CN114030631A - 一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站 - Google Patents

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黄心成
洪琼
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Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，包括工作站，所述工作站包含有支架，所述支架的周边加固有斜撑结构，所述支架上设有多旋翼无人机降落平台，所述多旋翼无人机降落平台上搭载有起降固定充电装置，所述多旋翼无人机降落平台上停放有多旋翼无人机，所述支架的下方设有海气界面观测站，所述支架通过机械结构固定在海气界面观测站上，所述起降固定充电装置的上端面设置了视觉定位标识。本发明对多旋翼无人机的降落方法执行耗费时间较短且停泊的稳定性和安全性较高。

Description

一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站
技术领域
本发明涉及多旋翼无人机技术领域，尤其涉及一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站。
背景技术
由于无人飞行器诸多的优势和广泛的应用前景，特别是四旋翼多旋翼无人机因其结构简单、体积小、可垂直起降等特点，不仅在军事上起着重要作用，而且在民用领域也得到大力发展，在多旋翼无人机的应用中最具挑战的任务之一是多旋翼无人机的自主着陆，传统的多旋翼无人机自主着陆方法主要有惯性导航、GPS导航和INS/GPS组合导航等方式，惯性导航需进行积分运算，随着运行时间的增加，其累积误差越来越大，民用GPS精度有限且高精度GPS成本较高，因此，传统导航方法很难实现多旋翼无人机的精确降落，随着计算机视觉(CV)的发展，利用图像信息实现多旋翼无人机的控制与姿态估计受到国内外学者的广泛关注，但目前多旋翼无人机的降落方法执行需耗费较多时间，不能较好的满足实时性要求。本发明针对着陆环境相对简单的场合，设计易于识别的地面标志，并基于此提出一种基于视觉的标志识别算法，利用标志质心与图像中心的位置关系，确定多旋翼无人机位置参数，根据航向参考线计算多旋翼无人机偏航角。从而实现多旋翼无人机停泊接驳与自动充电。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中多旋翼无人机降落方法执行需要耗费较多时间的问题，而提出的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，包括工作站，所述工作站包含有支架，所述支架的周边加固有斜撑结构，所述支架上设有多旋翼无人机降落平台，所述多旋翼无人机降落平台上搭载有起降固定充电装置，所述多旋翼无人机降落平台上停放有多旋翼无人机，所述支架的下方设有海气界面观测站，所述支架通过机械结构固定在海气界面观测站上，所述起降固定充电装置的上端面设置了视觉定位标识。
优选的，所述海气界面观测站上配备有多块太阳能板，多块所述太阳能板呈均匀分布在海气界面观测站周侧。
优选的，所述视觉定位标识以白色为背景，由一个半径为L的黑色外圆和一个半径比为R/r＝2的白色圆环组成，中心位置由黑色半圆和白色半圆构成并形成一条分界线。
优选的，所述数据回收与自动充电工作站的工作方法如下：
S：多旋翼无人机响应工作站发送的定位信号；
S：多旋翼无人机根据所述定位信号追踪工作站位置；
S：在追踪工作站位置过程中，若检测到所述工作站出现在视野范围，暂停接收定位信号；
S：多旋翼无人机运动至所述工作站的降落空域，并根据所述工作站的运行状态实时调整多旋翼无人机姿态以与所述工作站保持相对静止；
S：检测工作站上设置的视觉定位标识，根据所述视觉定位标识确定多旋翼无人机所在高度；
S：控制多旋翼无人机以与所在高度对应的速度下降。
优选的，所述多旋翼无人机在降落时，主要分为距视觉定位标识较远的第一阶段和距视觉定位标识较近的第二阶段，第一阶段通过对黑色外圆边长、面积等几何特征的检测，实现多旋翼无人机快速下降和接近视觉定位标识；第二阶段根据标志内部的白色同心圆对多旋翼无人机的位置参数进行估计，并利用中心航向参考线实现多旋翼无人机偏航角的解算，最终使多旋翼无人机按预设方向降落到带有视觉定位标识的多旋翼无人机降落平台实施停泊与自主充电。
优选的，根据人工操作多旋翼无人机从不同高度和角度运动到工作站的降落空域的操作数据，建立并训练多旋翼无人机运动模型；采用所述多旋翼无人机运动模型控制多旋翼无人机自主运动。
优选的，根据所述视觉定位标识确定多旋翼无人机所在高度，黑色外圆用于多旋翼无人机自主降落第一阶段确定视觉定位标识的位置偏差，此时多旋翼无人机的机载摄像机可以捕获到整个视觉定位标识，随着多旋翼无人机高度的下降，机载摄像机不能完整地捕获到黑色外圆，此时进入多旋翼无人机自主降落第二阶段，利用内部白色圆环确定多旋翼无人机与视觉定位标识的位置偏差，同时利用航向参考线计算多旋翼无人机偏航角，从而实现多旋翼无人机的分段自主降落。
优选的，还包括：采用多旋翼无人机的机载摄像机摄像头获取所述视觉定位标识的原始图像；对所述摄像头获取的原始图像进行图像处理，提取所述视觉定位标识中各层视觉定位标识的特征；调整多旋翼无人机的位置，使各层视觉定位标识处于所述摄像头视野的中心。
优选的，第一阶段通过对黑色圆形半径、面积等几何特征的检测，实现多旋翼无人机快速下降和接近降落标志；第二阶段根据标志内部的白色同心圆对多旋翼无人机的位置参数进行估计，并利用中心航向参考线实现多旋翼无人机偏航角的解算，最终使多旋翼无人机按预设方向降落到带有降落标志的起落平台。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，标志含多旋翼无人机自主降落所需的信息，保证可以有效识别出降落标志并解算出多旋翼无人机的相对位置；
第二，标志不复杂，无需进行复杂的模式识别和学习，即可保证识别算法的实时性；
第三，标志容易识别，易于区别其他地面轮廓，不会出现误识别而发生不可预测的错误。
设计的多旋翼无人机停泊接驳平台配置无线感应式自动充电桩，自动充电桩设计为圆柱形结构，同时给多旋翼无人机提供停泊接驳自动归心限位自锁功能,保障多旋翼无人机停泊的稳定性和安全性。
本发明对多旋翼无人机的降落方法执行耗费时间较短且停泊的稳定性和安全性较高。
附图说明
图1为本发明提出的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站的结构示意图；
图2为本发明提出的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站中起降固定充电装置的结构立体图；
图3为本发明提出的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站中多旋翼无人机降落时视觉定位标识的检测与识别流程图。
图中：1支架、2斜撑结构、3多旋翼无人机降落平台、4起降固定充电装置、5多旋翼无人机、6海气界面观测站、7视觉定位标识、8太阳能板。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1-3，一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，包括工作站，工作站包含有支架1，支架1的周边加固有斜撑结构2，支架1上设有多旋翼无人机降落平台3，多旋翼无人机降落平台3上搭载有起降固定充电装置4，多旋翼无人机降落平台3上停放有多旋翼无人机5，支架1的下方设有海气界面观测站6，需要说明的是，海气界面观测站6上配备有多块太阳能板8，多块太阳能板8呈均匀分布在海气界面观测站6周侧，支架1通过机械结构固定在海气界面观测站6上，起降固定充电装置4的上端面设置了视觉定位标识7，需要说明的是，视觉定位标识7以白色为背景，由一个半径为L的黑色外圆和一个半径比为R/r＝2的白色圆环组成，中心位置由黑色半圆和白色半圆构成并形成一条分界线，值得一提的是，视觉定位标识7尺寸为L＝30cm，R＝3cm，r＝1.5cm。
本发明中，所述数据回收与自动充电工作站的工作方法如下：
S1：多旋翼无人机5响应工作站发送的定位信号；
S2：多旋翼无人机5根据定位信号追踪工作站位置；
S3：在追踪工作站位置过程中，若检测到工作站出现在视野范围，暂停接收定位信号；
S4：多旋翼无人机5运动至工作站的降落空域，并根据工作站的运行状态实时调整多旋翼无人机5姿态以与工作站保持相对静止；
S5：检测工作站上设置的视觉定位标识7，根据视觉定位标识7确定多旋翼无人机5所在高度；
S6：控制多旋翼无人机5以与所在高度对应的速度下降。
本发明中，视觉定位标识7以白色为背景，由一个半径为L的黑色外圆和一个半径比为R/r＝2的白色圆环组成，中心位置由黑色半圆和白色半圆构成并形成一条分界线，需要说明的是，多旋翼无人机5在降落时，主要分为距视觉定位标识7较远的第一阶段和距视觉定位标识7较近的第二阶段，第一阶段通过对黑色外圆边长、面积等几何特征的检测，实现多旋翼无人机5快速下降和接近视觉定位标识7；第二阶段根据标志内部的白色同心圆对多旋翼无人机5的位置参数进行估计，并利用中心航向参考线实现多旋翼无人机5偏航角的解算，最终使多旋翼无人机5按预设方向降落到带有视觉定位标识7的多旋翼无人机降落平台3实施停泊与自主充电，之得提的是，根据人工操作多旋翼无人机5从不同高度和角度运动到工作站的降落空域的操作数据。
本发明中，建立并训练多旋翼无人机运动模型；采用多旋翼无人机运动模型控制多旋翼无人机5自主运动，需要注意的是，根据视觉定位标识7确定多旋翼无人机5所在高度，黑色外圆用于多旋翼无人机5自主降落第一阶段确定视觉定位标识7的位置偏差，此时多旋翼无人机5的机载摄像机可以捕获到整个视觉定位标识7，随着多旋翼无人机5高度的下降，机载摄像机不能完整地捕获到黑色外圆，此时进入多旋翼无人机5自主降落第二阶段，利用内部白色圆环确定多旋翼无人机5与视觉定位标识7的位置偏差，同时利用航向参考线计算多旋翼无人机5偏航角，从而实现多旋翼无人机5的分段自主降落。
本发明中还包括：采用多旋翼无人机5的机载摄像机摄像头获取视觉定位标识7的原始图像；对摄像头获取的原始图像进行图像处理，提取视觉定位标识7中各层视觉定位标识的特征；调整多旋翼无人机5的位置，使各层视觉定位标识处于摄像头视野的中心。
本发明中，多旋翼无人机5进行停泊时对降落标志检测与识别流程如下：
(1)图像捕获与预处理
首先，将机载摄像头捕获到的RGB彩色图像转为灰度图像；其次，为了提高轮廓检测的准确性，将得到的灰度图像进行阈值化处理，根据降落标志的白色背景和黑色图标之间的高对比度，可以将图像的平均灰度值作为阈值，考虑到图像阈值化过程可能会引入噪声，并且中值滤波器不仅可以去除脉冲噪声和椒盐噪声，同时又能保留图像的边缘信息，因此本发明采用中值滤波对阈值分割后的图像做进一步的降噪处理；
(2)外圆检测
降落标志的检测根据无人机的飞行高度分为两个阶段，第一阶段检测黑色外圆的轮廓并根据其面积—周长比判定是否为降落标志，为无人机提供位置参数；第二阶段利用Hough圆变换检测黑色正三角形内部的白色同心圆并根据其半径比判定是否为降落标志，同时检测中心航向参考线的两个端点，解算出无人机的位置参数和偏航角；
(3)圆环检测
第二阶段降落标志检测主要分为同心圆检测、同心圆判定以及航向参考线检测三个步骤：
①同心圆检测
采用Hough圆变换对无人机降落标志中的圆形进行检测，并根据所检测到圆形的圆心间距离识别出降落标志中的同心圆环。但Hough变换无法直接检测同心圆，因此，本文通过对Hough圆变换的半径参数加以限制，经多次检测得到所有圆形；
②同心圆判定
经相似圆合并后，可以从所有候选圆形中得到两个近似为同心圆的圆形，分别代表降落标志中白色同心圆环的外圆和内圆，为了避免因其他干扰因素的影响出现非同心圆的情况，我们对相似圆合并后得到的两个圆形作进一步的判定。利用无人机降落标志中的白色同心圆环半径比为2的特点，通过判定两个圆的圆心间的欧氏距离及其半径比值，可以确定两个圆形是否为目标同心圆环；
③航向参考线检测
经上述同心圆检测及判定后，可以得到无人机自主降落第二阶段所需的同心圆标志，从而可以解算出无人机的位置参数，但不能获得无人机的偏航角，这就限制了无人机降落后进一步的固定保护、充电续航和移动动载等功能的开发。因此，本文以降落标志中心的黑白分界线作为航向参考线，对无人机的偏航角进行估计。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，包括工作站，其特征在于，所述工作站包含有支架(1)，所述支架(1)的周边加固有斜撑结构(2)，所述支架(1)上设有多旋翼无人机降落平台(3)，所述多旋翼无人机降落平台(3)上搭载有起降固定充电装置(4)，所述多旋翼无人机降落平台(3)上停放有多旋翼无人机(5)，所述支架(1)的下方设有海气界面观测站(6)，所述支架(1)通过机械结构固定在海气界面观测站(6)上，所述起降固定充电装置(4)的上端面设置了视觉定位标识(7)。
2.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，所述海气界面观测站(6)上配备有多块太阳能板(8)，多块所述太阳能板(8)呈均匀分布在海气界面观测站(6)周侧。
3.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，所述视觉定位标识(7)以白色为背景，由一个半径为L的黑色外圆和一个半径比为R/r＝2的白色圆环组成，中心位置由黑色半圆和白色半圆构成并形成一条分界线。
4.根据权利要求3所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，所述数据回收与自动充电工作站的工作方法如下：
S1：多旋翼无人机(5)响应工作站发送的定位信号；
S2：多旋翼无人机(5)根据所述定位信号追踪工作站位置；
S3：在追踪工作站位置过程中，若检测到所述工作站出现在视野范围，暂停接收定位信号；
S4：多旋翼无人机(5)运动至所述工作站的降落空域，并根据所述工作站的运行状态实时调整多旋翼无人机(5)姿态以与所述工作站保持相对静止；
S5：检测工作站上设置的视觉定位标识(7)，根据所述视觉定位标识(7)确定多旋翼无人机(5)所在高度；
S6：控制多旋翼无人机(5)以与所在高度对应的速度下降。
5.根据权利要求4所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，所述多旋翼无人机(5)在降落时，主要分为距视觉定位标识(7)较远的第一阶段和距视觉定位标识(7)较近的第二阶段，第一阶段通过对黑色外圆边长、面积等几何特征的检测，实现多旋翼无人机(5)快速下降和接近视觉定位标识(7)；第二阶段根据标志内部的白色同心圆对多旋翼无人机(5)的位置参数进行估计，并利用中心航向参考线实现多旋翼无人机(5)偏航角的解算，最终使多旋翼无人机(5)按预设方向降落到带有视觉定位标识(7)的多旋翼无人机降落平台(3)实施停泊与自主充电。
6.根据权利要求4所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，根据人工操作多旋翼无人机(5)从不同高度和角度运动到工作站的降落空域的操作数据，建立并训练多旋翼无人机运动模型；采用所述多旋翼无人机运动模型控制多旋翼无人机(5)自主运动。
7.根据权利要求4所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，根据所述视觉定位标识(7)确定多旋翼无人机(5)所在高度，黑色外圆用于多旋翼无人机(5)自主降落第一阶段确定视觉定位标识(7)的位置偏差，此时多旋翼无人机(5)的机载摄像机可以捕获到整个视觉定位标识(7)，随着多旋翼无人机(5)高度的下降，机载摄像机不能完整地捕获到黑色外圆，此时进入多旋翼无人机(5)自主降落第二阶段，利用内部白色圆环确定多旋翼无人机(5)与视觉定位标识(7)的位置偏差，同时利用航向参考线计算多旋翼无人机(5)偏航角，从而实现多旋翼无人机(5)的分段自主降落。
8.根据权利要求6所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，还包括：采用多旋翼无人机(5)的机载摄像机摄像头获取所述视觉定位标识(7)的原始图像；对所述摄像头获取的原始图像进行图像处理，提取所述视觉定位标识(7)中各层视觉定位标识的特征；调整多旋翼无人机(5)的位置，使各层视觉定位标识处于所述摄像头视野的中心。
9.根据权利要求5所述的一种多旋翼无人机海上接驳数据回收与自动充电工作站，其特征在于，第一阶段通过对黑色圆形半径、面积等几何特征的检测，实现多旋翼无人机(5)快速下降和接近降落标志；第二阶段根据标志内部的白色同心圆对多旋翼无人机(5)的位置参数进行估计，并利用中心航向参考线实现多旋翼无人机(5)偏航角的解算，最终使多旋翼无人机(5)按预设方向降落到带有降落标志的起落平台。
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