CN113093772B - 一种无人机机库精确降落方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机机库精确降落方法。根据参考RTK数据飞至机库正上方,根据参考偏航角调整自身航向,下降至第一预设高度;向正下方俯视拍摄机库俯视图像,分析识别图像中是否具有降落图标:若无人机识别到降落图标,根据图像判断采用参考RTK数据或者机库俯视图像进行不同降落方式;若无人机没有识别到降落图标,则上升识别无人机机库,飞行至机库的中心点位置并启动降落,返回处理。本发明方法能够满足无人机在RTK信号缺失状况下精确降落到机库内的需求,解决单一数据通信不良带来的降落不精准存在偏差技术问题。
Description
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域的一种无人机降落控制方法,尤其涉及了一种无人机机库精确降落方法。
背景技术
近年来,由于无人机具有使用便利、运营成本低、飞行精度高、机动灵活等优点,在实际应用中有大量的需求。它广泛应用于军事,公安,农业,电力巡线,森林防火等方面,根据任务不同,搭载不同的任务载荷,可以根据规划完成各种各样的任务。
现有的无人机由于其续航距离和时间的限制,大大的降低了任务能力。为了提高续航能力,无人机机库的应用是一个较为简便的解决方案,在机库中,无人机可实现自主充电或者换电池,而为了实现充电、任务过程的全自动化,无人机机库的精准降落是不可或缺的一环。
无人机机库精确降落是利用RTK的引导技术来实现无人机的降落。若在无人机机库附近出现RTK通信不良,或者RTK信号丢失的状况,将会导致无人机的实际降落点与预定降落点出现较大偏差,从而导致无人机降落到机库外。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的是提供一种无人机机库精准降落方法,该方法能够满足无人机在缺失RTK信号或者GPS信号下精确降落到机库内的需求。
本发明将参考RTK数据和图像数据进行结合,利用参考RTK数据和图像数据结合进行无人机在无人机机库的实时精确降落控制,能够实现解决了单一数据进行处理下通信不良带来的降落不精准技术问题,同时图像信息能够直观的反映出无人机机库降落的具体情况,在无人机过于偏离机库时,便于人工介入。
本发明的技术方案为:
1)无人机根据无人机机库的参考RTK数据飞至无人机机库的正上方空域,根据无人机机库的参考偏航角调整无人机自身的航向;
2)下降至第一预设高度;
3)无人机在第一预设高度下向正下方俯视拍摄无人机机库的机库俯视图像,并经过机库俯视图像分析识别图像中是否具有降落图标:
若无人机识别到降落图标,则根据图像信息验证参考RTK数据是准确的,进行步骤4);
若无人机没有识别到降落图标,则根据图像信息验证参考RTK数据是不准确的,无人机飞行高度上升,并且重新拍摄机库俯视图像,根据机库俯视图像识别无人机机库,将无人机水平飞行至无人机机库的中心点位置并启动降落,无人机回到步骤2)处理;
4)无人机根据参考RTK数据执行降落步骤S1,否则无人机根据图像信息执行降落步骤S2。
所述的降落步骤S1具体为:
A1:无人机根据参考RTK数据,调整无人机的水平位置,将无人机飞行至参考RTK数据对应的地理水平位置处,并将此时无人机自身的RTK数据与参考RTK数据进行对比,将对比结果转换成无人机的位置相对于无人机机库的中心之间距离偏差;
A2:若步骤A1中距离偏差在误差允许范围内,则判定无人机水平位置调整正确,执行下一步,否则回到执行步骤A1;
A3:无人机开始下降,并在下降过程中继续执行步骤A2,直至无人机降落到无人机机库的停机坪上。
所述的降落步骤S2具体为:
B1:无人机根据拍摄的机库俯视图像计算出无人机的航向角相对于无人机机库的参考偏航角之间的航向角偏差以及水平位置偏差,根据航向角偏差调整无人机的航向角,根据水平位置偏差调整无人机的水平位置;
B2:无人机开始下降,并在下降过程中实时持续执行步骤B1;
B3:不断重复步骤B1~B2,直到无人机下降到第三预设高度,则无人机直接降落到无人机机库的停机坪上。
参考RTK数据是由无人机机库的gps数据经过到云端处理转换后的经纬度位置数据,参考偏航角为无人机机库降落时的下降朝向角。无人机下降时的朝向要和参考偏航角一致。
本发明具体实施中,第二预设高度均高于第一预设高度和第三预设高度,第一预设高度高于第三预设高度。
在所述3)的无人机飞行高度上升过程中,若无人机上升到第二预设高度时,经机库俯视图像分析识别图像中不具有降落图标,则无人机悬停,并发送降落报警信息给云端。用以后续进行人工介入手动操作。
所述的无人机机库的停机坪上具有特定的降落图标,降落图标中具有航向角标志物中心点和降落图标中心点。
所述B1中,调整无人机的航向角,具体包括:
X1:进行机库俯视图像处理,提取降落图标中的航向角标志物中心点以及降落图标中心点,并根据两中心点计算得到航向角偏差;
X2:根据航向角偏差调整无人机航向角;
X3:实时根据机库俯视图像重新计算航向角偏差;
X4:若步骤X3中的航向角偏差在误差允许范围内,则判断无人机航向角调整正确,否则重新回到X2根据航向角偏差调整无人机航向角。
所述B1中,调整无人机的水平位置,具体包括:
Y1:进行图像处理,提取降落图标的轮廓、降落图标中心点像素坐标和图像中心点像素坐标,得到降落图标的像素尺寸以及两中心点像素偏差,根据降落图标的真实尺寸,计算得出像素与距离的换算关系,将中心点像素偏差转换成中心点距离偏差;
Y2:将步骤Y1中的中心点距离偏差分解成X方向位置偏差x以及Y方向位置偏差y,采用模糊控制方法调整无人机水平位置,并根据图像重新计算中心点距离偏差;
Y3:若步骤Y3中的中心点距离偏差再误差允许范围内,则判定无人机的水平位置调整正确,否则重新调整无人机的水平位置。
方法包括两个模糊控制器:一个模糊控制器是将无人机水平X方向的位置偏差x及其变化率作为模糊控制器的输入,模糊控制器依据已设定的***变量和***模糊控制方式输出控制无人机运动的横滚角参数,发送给无人机的飞行控制***;另一个模糊控制器是将无人机水平Y方向的位置偏差y及其变化率作为模糊控制器的输入,模糊控制器依据已设定的***变量和***模糊控制方式输出控制无人机运动的俯仰角参数,发送给无人机的飞行控制***。
X方向和Y方向为水平面上的两个相互垂直的方向。
所述无人机是指旋翼无人机;
所述无人机在降落之前,云台俯仰角要调整至负九十度,云台偏航角要调整成跟随无人机航向。
由此本发明方法是先通过基于RTK定位技术的数据信息引导无人机运动至机库上方空域,根据偏航角数据调整无人机航向角,无人机下降到一定高度,然后进行视觉检测,识别机库停机坪上的降落图标,若识别到降落图标,再根据降落图标图像信息来判断RTK数据是否准确,若准确,则根据RTK数据进行降落,若不准确,则根据图像进行降落,若未识别到降落图标,则无人机飞行高度上升,识别尺寸较大的机库,无人机飞行至机库中心的正上方并启动降落,在降落过程中重新开启识别机库停机坪上的降落图标,依据图像实现精准的降落。
本发明由于采用以上技术方案,使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果:
现有的无人机机库降落方案是采用RTK技术来实现无人机机库精确降落,但是出现RTK通信不良,或者RTK信号丢失的状况,将会导致无人机的实际降落点与预定降落点出现较大偏差,从而导致无人机降落到机库外。
本发明实例提供的无人机机库精确降落方法在基于RTK定位技术的基础上,增加了停机坪降落图标的引导功能,当出现RTK通信不良,或者RTK信号丢失的状况,无人机能通过图像进行无人机机库精确降落。
具体而言,本发明实例中提供的无人机机库精确降落方法先根据RTK数据将无人机引导到机库上方空域,识别机库停机坪降落图标,若识别到降落图标,并且通过图像中降落图标位置验证到RTK数据准确,则直接通过RTK进行无人机机库精确降落,若未识别到降落图标,则无人机飞行高度上升,开始识别机库,然后飞至机库正上方并启动降落,在降落过程中重新识别降落图标以实现精确降落,若识别到降落图标,则根据图像中降落图标的参考偏航角调整无人机航向,根据图像中降落图标的位置偏差调整无人机水平位置,并进行降落,这样无论RTK信号是否丢失,无人机都能精准降落到机库停机坪上。
由此,本发明方法能够满足无人机在RTK信号缺失状况下精确降落到机库内的需求,解决单一RTK数据或图像数据通信不良带来的降落不精准存在偏差技术问题,同时图像信息能够直观的反映出无人机机库降落的具体情况,在无人机过于偏离机库时,便于人工介入。
附图说明
图1为本发明方法的流程图;
图2为无人机根据RTK数据执行降落步骤S1的流程图;
图3为无人机根据图像信息执行降落步骤S2的流程图;
图4为无人机机库停机坪上的降落图标;
图5为无人机根据降落图标调整无人机航向的流程图;
图6为无人机根据降落图标调整无人机水平位置的流程图;
图7为无人机水平位置模糊控制框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图,对本发明提出的一种无人机机库精确降落方法进一步详细说明。
本发明的实施例及其实施过程如下:
预先情况下,第一预设高度具体可设置为5m、7m等;第二预设高度可设置成10m或者更高。第三预设高度可设置为1.5m、2m等。无人机云台俯仰角调整至负九十度,云台偏航角调整成跟随无人机航向,此时相机竖直向下,并且相机航向与无人机航向一致。
如图4所示,无人机机库停机坪上的降落图标为边长1.2m的黑色正方形,其中包含了一个直径1m的白色圆环以及边长10cm的等边三角形。
如图1所示,按照以下过程处理:
1)无人机根据无人机机库的参考RTK数据飞至无人机机库的正上方空域,根据无人机机库的参考偏航角调整无人机自身的航向;
2)下降至第一预设高度;
3)无人机在第一预设高度下向正下方俯视拍摄无人机机库的机库俯视图像,并经过机库俯视图像分析识别图像中是否具有降落图标:
若无人机识别到降落图标,则根据图像信息验证参考RTK数据是准确的,进行步骤4);
若无人机没有识别到降落图标,则根据图像信息验证参考RTK数据是不准确的,无人机飞行高度上升,并且重新拍摄机库俯视图像,根据机库俯视图像识别无人机机库,将无人机水平飞行至无人机机库的中心点位置并启动降落,无人机回到步骤2)处理;
4)无人机根据参考RTK数据执行降落步骤S1,否则无人机根据图像信息执行降落步骤S2。
如图2所示,无人机根据RTK数据执行降落步骤S1具体为:
A1:无人机根据参考RTK数据,调整无人机的水平位置,将无人机飞行至参考RTK数据处,并将此时无人机自身的RTK数据与参考RTK数据进行对比,将对比结果转换成无人机的位置相对于无人机机库的中心之间距离偏差;
A2:若步骤A1中距离偏差在误差允许范围内,则判定无人机水平位置调整正确,执行下一步,否则执行步骤A1;
A3:无人机开始下降,并在下降过程中继续执行步骤A2,直至无人机降落到无人机机库的停机坪上。
如图3所示,无人机根据图像信息执行降落步骤S2具体为:
B1:无人机根据拍摄的机库俯视图像计算出无人机的航向角相对于无人机机库的参考偏航角之间的航向角偏差以及水平位置偏差,根据航向角偏差调整无人机的航向角,根据水平位置偏差调整无人机的水平位置;
B2:无人机开始下降,并在下降过程中实时持续执行步骤B1;
B3:不断重复步骤B1~B2,直到无人机下降到第三预设高度,则无人机直接降落到无人机机库的停机坪上;第三预设高度可设置为1.5m、2m等。
如图5所示,无人机根据降落图标调整无人机航向的步骤具体为;
X1:进行机库俯视图像处理,提取降落图标中的航向角标志物中心点以及降落图标中心点,并根据两中心点计算得到航向角偏差;
X2:根据航向角偏差调整无人机航向角;
X3:实时根据机库俯视图像重新计算航向角偏差;
X4:若步骤X3中的航向角偏差在误差允许范围内,则判断无人机航向角调整正确,否则重新回到X2根据航向角偏差调整无人机航向角。
如图6所示,无人机根据降落图标调整无人机水平位置的步骤具体为:
Y1:进行图像处理,提取图像中心点坐标,通过霍夫圆检测检测出降落图标的白色圆环半径以及中心点坐标,根据两中心点坐标计算出两中心点像素偏差,根据降落图标中圆环的实际半径以及检测得到圆环的像素半径,计算出像素与距离的换算关系,最终根据换算关系将两中心点像素偏差换算成两中心点对应的距离偏差;
Y2:将步骤Y1中的中心点距离偏差分解成X方向位置偏差x以及Y方向位置偏差y,采用模糊控制方法调整无人机水平位置,并根据图像重新计算中心点距离偏差;
Y3:若步骤Y3中的中心点距离偏差再误差允许范围内,则判定无人机的水平位置调整正确,否则重新调整无人机的水平位置。
如图7所示,无人机水平位置控制步骤为:将水平位置偏差以及偏差变换率作为水平位置模糊控制器的输入,输入到水平位置模糊控制器中,依据已设定的***变量和***模糊方式,由水平位置模糊控制器输出控制无人机水平运动的姿态期望,发送给无人机的飞行控制***,控制无人机的水平位置。
第一套模糊控制器:输入为X方向位置偏差x和其变化率,语言变量分别为第一语言变量E和第二语言变量EC,输出为横滚角角度参数。输入以X方向为正,输出以使无人机向右滚动的横滚角参数为正。选取“负大(NB)”、“负中(NM)”、“负小(NS)”、“零(Z)”、“正小(PS)”、“正中(PM)”、“正大(PB)”描述***变量,得到***子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},变量的隶属函数选取为三角形隶属函数。该模糊器的模糊控制方式如下表所示:
表1关于横滚角的模糊控制方式
第二套模糊控制器:输入为Y方向位置偏差y和其变化率,语言变量分别为第一语言变量E和第二语言变量EC,输出为俯仰角角度参数。输入以Y方向为正,输出以使无人机向后的俯仰角参数为正。选取“负大(NB)”、“负中(NM)”、“负小(NS)”、“零(Z)”、“正小(PS)”、“正中(PM)”、“正大(PB)”描述***变量,得到***子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},变量的隶属函数选取为三角形隶属函数。该模糊器的模糊控制方式如下表所示:
表2关于俯仰角的模糊控制方式
现有的无人机机库降落方案是采用RTK技术来实现无人机机库精确降落,但是出现RTK通信不良,或者RTK信号丢失的状况,将会导致无人机的实际降落点与预定降落点出现较大偏差,从而导致无人机降落到机库外。
本发明实例提供的无人机机库精确降落方法在基于RTK定位技术的基础上,增加了停机坪降落图标的引导功能,当出现RTK通信不良,或者RTK信号丢失的状况,无人机能通过图像进行无人机机库精确降落。具体而言,本发明实例中提供的无人机机库精确降落方法先根据RTK数据将无人机引导到机库上方空域,识别机库停机坪降落图标,若识别到降落图标,并且通过图像中降落图标位置验证到RTK数据准确,则直接通过RTK进行无人机机库精确降落,若未识别到降落图标,则无人机飞行高度上升,开始识别机库,然后飞至机库正上方并启动降落,在降落过程中重新识别降落图标以实现精确降落,若识别到降落图标,则根据图像中降落图标的参考偏航角调整无人机航向,根据图像中降落图标的位置偏差调整无人机水平位置,并进行降落,这样无论RTK信号是否丢失,无人机都能精准降落到机库停机坪上。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化,倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种无人机机库精确降落方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)无人机根据无人机机库的参考RTK数据飞至无人机机库的正上方空域,根据无人机机库的参考偏航角调整无人机自身的航向;
2)下降至第一预设高度;
3)无人机在第一预设高度下向正下方俯视拍摄无人机机库的机库俯视图像,并经过机库俯视图像分析识别图像中是否具有降落图标:
若无人机识别到降落图标,则进行步骤4);
若无人机没有识别到降落图标,则无人机飞行高度上升,并且重新拍摄机库俯视图像,根据机库俯视图像识别无人机机库,将无人机水平飞行至无人机机库的中心点位置并启动降落,无人机回到步骤2)处理;
4)根据降落图标图像信息验证参考RTK数据是否是准确的:若是准确的,则无人机根据参考RTK数据执行降落步骤S1,否则无人机根据图像信息执行降落步骤S2;
所述的降落步骤S1具体为:
A1:无人机根据参考RTK数据,调整无人机的水平位置,将无人机飞行至参考RTK数据对应的地理水平位置处,并将此时无人机自身的RTK数据与参考RTK数据进行对比,将对比结果转换成距离偏差;
A2:若步骤A1中距离偏差在误差允许范围内,则判定无人机水平位置调整正确,执行下一步,否则回到执行步骤A1;
A3:无人机开始下降,并在下降过程中继续执行步骤A2,直至无人机降落到无人机机库的停机坪上;
所述的降落步骤S2具体为:
B1:无人机根据拍摄的机库俯视图像计算出无人机的航向角偏差以及水平位置偏差,根据航向角偏差调整无人机的航向角,根据水平位置偏差调整无人机的水平位置;
B2:无人机开始下降,并在下降过程中实时持续执行步骤B1;
B3:不断重复步骤B1~B2,直到无人机下降到第三预设高度,则无人机直接降落到无人机机库的停机坪上。
2.根据权利要求1所述的一种无人机机库精确降落方法,其特征在于:
在所述3)的无人机飞行高度上升过程中,若无人机上升到第二预设高度时,经机库俯视图像分析识别图像中不具有降落图标,则无人机悬停,并发送降落报警信息给云端。
3.根据权利要求1所述的一种无人机机库精确降落方法,其特征在于:
所述B1中,调整无人机的航向角,具体包括:
X1:进行机库俯视图像处理,提取降落图标中的航向角标志物中心点以及降落图标中心点,并根据两中心点计算得到航向角偏差;
X2:根据航向角偏差调整无人机航向角;
X3:实时根据机库俯视图像重新计算航向角偏差;
X4:若步骤X3中的航向角偏差在误差允许范围内,则判断无人机航向角调整正确,否则重新回到X2根据航向角偏差调整无人机航向角。
4.根据权利要求1所述的一种无人机机库精确降落方法,其特征在于:
所述B1中,调整无人机的水平位置,具体包括:
Y1:进行图像处理,提取降落图标的轮廓、降落图标中心点像素坐标和图像中心点像素坐标,得到降落图标的像素尺寸以及两中心点像素偏差,根据降落图标的真实尺寸,计算得出像素与距离的换算关系,将中心点像素偏差转换成中心点距离偏差;
Y2:将步骤Y1中的中心点距离偏差分解成X方向位置偏差x以及Y方向位置偏差y,采用模糊控制方法调整无人机水平位置,并根据图像重新计算中心点距离偏差;
Y3:若步骤Y3中的中心点距离偏差再误差允许范围内,则判定无人机的水平位置调整正确,否则重新调整无人机的水平位置。
5.根据权利要求1所述的一种无人机机库精确降落方法,其特征在于:
包括两个模糊控制器:一个模糊控制器是将无人机水平X方向的位置偏差x及其变化率作为模糊控制器的输入,模糊控制器依据已设定的***变量和***模糊控制方式输出控制无人机运动的横滚角参数,发送给无人机的飞行控制***;另一个模糊控制器是将无人机水平Y方向的位置偏差y及其变化率作为模糊控制器的输入,模糊控制器依据已设定的***变量和***模糊控制方式输出控制无人机运动的俯仰角参数,发送给无人机的飞行控制***。
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- 2021-04-13 CN CN202110397169.5A patent/CN113093772B/zh active Active
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