[发明专利]一种基于同心圆视觉标识的多旋翼无人机自主降落方法

摘要

本发明提供一种基于同心圆视觉标识的多旋翼无人机自主降落方法，属于无人机技术领域。该方法的核心是利用了同心圆视觉标识，同心圆视觉标识是由若干个同心圆组成，同心圆内部包含两条穿过同心圆圆心的直线，以直线与每个圆的4个交点为中心，设置正方形探测标识并进行编码，储存该标志的每个同心圆半径及圆的方向。通过对同心圆视觉标志的编码、解码、检测、定位，来获得视觉标识相对于多旋翼无人机的准确位置。本发明方法中的同心圆视觉标识，可以实现“多尺度”目标检测，它既可以使在多旋翼无人机距离视觉标识较远时稳定检测视觉标识，也可以在两者距离很近时检测到视觉标识。

主权项

1.一种基于同心圆视觉标识的多旋翼无人机自主降落方法，其特征在于，步骤如下：(1)同心圆视觉标识的设计与编码同心圆视觉标识主要由三部分组成：m个同心圆、两条穿过圆心的直线和正方形探测标识；其中，同心圆的个数m根据机载云台相机分辨率以及移动平台的大小设定，相邻同心圆的直径尺寸按照n:n+2，n≥1的奇数，的比例规律依次设定；两条穿过圆心的直线长度等于最大同心圆的直径，直线间的夹角θ∈(80°,100°)，两条直线与每个同心圆均有四个交点，以交点为中心设置正方形探测标识；正方形探测标识列表库包含多种形态的正方形探测标识，其中，每一种正方形探测标识内部由N×N个小正方形组成，小正方形分为黑色、白色两类，由二维矩阵A[N][N]表示，其中，A[i][j]分别对应第i行第j列的小正方形；当小正方形为黑色时，A[i][j]值为0，当小正方形为白色时，A[i][j]值为1；每个正方形探测标识中的小正方形以数值的形式按照一定的规律储存在正方形探测标识列表库中，不同的排列规律代表正方形探测标识的编号id以及其所在的同心圆的半径R；(2)同心圆视觉标识的检测与定位(2.1)对机载云台相机进行标定，获得机载云台相机的内外参数和畸变参数，同时对机载云台相机和多旋翼无人机进行联合标定，获得机载云台相机相对于多旋翼无人机机体重心的位姿；(2.2)选取同心圆视觉标识并打印到纸上，然后平整地贴在移动平台上；(2.3)通过机载云台相机获取包含同心圆视觉标识的图像，依次对图像进行高斯滤波去除噪声、Canny算子边缘检测、灰度化处理；(2.4)通过透视变换，结合正方形探测标识的分布，将机载云台相机视野中的同心圆视觉标识校正为标准的同心圆视觉标识；(2.5)利用霍夫变换检测同心圆视觉标识中的相交直线，直线的交点即为同心圆的圆心；通过霍夫变换识别出同心圆视觉标识中直径最大的圆，然后利用同心圆各个圆之间的比例关系，循环使用霍夫变换，将同心圆视觉标识中其它的圆一一检测出来，得到同心圆视觉标识的轮廓；(2.6)对正方形探测标识进行解码：通过读取到的0或1的个数和排列规律，与正方形探测标识库进行比对，获取当下正方形探测标识的编号id，以及正方形探测标识对应的同心圆的半径Ri，其中，按逆时针方向左上角、左下角、右下角、右上角对应的id分别标记为1、2、3、4；通过分析任意3个编号id的排列顺序，确定同心圆视觉标识的方向；(2.7)通过分析机载云台相机焦距f、机载云台相机视野中圆的半径ri、同心圆的半径Ri三者之间的数学关系，获得在摄像机坐标系中同心圆视觉标识的z轴坐标，即同心圆视觉标识与机载云台相机的距离z，其中，z满足：z＝f*Ri/ri(1)(2.8)通过分析摄像机焦距f、机载云台相机视野中圆心距离图像左右边缘的宽度差▽w和上下边缘的高度差▽h、机载云台相机距离同心圆视觉标识的距离z之间的数学关系，获得在摄像机坐标系中同心圆视觉标识的x轴和y轴坐标，则同心圆视觉标识在摄像机坐标系中的三维坐标为(x,y,z)；其中，x和y满足：x＝z*▽w(2)y＝z*▽h(3)(3)生成控制指令(3.1)根据同心圆视觉标识在摄像机坐标系中的三维坐标(x,y,z)，调整机载云台相机的偏航角yaw_camera和俯仰角pitch_camera，使同心圆视觉标识始终位于机载云台相机的视野中央；(3.2)使用姿态控制器和位置控制器，调整多旋翼飞行器的偏航角yaw_drone，使满足：▽angle＝min(|yaw_drone–yaw_camera|+|90°–pitch_camera|)(4)当▽angle为0时，机载云台相机是竖直向下，并且yaw_camera＝yaw_drone；然后，标定摄像机坐标系与无人机机体坐标系的相对位置关系，获得同心圆视觉标识相对于无人机机体坐标系的位置；(4)实现精确降落并生成视觉目标丢失后的重新搜索策略当步骤(2)中的z<3米且步骤(3)中的▽angle小于阈值γthreshold时，多旋翼飞行器进入精确降落阶段；引入卡尔曼滤波器对步骤(2)中所获得的同心圆视觉标识的位置进行状态补偿，获取更精确降落的位置；当同心圆视觉标识突然离开机载云台相机的视野，卡尔曼滤波器的估计值将作为同心圆视觉标识的目标位置，同时多旋翼飞行器自主快速上升，重新对同心圆视觉标识进行检测。