本發(fā)明涉及無人機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于合作目標(biāo)和單目視覺的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)及定位方法。

背景技術(shù)：

無人機(jī)即無人駕駛飛行器，無人機(jī)采用衛(wèi)星定位、遙感、地理空間、航空航天、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)輔助分析等高新技術(shù)，可服務(wù)于國土、測繪、林業(yè)、交通、水利及軍事等多個(gè)領(lǐng)域。

無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。目前，無人機(jī)使用的導(dǎo)航技術(shù)主要有慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、地形輔助和地磁導(dǎo)航。在實(shí)際應(yīng)用中，有必要根據(jù)無人機(jī)的飛行環(huán)境、任務(wù)要求以及導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用范圍和使用條件，選擇適合的導(dǎo)航系統(tǒng)。

近年來，無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的研究有了很大的進(jìn)展，但大多數(shù)導(dǎo)航技術(shù)僅適用于戶外空間，不能應(yīng)用于室內(nèi)未知環(huán)境導(dǎo)航。室內(nèi)導(dǎo)航環(huán)境未知且復(fù)雜。無人機(jī)不知道室內(nèi)環(huán)境的大小、障礙物的形狀和分布及有沒有人為的參照物，并且室內(nèi)環(huán)境中障礙物隨意擺放或互相遮擋，室內(nèi)光線隨無人機(jī)角度的變化而變化等。如今，國家對無人機(jī)室內(nèi)導(dǎo)航控制進(jìn)行了一些研究，但尚未形成統(tǒng)一的理論體系，還有一些重要的理論和技術(shù)有待于解決。這些問題主要有環(huán)境建模、無人機(jī)定位、無人機(jī)導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種基于合作目標(biāo)和單目視覺的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：

一種基于合作目標(biāo)和單目視覺的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括設(shè)置在室內(nèi)的多個(gè)其上設(shè)置有編碼信息的標(biāo)識(shí)物，單目視覺系統(tǒng)模塊，傳感模塊以及飛行控制系統(tǒng)，

所述單目視覺系統(tǒng)模塊包括單目攝像頭和視覺信息處理單元，所述單目攝像頭用以獲取飛行時(shí)的標(biāo)識(shí)物信息，所述視覺信息處理單元用以完成視頻數(shù)據(jù)的采集和信息處理，并將處理結(jié)果傳輸給飛行控制系統(tǒng)；

所述的傳感模塊包括陀螺儀、加速度計(jì)和相對高度測量模塊；

所述的飛行控制系統(tǒng)包括基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊，所述的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊接收所述的處理結(jié)果以及來自傳感模塊的飛行狀態(tài)信息并融合處理以生成飛行指令。

基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊的輸出端與飛行控制器的輸入端相連，飛行控制器的輸出端與數(shù)據(jù)傳輸模塊的輸入端相連。

所述的相對高度測量模塊為激光測距模塊。

所述的標(biāo)識(shí)物為塊狀、板狀或片狀，所述的編碼信息具有區(qū)分度。

還包括與數(shù)據(jù)傳輸模塊通訊連接的飛行狀態(tài)指示模塊以及遙控器。

一種所述的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟，

1)單目攝像頭獲取含有標(biāo)識(shí)物的視頻流并傳輸給視覺信息處理單元，視覺處理單元模塊提取視野內(nèi)獲取的標(biāo)識(shí)物的編碼信息的特征信息，

2)通過所述的特征信息獲取與該標(biāo)識(shí)物的對應(yīng)編碼及其在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，

3)結(jié)合標(biāo)識(shí)物的坐標(biāo)、角點(diǎn)特征及單目攝像機(jī)參數(shù)計(jì)算攝像機(jī)相對于該標(biāo)識(shí)物的相對位姿，繼而得到無人機(jī)在室內(nèi)世界坐標(biāo)系下的位姿數(shù)據(jù)及室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)；

4)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊接收來所述的位姿數(shù)據(jù)、室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)和來自傳感模塊的飛行狀態(tài)信息并進(jìn)行融合處理，根據(jù)既定的飛行軌跡生成飛行指令。

飛行指令經(jīng)飛行控制器、數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至無人機(jī)動(dòng)力模塊，所述的飛行控制器基于μc/os-ⅱ系統(tǒng)。

還包括遙控步驟，所述的遙控模塊的遙控指令經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至無人機(jī)動(dòng)力模塊并輸入傳感器數(shù)據(jù)融合模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過具有編碼信息的標(biāo)識(shí)物作為引導(dǎo)，僅需要一個(gè)標(biāo)識(shí)物作為合作目標(biāo)即可進(jìn)行識(shí)別即可獲取無人機(jī)相對標(biāo)識(shí)物的相對位姿，而且所述的標(biāo)識(shí)物因?yàn)榫哂芯幋a信息，容易與環(huán)境區(qū)分，同時(shí)，因其具有編碼特征，因此適合于批量制作，而無需將大量精力放于如何設(shè)計(jì)出與環(huán)境具有區(qū)分且標(biāo)識(shí)之間具有區(qū)分的標(biāo)識(shí)。而且標(biāo)識(shí)本身具有編碼信息，而非指將合作標(biāo)識(shí)在室內(nèi)地面設(shè)置后，再對多個(gè)標(biāo)識(shí)進(jìn)行編碼，這樣在編碼信息讀取后能快捷通過信息匹配獲知該標(biāo)識(shí)物的具體坐標(biāo)，提高計(jì)算速度。利用具有編碼信息的標(biāo)識(shí)物能有效提高在環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度定位或者與環(huán)境進(jìn)行交互。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的基于合作目標(biāo)和單目視覺的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明所述的基于合作目標(biāo)和單目視覺的室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算。

圖3為本發(fā)明所述的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖所示，本發(fā)明的一種基于合作目標(biāo)和單目視覺的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括設(shè)置在室內(nèi)地面上或某一立面上的多個(gè)其上設(shè)置有編碼信息的標(biāo)識(shí)物，單目視覺系統(tǒng)模塊，傳感模塊以及飛行控制系統(tǒng)，

所述單目視覺系統(tǒng)模塊包括單目攝像頭和視覺信息處理單元，所述單目攝像頭用以獲取飛行時(shí)的標(biāo)識(shí)物信息并將視頻流通過can數(shù)據(jù)總線輸送給所述的視覺信息處理單元，所述視覺信息處理單元包括一個(gè)含有cpu及gpu雙處理核心的處理系統(tǒng)，用以完成視頻數(shù)據(jù)的采集和信息處理，并將處理結(jié)果傳輸給飛行控制系統(tǒng)；其中，所述的單目攝像頭為機(jī)載，所述的視覺信息處理單元為具有雙核處理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算，有效提高計(jì)算速度，

所述的傳感模塊包括陀螺儀、加速度計(jì)和相對高度測量模塊；同時(shí)，還包括磁強(qiáng)計(jì)、氣壓計(jì)等常規(guī)的傳感器，多傳感器設(shè)置，檢測種類多，進(jìn)一步提升控制的平穩(wěn)性；所述的相對高度測量模塊為激光測距模塊；

所述的飛行控制系統(tǒng)包括基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊，所述的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊接收所述的處理結(jié)果以及來自傳感模塊的飛行狀態(tài)信息并融合處理以生成飛行指令。

擴(kuò)展卡爾曼濾波器為軟件算法，基于該算法進(jìn)行傳感器融合的關(guān)鍵在于系統(tǒng)模型的建立，以及對單目視覺對多標(biāo)識(shí)之間識(shí)別切換的處理，保證無人機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)標(biāo)識(shí)切換時(shí)的平滑過渡以及穩(wěn)定飛行。

本發(fā)明通過具有編碼信息的標(biāo)識(shí)物作為引導(dǎo)，僅需要一個(gè)標(biāo)識(shí)物作為合作目標(biāo)即可進(jìn)行識(shí)別即可獲取無人機(jī)相對標(biāo)識(shí)物的相對位姿，而且所述的標(biāo)識(shí)物因?yàn)榫哂芯幋a信息，容易與環(huán)境區(qū)分，同時(shí)，因其具有編碼特征，因此適合于批量制作，而無需將大量精力放于如何設(shè)計(jì)出與環(huán)境具有區(qū)分且標(biāo)識(shí)之間具有區(qū)分的標(biāo)識(shí)。而且標(biāo)識(shí)本身具有編碼信息，而非指將合作標(biāo)識(shí)在室內(nèi)地面設(shè)置后，再對多個(gè)標(biāo)識(shí)進(jìn)行編碼，這樣在編碼信息讀取后能快捷通過信息匹配獲知該標(biāo)識(shí)物的具體坐標(biāo)，提高計(jì)算速度。利用具有編碼信息的標(biāo)識(shí)物能有效提高在環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度定位或者與環(huán)境進(jìn)行交互。

對于無人機(jī)控制系統(tǒng)來說，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊的輸出端與飛行控制器的輸入端相連，飛行控制器的輸出端與數(shù)據(jù)傳輸模塊的輸入端相連，數(shù)據(jù)傳輸模塊將飛行指令送達(dá)無人機(jī)動(dòng)力模塊實(shí)現(xiàn)多樣地形的跟隨飛行及自主起降。

所述的標(biāo)識(shí)物為塊狀、板狀或片狀，所述的編碼信息具有區(qū)分度。所述的標(biāo)識(shí)物的生成和編碼信息的同步生成，當(dāng)確定了二進(jìn)制編碼信息后，可利用設(shè)計(jì)的軟件直接打印或生成對應(yīng)的圖片，同時(shí)存儲(chǔ)相應(yīng)信息及坐標(biāo)信息。因每個(gè)標(biāo)識(shí)物的圖像本身含有編碼信息，因此每個(gè)標(biāo)識(shí)物圖片之間具有差異，因此標(biāo)識(shí)物圖片庫是指所有已編碼的模板圖片。每個(gè)標(biāo)識(shí)物具有固定的角點(diǎn)個(gè)數(shù)，且角點(diǎn)之間的幾何距離滿足投影變換下的不變性。通過這些特征信息來確定是否為所設(shè)計(jì)的標(biāo)識(shí)。

同時(shí)，為提高控制性和人機(jī)交互性，還包括與數(shù)據(jù)傳輸模塊通訊連接的飛行狀態(tài)指示模塊以及遙控器。所述的地面站與數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通訊以獲取無人飛行器的飛行狀態(tài)，同時(shí)通過手機(jī)、平板電腦或者計(jì)算機(jī)等顯示，而且，當(dāng)出現(xiàn)控制異常時(shí)，可通過航燈顏色及閃爍頻率、語音提示等進(jìn)行預(yù)警。

同時(shí)，本發(fā)明公開了一種所述的無人機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟，

1)單目攝像頭獲取含有標(biāo)識(shí)物的視頻流并傳輸給視覺信息處理單元，視覺處理單元模塊提取視野內(nèi)獲取的標(biāo)識(shí)物的編碼信息的特征信息，

2)通過所述的特征信息獲取與該標(biāo)識(shí)物的對應(yīng)編碼及其在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，

3)結(jié)合標(biāo)識(shí)物的坐標(biāo)、角點(diǎn)特征及單目攝像機(jī)參數(shù)計(jì)算攝像機(jī)相對于該標(biāo)識(shí)物的相對位姿，繼而得到無人機(jī)在室內(nèi)世界坐標(biāo)系下的位姿數(shù)據(jù)及室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)；

4)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的傳感器數(shù)據(jù)融合模塊接收來所述的位姿數(shù)據(jù)、室內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)和來自傳感模塊的飛行狀態(tài)信息并進(jìn)行融合處理，根據(jù)既定的飛行軌跡生成飛行指令。

飛行指令經(jīng)飛行控制器、數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至無人機(jī)動(dòng)力模塊，所述的飛行控制器基于μc/os-ⅱ，同時(shí)還包括遙控模塊和地面站，如手機(jī)、平板電腦和計(jì)算機(jī)等，所述的遙控模塊經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊與無人機(jī)動(dòng)力模塊通訊連接。飛行器控制器基于μc/os-ⅱ提供的系統(tǒng)調(diào)度為基礎(chǔ)，通過采集的傳感器信息、存儲(chǔ)的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)以及無線電測控終端發(fā)過來的上行遙控或地面站規(guī)劃的指令與數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷、運(yùn)算和處理之后，輸出指令給伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)即舵機(jī)系統(tǒng)，控制操縱無人飛行器的舵面、發(fā)動(dòng)機(jī)的油門，以控制無人機(jī)的飛行。

本發(fā)明可通過軟件提前規(guī)劃路徑或根據(jù)對環(huán)境的感知信息在線規(guī)劃路徑，作為合作目標(biāo)的標(biāo)識(shí)物的識(shí)別負(fù)責(zé)反饋無人機(jī)在室內(nèi)環(huán)境中的位姿信息，是無人機(jī)按照預(yù)定或者在線修正的軌跡進(jìn)行飛行的基礎(chǔ)，基于單目視覺的位姿用于無人機(jī)的位置環(huán)(即外環(huán))的控制，而無人機(jī)自身的控制時(shí)具有高動(dòng)態(tài)特性的，因此僅依靠視覺信息是無法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的穩(wěn)定飛行的，本發(fā)明通過融合算法將視覺信息和其他傳感器的信息進(jìn)行融合有效解決了飛行穩(wěn)定問題。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。