[发明专利]基于逐帧识别生成原始点云的室内无人机编队飞行方法

说明书

本专利提供了基于逐帧识别生成原始点云的室内无人机编队飞行方法，首先使用室内定位系统获取无人机三维点云图像，通过局域网传送至地面控制系统；地面站接收到信息后，通过迭代最近点的三维点云匹配算法，利用空间变换将多张点云图像信息融合，以此并行获取多台无人机在空间中的位姿信息；最后，地面站PC通过Crazyradio广播特定的频率，回传飞行信息至无人机完成实验。地面站的工作利用到了基于人工势场和非线性串级控制的方法进行无人机的轨迹规划和控制。本发明可以实现室内小区域面积内多台无人机的集群飞行和避障实验。

技术领域

本发明涉及一种基于逐帧识别生成原始点云的室内无人机编队飞行,属于无人机编队飞行技术领域。

背景技术

几十年来，来自动物行为学、物理学、生物物理学、社会科学和计算机科学等不同学科的科学家们被成群结队的现象出现所吸引。这些现象包括鸟类、鱼类、企鹅、蚂蚁、蜜蜂和人群。随着无人机技术的日渐成熟，应用场景也越来越多，包括高层物流配送、电力线路检测、侦察监视等等。但是这类应用大多基于单机的行为，只能完成相对简单且不需要协作的任务。而在面对更加复杂的任务时且需要多机协作的任务时，必须考虑无人机群体编队。

近几年，类似于集群行为的多智能体编队飞行吸引了国内外很多学者的研究。对多无人机编队飞行的控制系统越来越多，它们可大致分为室内编队飞行系统和室外编队飞行系统。无论是室内还是室外，编队飞行的首要条件就是获取无人机在三维空间中的位姿信息和无人机间的相对位置信息。室外编队分行主要依靠GPS信号加上地面控制站来获取无人机信息，这一方法相对较成熟。但对于室内相对来说比较封闭的环境，GPS信号很难起作用，这对室内多无人机机协同编队飞行提出了新的挑战。

针对室内无人机编队飞行，传统的捕捉无人机位姿信息的方法是：通过将反光球标记点固定在无人机上，由动态捕捉系统根据无人机上的标记点相互连接而成的刚体的形状或大小来区别不用的无人机，这导致的问题是，由于室内无人机体积本身较小，因此在无人机上固定的标记点构成的刚体形状种类很有限，面对多台无人机，动态捕捉系统将难以区分。再者，标记点由于相对较小，飞行过程中，无人机自身或者周围的无人机可能会将反光球完全遮挡，此时可能会出现在一定时间内将无法获取到无人机的位姿信息的情况，从而导致编队局部发散。因此，面对室内多台无人机编队飞行，一个可靠的同时识别多台无人机在空间中位姿的系统和方法显得尤其重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于逐帧识别生成原始点云的室内无人机编队飞行系统方案以解决现有的室内多无人机编队飞行系统中，由于无人机体积较小，利用标记点的方法难以区分多台无人机的技术问题。为此，本发明采用的技术方案是结合分布式编队结构，使用室内动态捕捉系统进行逐帧识别生成原始点云来获取小型无人机编队的飞行轨迹和飞行状态，并配合带有前馈作用的串联PID控制器和人工势场法的轨迹规划方法提出了一套完整的室内多架小型四旋翼无人机协同编队飞行演示验证平台设计方案

本系统采用Optitrack室内动态捕捉系统跟踪被反光球标记的无人机。选择室内动态捕捉系统的原因是它在定位方面的高性能：位置误差小于1毫米。与之相比，最先进的分散定位系统——超带宽无线电三角测量方法的位置误差大于10cm，对于本系统的小型无人机来说，误差过大。

本系统使用的小型无人机自身主要由以下几个部分组成：主控制器为STM32F405，负责无人机状态估计计算、产生PWM波送至电机驱动；六轴陀螺仪MPU-9250,用于检测无人机自身局部的姿态变化；通信模块为nRF51,可发送或接收2.4GHz的无线电波，负责和上位机的通信。在无人机中部装有可拆卸的小型锂电池，电池可利用板载USB2.0接口直接充电，或者取下单独充电。底部和上部都有拓展口，可拓展led环形灯等等各种模块。电机的类型是小型的空心杯，共由四个空心杯和直径大约为7cm的4个旋翼组成，其中A型和B型旋翼各一对。改造无人机内部软件的方法是利用USB2.0通过对主控芯片STM32F4烧写固件以及控制程序。该机型体积小，适用于密集地层的室内飞行。由于其低惯性，它能在高速碰撞中幸存下来，对人类构成的风险也很小。