CN112904879A - 基于色块地标的四旋翼飞行器自主跟踪降落***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***及方法，包括设置于四旋翼飞行器机体上的中央主控单元、定位识别模块和跟随降落模块，以及设置于地面上的色块地标，所述定位识别模块用于获得四旋翼飞行器的中心目标值，其输出信号发送至中央主控单元；所述中央主控单元用于读取传感数据信息、保证四旋翼飞行器的姿态控制及操作，其输出信号发送至所述跟随降落模块；所述跟随降落模块采用PID算法跟随定位识别***实现当满足跟踪精度要求时先进行机头方向的调整。与现有技术相比，本发明不仅可以解决上述问题还能够给四旋翼飞行器机头提供方向基准，使得四旋翼飞行器可以按照需要的方向进行精确降落。

Description

基于色块地标的四旋翼飞行器自主跟踪降落***及方法
技术领域
本发明属于四旋翼飞行器导航定位领域，具体涉及一种四旋翼飞行器自主跟踪降落***及方法。
背景技术
随着四旋翼飞行器在军事和民用的发展，越来越多的四旋翼飞行器被应用于货物运输、高空侦查、地面测绘和空地协作任务等等。为了实现这些功能，四旋翼飞行器常常需要对特定目标的识别、跟踪、降落甚至协同合作。故高效的地标识别方法和稳定的跟踪降落方法至关重要。由于传统GPS定位在四旋翼飞行器跟踪和降落过程中所提供精度无法满足需求，所以四旋翼飞行器与视觉传感器的结合不论在军事上还是在商业上都颇具价值。
如今，许多四旋翼飞行器采用定焦相机进行检测，降落过程中，其视野会逐渐拉进地面，对于检测色块来说会导致色块充满相机视野，对于检测二维码来说会使视野无法全部包含二维码，从而导致目标丢失。
上述现有技术存在的缺陷也是本发明亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提出一种基于色块地标的四旋翼飞行器自主跟踪降落***及方法，设计了一种包含四种不同颜色的方形色块地标，从而获得四旋翼飞行器的中心目标值，从而解决四旋翼飞行器的跟随降落问题。
本发明的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，该***包括设置于四旋翼飞行器机体上的中央主控单元、定位识别模块和跟随降落模块，以及设置于地面上的色块地标，其中：所述定位识别模块用于获得四旋翼飞行器的中心目标值，其输出信号发送至中央主控单元；所述中央主控单元用于读取传感数据信息、保证四旋翼飞行器的姿态控制及操作，其输出信号发送至所述跟随降落模块；
所述跟随降落模块采用PID算法跟随定位识别***获得色块地标的中心目标值，用于实现当满足跟踪精度要求时先进行机头方向的调整，再进行自动降落。
本发明的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、先将色块地标置于目标地点或者表面平坦的移动平台上，启动四旋翼飞行器达到合适的高度，在这个过程中需要保证色块地标在定位识别***的视野范围内；
步骤2、然后进行色块的检测与识别，采用PID算法跟随定位识别***获得的色块地标的中心目标点，
计算PID控制器输出u(t)，表达式如下：
Figure BDA0002903061110000021
其中，e(t)表示目标值与当前值的差值，kp表示比例增益，ki表示积分增益，kd表示微分增益；
步骤3、当检测到的有效色块数大于等于2时，表示成功识别到了色块地标，将检测到的色块坐标取平均值作为目标点跟随；随着四旋翼飞行器与色块地标距离的缩短，定位识别***完整识别四种不同颜色的色块，进而获得其中心目标点；
当四旋翼飞行器飞行至色块地标的正上方且跟踪满足精度时，根据需求旋转四旋翼
飞行器的偏航角，先进行机头方向的调整，再进行自动降落，从而实现有向的降落；降落过程中，采用匀速降落方法，以避免四旋翼飞行器降落过快导致过大的地面冲击。
与现有技术相比，本发明不仅可以解决上述问题还能够给四旋翼飞行器机头提供方向基准，使得四旋翼飞行器可以按照需要的方向进行精确降落。
附图说明
图1为本发明的一种基于色块地标的四旋翼飞行器自主跟踪降落***架构图；
图2为本发明设计的色块地标实例图；
图3为本发明的一种基于色块地标的四旋翼飞行器自主跟踪降落方法整体流程图；
图4为四旋翼飞行器跟随色块地标易出现目标丢失问题的演示图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，为本发明的一种基于色块地标的四旋翼飞行器自主跟踪降落***架构图。该***包括四旋翼飞行器机体、中央主控单元、色块地标、定位识别模块和跟随降落模块。其中，中央主控单元、定位识别模块和跟随降落模块都位于四旋翼飞行器机体上，色块地标设置于地面上，该***实现了对色块地标的识别与跟踪。
具体地，四旋翼飞行器机体包括不低于360mm轴距的机架、配有螺旋桨的无刷电机、电子调速器、锂电池动力***、激光高度测距模块和起落架。每个部分的具体模块的使用型号不限，大部分的开源四旋翼飞行器都包含这些部分。
具体地，中央主控单元以STM32为处理器芯片，包括其***工作电路、姿态传感器模块，其功能包括读取传感器等数据信息、保证姿态控制及相关操作。
具体地，色块地标是一个正方形的区域，该区域包括四块颜色不一的小正方形区域，同时要求色块地标的检测背景不能与该四种颜色相同。如图2所示，为本发明设计的色块地标实例图。以白色背景为例，该色块地标实例图中给出的左上方为红色色块地标，右上方为黄色色块地标，左下方为蓝色色块地标，右下方为绿色色块地标。通过判断每个色块地标的中心坐标，求得整个色块地标的中心目标点。由于这种色块地标有四种颜色的具体方位，能够使四旋翼飞行器据此判断自身与该色块地标的偏角，进而给四旋翼飞行器机头提供方向基准，满足四旋翼飞行器降落时对偏航角的控制需求。以图2的中心目标点为基准，降落过程中四种颜色的色块一直会在相机视野内，可以很好地解决上述问题。注意，图2中的坐标轴与中心目标点只是为了清晰地表述该色块地标的工作原理，实际地标中不应出现。由于色块地标实际中的尺寸与四旋翼飞行器高度相关，部分尺寸参考具体如表1所示。
表1
色块地标尺寸 飞行高度
200mm*200mm 30cm-100cm
500mm*500mm 100cm-200cm
1000mm*1000mm 200cm-500cm
具体地，定位识别模块是安装在四旋翼飞行器底部正中心的OpenMV摄像头模块，通过串口与中央主控单元相连，该模块通过识别四种色块地标在图像中的中心坐标位置来获得四旋翼飞行器的中心目标值。OpenMV摄像头可以快速准确地识别所需的色块并获得其中心坐标，从而方便地计算图2中所述的中心目标点。为了降低其保守性，初始时认为只识别到两种不同颜色的色块时也成功识别到了该色块地标。
具体地，跟随降落模块是位于中央主控单元中的控制器，其功能是采用PID算法跟随定位识别***获得的色块地标的中心目标值，当满足跟踪精度要求时先进行机头方向的调整，再进行自动降落，PID算法如下所示
Figure BDA0002903061110000041
其中，e(t)表示目标值与当前值的差值，kp表示比例增益，起到加快***响应速度和提高***调节精度的作用，ki表示积分增益，起到消除残差，调节稳态时间的作用，kd表示微分增益，起到改善***的动态性能，预测误差趋势并提前修正的作用。这些参数需要根据实际情况进行调整。特别地，进行跟随控制时，e(t)为定位识别***计算出的中心目标点与四旋翼飞行器自身位置的偏差；进行自动降落时，e(t)为期望降落速度与降落速度之差。与传统控制高度的方法不同，四旋翼飞行器降落时保持降落速度恒定，避免了四旋翼飞行器降落过快导致过大的地面冲击。
如图3所示，为本发明的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落方法整体流程图。该方法具体包括以下步骤：
步骤1、先将色块地标置于目标地点或者表面平坦的移动平台上，启动四旋翼飞行器达到合适的高度，在这个过程中需要保证色块地标在定位识别***的视野范围内；
步骤2、然后进行色块的检测与识别，采用PID算法跟随定位识别***获得的色块地标的中心目标点，
计算PID控制器输出u(t)，表达式如下：
Figure BDA0002903061110000051
其中，e(t)表示目标值与当前值的差值，kp、ki和kd表示控制参数，这些参数需要根据实际情况进行调整。特别地，进行跟随控制时，e(t)为定位识别***计算出的中心目标点与四旋翼飞行器自身位置的偏差，进行自动降落时，e(t)为期望降落速度与降落速度之差；
步骤3、当检测到的有效色块数大于等于2时，表示成功识别到了色块地标，将检测到的色块坐标取平均值作为目标点跟随；随着四旋翼飞行器与色块地标距离的缩短，定位识别***完整识别四种不同颜色的色块，进而获得其中心目标点；
当四旋翼飞行器飞行至色块地标的正上方且跟踪满足精度时，根据需求旋转四旋翼飞行器的偏航角，先进行机头方向的调整，再进行自动降落，从而实现有向的降落；降落过程中，采用匀速降落方法，避免了四旋翼飞行器降落过快导致过大的地面冲击。
在四旋翼飞行器跟随色块地标时，易出现的角度变化导致的定位识别***视野丢失色块地标的问题。如图4所示，为四旋翼飞行器跟随色块地标易出现目标丢失问题的演示图。可以看出，当四旋翼飞行器处于水平状态时，可以成功识别到色块地标。当计算出中心目标点之后，四旋翼飞行器需要进行自身姿态的改变来跟踪该色块地标，从而出现视野丢失的问题。针对这种问题，跟随降落***使用一种姿态解耦方法来解决，具体方包括以下步骤：
延迟判断，失去色块地标一秒后才认为丢失目标；
姿态补偿，检测到四旋翼飞行器角度改变导致的目标丢失时，对e(t)进行角度乘以系数的补偿；
确认丢失目标时，为避免突变，e(t)在一秒内缓慢降为零。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述具体实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，其特征在于，该***包括设置于四旋翼飞行器机体上的中央主控单元、定位识别模块和跟随降落模块，以及设置于地面上的色块地标，其中：所述定位识别模块用于获得四旋翼飞行器的中心目标值，其输出信号发送至中央主控单元；所述中央主控单元用于读取传感数据信息、保证四旋翼飞行器的姿态控制及操作，其输出信号发送至所述跟随降落模块；
所述跟随降落模块采用PID算法跟随定位识别***获得色块地标的中心目标值，用于实现当满足跟踪精度要求时先进行机头方向的调整，再进行自动降落。
2.如权利要求1所述的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，其特征在于，所述四旋翼飞行器机体包括不低于360mm轴距的机架、配有螺旋桨的无刷电机、电子调速器、锂电池动力***、激光高度测距模块和起落架。
3.如权利要求1所述的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，其特征在于，所述中央主控单元以STM32为处理器芯片，包括其***工作电路以及姿态传感器模块。
4.如权利要求1所述的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，其特征在于，所述色块地标是一个正方形的区域，进一步，该区域包括四块颜色不一的小正方形区域，同时要求色块地标的检测背景不能与该四种颜色相同。
5.如权利要求4所述的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，其特征在于，所述色块地标的尺寸设置与四旋翼飞行器的飞行高度相关，当飞行高度为30cm-100cm、100cm-200cm、200cm-500cm三种情形时，所述色块地标的尺寸分别对应的设定值为：200mm*200mm、500mm*500mm、1000mm*1000mm。
6.如权利要求1所述的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落***，其特征在于，所述定位识别***是安装在四旋翼飞行器底部正中心的OpenMV摄像头模块。
7.一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、先将色块地标置于目标地点或者表面平坦的移动平台上，启动四旋翼飞行器达到合适的高度，在这个过程中需要保证色块地标在定位识别***的视野范围内；
步骤2、然后进行色块的检测与识别，采用PID算法跟随定位识别***获得的色块地标的中心目标点，
计算PID控制器输出u(t)，表达式如下：
Figure FDA0002903061100000021
其中，e(t)表示目标值与当前值的差值，kp表示比例增益，ki表示积分增益，kd表示微分增益；
步骤3、当检测到的有效色块数大于等于2时，表示成功识别到了色块地标，将检测到的色块坐标取平均值作为目标点跟随；随着四旋翼飞行器与色块地标距离的缩短，定位识别***完整识别四种不同颜色的色块，进而获得其中心目标点；
当四旋翼飞行器飞行至色块地标的正上方且跟踪满足精度时，根据需求旋转四旋翼飞行器的偏航角，先进行机头方向的调整，再进行自动降落，从而实现有向的降落；降落过程中，采用匀速降落方法，以避免四旋翼飞行器降落过快导致过大的地面冲击。
8.如权利要求1所述的一种基于色块地标识别的四旋翼飞行器自主跟踪降落方法，其特征在于，当四旋翼飞行器跟随色块地标时出现的角度变化，从而导致的定位识别***视野丢失色块地标的情形下，还包括姿态解耦流程，该；流程具体处理如下：
进行延迟判断，即失去色块地标一秒后才认为丢失目标；
进行姿态补偿，即检测到四旋翼飞行器角度改变导致的目标丢失时，对e(t)进行角度乘以系数的补偿；
确认丢失目标时，为避免突变，e(t)在一秒内缓慢降为零。
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