本發(fā)明涉及無人機控制系統(tǒng)技術領域，特別是涉及一種基于合作目標和單目視覺的無人機室內定位系統(tǒng)及定位方法。

背景技術：

無人機即無人駕駛飛行器，無人機采用衛(wèi)星定位、遙感、地理空間、航空航天、自動控制、計算機輔助分析等高新技術，可服務于國土、測繪、林業(yè)、交通、水利及軍事等多個領域。

無人機導航系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的關鍵組成之一。目前，無人機使用的導航技術主要有慣性導航、衛(wèi)星導航、多普勒導航、視覺導航、地形輔助和地磁導航。在實際應用中，有必要根據(jù)無人機的飛行環(huán)境、任務要求以及導航技術的應用范圍和使用條件，選擇適合的導航系統(tǒng)。

近年來，無人機導航技術的研究有了很大的進展，但大多數(shù)導航技術僅適用于戶外空間，不能應用于室內未知環(huán)境導航。室內導航環(huán)境未知且復雜。無人機不知道室內環(huán)境的大小、障礙物的形狀和分布及有沒有人為的參照物，并且室內環(huán)境中障礙物隨意擺放或互相遮擋，室內光線隨無人機角度的變化而變化等。如今，國家對無人機室內導航控制進行了一些研究，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有待于解決。這些問題主要有環(huán)境建模、無人機定位、無人機導航控制器設計、實時運動控制等。

技術實現(xiàn)要素：

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

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是：

一種基于合作目標和單目視覺的無人機室內定位系統(tǒng)，包括設置在室內的多個其上設置有編碼信息的標識物，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的標識物信息，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、加速度計和相對高度測量模塊；

所述的飛行控制系統(tǒng)包括基于擴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。

所述的標識物為塊狀、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。

一種所述的無人機室內定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟，

1)單目攝像頭獲取含有標識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獲取的標識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識物的對應編碼及其在世界坐標系中的坐標，

3)結合標識物的坐標、角點特征及單目攝像機參數(shù)計算攝像機相對于該標識物的相對位姿，繼而得到無人機在室內世界坐標系下的位姿數(shù)據(jù)及室內導航數(shù)據(jù)；

4)基于擴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)、室內導航數(shù)據(jù)和來自傳感模塊的飛行狀態(tài)信息并進行融合處理，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動力模塊，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動力模塊并輸入傳感器數(shù)據(jù)融合模塊。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過具有編碼信息的標識物作為引導，僅需要一個標識物作為合作目標即可進行識別即可獲取無人機相對標識物的相對位姿，而且所述的標識物因為具有編碼信息，容易與環(huán)境區(qū)分，同時，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計出與環(huán)境具有區(qū)分且標識之間具有區(qū)分的標識。而且標識本身具有編碼信息，而非指將合作標識在室內地面設置后，再對多個標識進行編碼，這樣在編碼信息讀取后能快捷通過信息匹配獲知該標識物的具體坐標，提高計算速度。利用具有編碼信息的標識物能有效提高在環(huán)境中進行實時的高精度定位或者與環(huán)境進行交互。

附圖說明

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

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

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

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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和單目視覺的無人機室內定位系統(tǒng)，包括設置在室內地面上或某一立面上的多個其上設置有編碼信息的標識物，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的標識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，并將處理結果傳輸給飛行控制系統(tǒng)；其中，所述的單目攝像頭為機載，所述的視覺信息處理單元為具有雙核處理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)分析處理計算，有效提高計算速度，

所述的傳感模塊包括陀螺儀、加速度計和相對高度測量模塊；同時，還包括磁強計、氣壓計等常規(guī)的傳感器，多傳感器設置，檢測種類多，進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。

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

本發(fā)明通過具有編碼信息的標識物作為引導，僅需要一個標識物作為合作目標即可進行識別即可獲取無人機相對標識物的相對位姿，而且所述的標識物因為具有編碼信息，容易與環(huán)境區(qū)分，同時，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計出與環(huán)境具有區(qū)分且標識之間具有區(qū)分的標識。而且標識本身具有編碼信息，而非指將合作標識在室內地面設置后，再對多個標識進行編碼，這樣在編碼信息讀取后能快捷通過信息匹配獲知該標識物的具體坐標，提高計算速度。利用具有編碼信息的標識物能有效提高在環(huán)境中進行實時的高精度定位或者與環(huán)境進行交互。

對于無人機控制系統(tǒng)來說，基于擴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無人機動力模塊實現(xiàn)多樣地形的跟隨飛行及自主起降。

所述的標識物為塊狀、板狀或片狀，所述的編碼信息具有區(qū)分度。所述的標識物的生成和編碼信息的同步生成，當確定了二進制編碼信息后，可利用設計的軟件直接打印或生成對應的圖片，同時存儲相應信息及坐標信息。因每個標識物的圖像本身含有編碼信息，因此每個標識物圖片之間具有差異，因此標識物圖片庫是指所有已編碼的模板圖片。每個標識物具有固定的角點個數(shù)，且角點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計的標識。

同時，為提高控制性和人機交互性，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)傳輸模塊進行通訊以獲取無人飛行器的飛行狀態(tài)，同時通過手機、平板電腦或者計算機等顯示，而且，當出現(xiàn)控制異常時，可通過航燈顏色及閃爍頻率、語音提示等進行預警。

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

1)單目攝像頭獲取含有標識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獲取的標識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識物的對應編碼及其在世界坐標系中的坐標，

3)結合標識物的坐標、角點特征及單目攝像機參數(shù)計算攝像機相對于該標識物的相對位姿，繼而得到無人機在室內世界坐標系下的位姿數(shù)據(jù)及室內導航數(shù)據(jù)；

4)基于擴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)、室內導航數(shù)據(jù)和來自傳感模塊的飛行狀態(tài)信息并進行融合處理，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動力模塊，所述的飛行控制器基于μc/os-ⅱ，同時還包括遙控模塊和地面站，如手機、平板電腦和計算機等，所述的遙控模塊經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊與無人機動力模塊通訊連接。飛行器控制器基于μc/os-ⅱ提供的系統(tǒng)調度為基礎，通過采集的傳感器信息、存儲的相關狀態(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、運算和處理之后，輸出指令給伺服執(zhí)行機構即舵機系統(tǒng)，控制操縱無人飛行器的舵面、發(fā)動機的油門，以控制無人機的飛行。

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，作為合作目標的標識物的識別負責反饋無人機在室內環(huán)境中的位姿信息，是無人機按照預定或者在線修正的軌跡進行飛行的基礎，基于單目視覺的位姿用于無人機的位置環(huán)(即外環(huán))的控制，而無人機自身的控制時具有高動態(tài)特性的，因此僅依靠視覺信息是無法實現(xiàn)無人機的穩(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)選實施方式，應當指出的是，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。