[发明专利]一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法

说明书

本发明公开了一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，包含ArUco标志板生成端、视觉算法处理端、飞控和视觉算法通讯端、以及飞控动作响应端；根据ArUco标签编码丰富的特性实现机场的有效扩展，利用背投灯点亮标志板的方式确保机场夜间的正常作业，并借助ArUco算法库容错性高和姿态解算准的特点进一步提高视觉降落的准确性。

技术领域

本发明属于无人机应用技术领域，特别涉及一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法。

背景技术

随着无人机在行业应用领域的逐渐多元化，面对复杂严苛的作业环境，可靠性和智能化程度就成为衡量无人机系统成熟与否的重要因素。无人机视觉引导降落模块作为空基机器人智能化应用的一部分，能够有效地规避无人机降落时刻GPS信息不准导致的位置偏移，为无人机在固定机场或车载机场的末端降落提供准确的辅助信息。

近几年，为解决普通GPS精度等级不足导致的无人机降落准确性问题，出现了多种应对方案，主要包括采用差分GPS硬件进行全程引导以及采用计算机视觉进行末端引导。其中，差分GPS硬件的定位精度可以达到厘米级，但其受环境因素影响较大，在遮挡较多或偏远区域的信号强度较差，适用场景的局限性很大；视觉末端引导则主要通过计算机视觉算法跟踪标志板来估算飞机位置，从而实现飞行末端的精准降落，但如何将其扩展至可用于多架飞机降落的机场、如何实现白天和夜晚全天候作业以及如何保证引导降落的准确性则是目前该类方法所要重点解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，包括以下步骤：

步骤1，生成ArUco标志板：每一个ArUco Marker都是一个二进制平方标记，它由一个宽的黑边和一个内部的二进制矩阵组成；

步骤2，接收解析飞控指令：飞控和视觉算法之间通过串口通信，而串口端口和波特率信息记录在配置文件中，算法流程从配置文件中打开对应端口并创建接收解析飞控指令的线程；

步骤3，执行视觉降落算法：视觉算法处理端根据读取到的视频帧和预先标定的相机参数，采用ArUco算法库对视频帧中的Marker进行检测，并估算得到当前时刻无人机相对于Marker的位置和姿态；当接收到飞控发送的视觉着陆启动信号时，视觉降落算法进入跟随状态；

步骤4，发送结果至飞控：在完成每一个视频帧的处理后，将处理结果发送至飞控；

步骤5，飞控动作响应：当飞控接收到视觉算法的数据包后，如果定位状态为1，则说明此时算法数据可信任，飞控将根据当前相机相对于Marker中心的偏移量以及偏航角对飞机位姿进行反向补偿和降落策略的控制，从而实现无人机的准确着陆。

进一步的，步骤1具体为：黑色边界用于快速检测到图像，二进制编码用于决定Marker的ID；Marker存在多种表现形式，而Marker的字典就是各个形式的集合，其主要性质是字典大小和Marker大小，其中，字典大小是组成字典的Marker数量，而Marker大小则是二进制位的个数；

采用多个Marker嵌套的模式确保无人机在降落阶段的不同高度都能看到完整的Marker，从而实现姿态估计，每组嵌套Marker内部二进制编码均不同且有特定的对应关系，能够实现机场扩展。

进一步的，步骤2中具体为：飞控按照包的形式发送数据，主要的信息包括机场ID号以及开关命令，其中，机场ID号用于确保无人机降落到指定机场，而开关命令用于切换引导控制权，当算法读取到开始指令时则启动视觉引导着陆任务。

进一步的，步骤3中具体为：

1)连接相机，以获取视频图像信息；如果相机连接失败，则发送错误信号给飞控；