收数据。
进一步说，
所述的双目摄像头可以同时拍摄多架无人机飞行轨迹；
双目摄像头所拍摄的视频可存储至SD卡，方便室外操作；
双目摄像头像素1280*800，帧率60帧/秒，满足清晰拍摄无人机轨迹、快速更新无人机三维空间位置信息的需求。
进一步说，
所述的无人机地面站接收通过无线数传模块传输的无人机信息，并保存到PC端，可同时接收多架无人机信息；
无人机地面站设置发送控制指令同时控制多架无人机执行起飞、定高、降落等飞行任务；
无人机地面站设置显示接收来自无人机数据的窗口和控制无人机数据的窗口。
无人机地面站设置有无线数传通信波特率选择窗口和串口选择窗口。
进一步说，
所述的无线数传模块空中传输速率达到1M bit/s，满足无人机与地面站之间大量数据快速传输的需求；
拥有信息发送检测机制，检测到信息发送失败，最多可达15次重新发送。
进一步说，
结合双目摄像头采集的位置信息和地面站接收的加速度、姿态角、电池信息得到完整的无人机信息。
本发明的有益效果是：
1、双目摄像头可以同时拍摄多架无人机飞行轨迹，所拍摄的视频可存储至SD卡，校准后测距精度为5-10cm，满足清晰拍摄无人机轨迹、快速更新无人机三维空间位置信息的需求。
2、结合PC端保存的无人机控制指令、姿态角、加速度以及从无人机飞行轨迹计算得到的速度数据，满足了研究精确控制无人机的数据需求。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为图1中无人机地面站的界面图。
图3为图1中的双目摄像头获取速度流程图。
图4为双目视觉测距原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明包含一个地面站，通过发送控制指令控制无人机执行飞起、定高飞行、定点飞行、降落等一系列飞行任务，其中随着控制指令的改变，无人机飞行状态(姿态角、速度、加速度)也会随之改变，地面站同时会接收无人机发送的姿态角、加速度、电池电量信息，并将所有接收到的数据和发送的控制指令一起保存到PC端。
在无人机在空中飞行时，通过放置的双目摄像头拍摄无人机飞行轨迹，拍摄到无人机飞行轨迹视频，再根据双目摄像头视觉测距原理进行无人机深度测距以及三维空间坐标重建，获取到无人机飞行轨迹点精确的三维空间坐标，通过坐标信息计算出无人机速度信息。
图1为本发明一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台示意图，包括PC机1.1和双目摄像头拍摄飞行轨迹模块1.2。首先使用Visual Studio搭建如图2中的多线程无人机采集数据界面地面站，然后使用无线数传模块连接PC端与无人机，确保两者之间可以进行数据的传输。调整双目摄像头的位置，保证可以拍摄到无人机飞行范围的所有区域。最后利用地面站控制无人机飞行，同时开启摄像头开始拍摄飞行轨迹，地面站保存所有无人机发送的数据到PC端。
具体的地面站使用方法，如图2所示，先使用Visual Studio打开地面站控制界面，在需要采集一架无人机数据的情景下(多架无人机步骤相似)，首先配置好两个无线数传模块(一个用于接收无人机发送的姿态角、电池电量等信息，一个用于发送地面站控制指令数据)的串口号，波特率。然后点击接收数据按钮，开启接收数据线程，开始接收来自无人机的数据，点击发送指令按钮，开始发送控制指令到无人机。发送的指令会显示在发送指令窗口，由于接收数据长度较长，没有显示到接收窗口。
当地面站接收串口缓冲区接收到26个字节后将触发协议解析函数，根据通信协议分析数据是否完整，在完成验证以后，将数据保存到PC端。例如接收到数据[A1 A2 88 2B00 15 06 27 00 C6 00 A2 00 A4 00 01 EB 31 10 82 CE BA 01 FF CE 49]后，就会按照通信协议先检查帧头是否正确，然后根据每个字节所对应的参数含义换算为具体数值。
无人机每隔20ms发送一次数据信息，为了减小数据的动态误差，累积收集10组数据，计算10组数据的平均值保存到PC端作为之后分析和训练的实际数据。
根据无人机飞行整体策略给出控制无人机指令例如[1700 1500 1650 1500 15001500 1500 1500]，将指令数值从十进制换算为16进制的字节码，再通过串口传递给数传模块，数传模块发送字节码到无人机，无人机接收到字节码经过处理控制电机转动实现整体飞行策略。无人机发送到地面站的数据通过上述过程已经保存PC端，已经得到了姿态角、电池电量以及无人机加速度数据，速度信息需要通过双目摄像头拍摄的轨迹图来获取。
如图3所示，对于拍摄的无人机轨迹视频首先按照帧率分解为许多图片，对每张图片切割，将图片中左摄像头和右摄像头拍摄的部分切割成相同大小的两张图片。根据三维重建原理处理左右摄像头拍摄的图片。
双目摄像头视觉测距原理，如图4所示，根据三角相似定律，可得公式1：
Figure BDA0002818316170000041
解上述方程进行三维重建得到三维坐标x、y、z的表达式，如公式2：
Figure BDA0002818316170000051
根据上述推导，求解三维坐标需要知道相机焦距f，左右相机基线b(通过相机标定得到)，视差：d＝xl-xr，即左相机像素点(xl，yl)和右相机中对应点(xr，yr)的关系。
利用opencv的SGBM算法计算出无人机在左右图片中像素点的视差，根据上述公式即可得到无人机三维坐标。得到三维坐标，即可计算无人机在飞行过程中每个轨迹点的瞬时速度。
至此，此平台采集数据具体流程已叙述完整。

Claims (5)

1.一种无人机集群状态及轨迹数据的采集平台，其特征在于，包括：
双目摄像头，用于拍摄无人机飞行轨迹，获取无人机三维空间位置信息；
PC电脑，用于接收无人机的加速度、姿态角、电池信息；
无人机地面站，用于保存无人机信息和控制无人机飞行；
无限数传模块，用于发送和接收数据。
2.根据权利要求1所述的采集平台，其特征在于：
所述的双目摄像头同时拍摄多架无人机飞行轨迹；
双目摄像头所拍摄的视频存储至SD卡；
双目摄像头的像素为1280*800，帧率为60帧/秒。
3.根据权利要求1所述的采集平台，其特征在于：
所述的无人机地面站接收通过无线数传模块传输的无人机信息，并保存到PC端，可同时接收多架无人机信息；
无人机地面站设置发送控制指令同时控制多架无人机执行起飞、定高或降落；
无人机地面站设置显示接收来自无人机数据的窗口和控制无人机数据的窗口；
无人机地面站设置有无线数传通信波特率选择窗口和串口选择窗口。
4.根据权利要求1所述的的采集平台，其特征在于：
所述的无线数传模块的空中传输速率达到1M bit/s；拥有信息发送检测机制，检测到信息发送失败，最多可达15次重新发送。
5.根据权利要求2或3所述的的采集平台，其特征在于：
结合双目摄像头采集的位置信息和地面站接收的加速度、姿态角、电池信息得到完整的无人机信息。
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