CN104864866B - 飞行器飞行误差矫正装置、矫正方法及无人飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞行器飞行误差矫正装置、矫正方法及无人飞行器，其中矫正方法包括：通过光流传感模块获取飞行器高度H和连续拍摄的地面图像，并在光流传感模块进行数据处理得到飞行器速率V信号；通过惯性导航模块对飞行器进行惯性导航并产生相应的惯性导航数据；飞行控制器接收光流传感模块传送的飞行器速率信号以及惯性导航模块传送的惯性导航数据，并进行数据处理，通过飞行器速率信号对惯性导航进行飞行误差矫正，通过本发明的技术方案在GPS信号无法接收的环境中仍然能够矫正飞行误差，实现飞行器的精确导航。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种飞行器飞行误差矫正装置、矫正方法及无人飞行器。
背景技术
随着科技的发展，无人机飞行设备开始进入人们的视野，逐渐深入到人们的生活，改善着人们的生活。无人机飞行器的应用范围越来越广，例如在航拍、测量、灾害控制以及实时监测等专业领域都有着广泛的应用。
同时，对飞行器的导航和定位精度也提出了更高的要求，目前，飞行器飞行过程中常用的导航技术主要有惯性导航和卫星定位(GPS)导航，惯性导航和GPS导航相结合可实现飞行器较准确的导航和定位。
但是，在一些封闭空间内、GPS信号可能受到阻挡的空间内以及在电磁干扰很强的区域内，GPS信号无法正常传输到飞行器，飞行器收不到GPS信号时只能单纯依靠惯性导航技术飞行，而惯性导航技术是通过积分原理实现的，其本身必然存在着一定的误差，并且该误差会随着时间的延长而逐渐积累增大，将造成飞行器长期导航精度误差较大，以致于在封闭空间或者电磁信号干扰较强区域等GPS信号无法接收的环境中，飞行器的飞行精度将出现较大偏差，甚至无法正常定位和飞行。
另外，由于单纯依靠惯性导航在一段时间后将出现较大精度误差，所以在每次飞行之后第二次飞行之前，都要进行较长时间的初始校准，操作繁琐，费时费工。
鉴于上述情况，本设计人借其多年相关领域的技术经验以及丰富的专业知识，不断研发改进，并经大量的实践验证，提出了本发明飞行器飞行误差矫正装置、矫正方法及无人飞行器的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞行器飞行误差矫正装置，在GPS信号无法接收的环境中仍然能够矫正飞行误差，实现飞行器的精确导航。
本发明的另一目的在于提供一种飞行器飞行误差矫正方法，在GPS信号无法接收的环境中仍然能够矫正飞行误差，实现飞行器的精确导航。
本发明的另一目的在于提供一种无人飞行器，设有本发明的飞行误差矫正装置，在GPS信号无法接收的环境中仍然能够矫正飞行误差，实现精确导航。
为了实现上述目的，本发明提供了一种飞行器飞行误差矫正装置，包括：光流传感模块，设于飞行器上，能够检测飞行器高度和连续拍摄地面图像，并进行数据处理得到飞行器速率信号；惯性导航模块，设于飞行器上，用于对飞行器进行惯性导航；飞行控制器，设于飞行器上，连接所述光流传感模块和惯性导航模块，接收二者传输的信号数据并进行数据处理，对惯性导航进行飞行误差矫正。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正装置，其中，所述光流传感模块包括：摄像装置，用于连续拍摄地面图像；高度检测器，用于检测飞行器高度；光流模块处理器，连接所述摄像装置和高度检测器，接收二者的信号并进行数据处理，所述光流模块处理器连接于所述飞行控制器，并向所述飞行控制器传输数据。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正装置，其中，所述摄像装置为照相机，具有相机镜片和感光元件；所述高度检测器为超声波测距仪，用于测量所述相机镜片到地面的高度，即飞行器高度。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种飞行器飞行误差矫正方法，基于本发明的飞行误差矫正装置，包括：S1，通过所述光流传感模块获取飞行器高度H和连续拍摄的地面图像，并在光流传感模块进行数据处理得到飞行器速率V信号；S2，通过所述惯性导航模块对飞行器进行惯性导航并产生相应的惯性导航数据；S3，所述飞行控制器接收所述光流传感模块传送的飞行器速率信号以及所述惯性导航模块传送的惯性导航数据，并进行数据处理，通过飞行器速率信号对惯性导航进行飞行误差矫正。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正方法，其中，所述光流传感模块包括摄像装置、高度检测器和光流模块处理器，所述摄像装置具有相机镜片和感光元件，所述相机镜片和感光元件的间距为焦距F，所述步骤S1包括：预设所述摄像装置的焦距F；通过所述高度检测器检测得到所述相机镜片到地面的高度H，即飞行器高度；通过所述摄像装置连续拍摄地面图像；通过所述光流模块处理器进行数据处理得到飞行器速率V信号。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正方法，其中，通过所述摄像装置连续拍摄地面图像的步骤包括预设连续拍摄的间隔时间T，该间隔时间T的设置值满足采样精度要求。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正方法，其中，通过所述光流模块处理器进行数据处理包括：所述光流模块处理器接收所述高度检测器检测获得的高度H数值；所述光流模块处理器获取焦距F及间隔时间T数值；所述光流模块处理器接收所述摄像装置连续拍摄的图像数据，进行图像数据处理，得出间隔时间T的相邻两幅图像中相同物体的像素移动距离S；通过S/F＝X/H运算得出X数值，其中X为飞行器位移；通过V＝X/T运算得出间隔时间T内飞行速率V的数值。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正方法，其中，向所述飞行控制器传输的速率信号为一段时间t内速率信号的平均值，t＝n*T，速率信号的平均值为(V1+V2+…+Vn)/n。
优选的，上述的飞行器飞行误差矫正方法，其中，在所述光流传感模块进行数据处理得到飞行器速率信号和飞行器位移信号，所述飞行控制器同时接收所述飞行器速率信号和飞行器位移信号，通过该两种信号同时对惯性导航的飞行误差进行矫正。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种无人飞行器，设置有本发明的飞行器飞行误差矫正装置。
本发明的飞行器飞行误差矫正装置、矫正方法及无人飞行器至少具有以下优点及特点：
1、本发明的飞行器飞行误差矫正装置及矫正方法无需借助GPS信号，通过光流传感器可检测获得一段时间内连续拍摄的地面图像，通过图像处理获得两幅图像中相同物体的移动像素数，进而确定飞行器移动的位移，再通过数据处理得到飞行器速率值，通过飞行器速率值即可矫正惯性导航的飞行误差，从而使飞行器在封闭空间或者电磁信号干扰较强区域等GPS信号无法接收的环境中也能保持高精度的导航，正常定位和飞行。
2、本发明的飞行器飞行误差矫正方法及矫正装置能够实时检测图像数据并处理数据，设置合理的采样频率，能够保证足够的采样精度，从而实时的对飞行器进行飞行误差矫正，在飞行一段时间之后也不会出现现有技术中单纯依靠惯性导航而产生较大精度误差的问题，再次飞行也不需要进行长时间的校准工作，节省时间和人力。
3、本发明的飞行器飞行误差矫正装置及无人飞行器将光流传感模块、惯性导航模块以及飞行控制器等部件及功能进行整合，各个模块分工明确，技术成熟，使得整体导航的信赖度高，设备稳定性高，从而保证高精度导航。
4、本发明的飞行器飞行误差矫正装置及无人飞行器结构简单，成本低，可实施性强，应用范围广。
附图说明
图1为本发明飞行器飞行误差矫正装置模块示意图；
图2为本发明飞行器飞行误差矫正方法步骤示意图；
图3为本发明飞行器飞行误差矫正方法工作流程示意图；
图4为本发明飞行误差矫正方法移动像素距离与飞行位移比例关系原理示意图。
主要元件标号说明：
10 飞行器
1 光流传感模块
11 摄像装置
111 相机镜片
112 感光元件
12 高度检测器
13 光流模块处理器
2 惯性导航模块
3 飞行控制器
F 焦距
H 高度
S 像素移动距离
T 间隔时间
V 速率
X 飞行器位移
O 物体
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。
请参考图1，为本发明飞行器飞行误差矫正装置模块示意图，如图所示，本发明飞行器飞行误差矫正装置主要包括：光流传感模块1，设于飞行器10上，光流传感模块1能够检测飞行器高度和连续拍摄地面图像，并进行数据处理得到飞行器速率信号和飞行器位移信号；惯性导航模块2，设于飞行器10上，用于对飞行器10进行惯性导航；飞行控制器3，设于飞行器10上，连接光流传感模块1和惯性导航模块2，接收二者传输的信号数据并进行数据处理，对惯性导航进行飞行误差矫正。
进一步的，光流传感模块1还包括摄像装置11、高度检测器12和光流模块处理器13，其中：摄像装置11用于连续拍摄地面图像，其可为各种不同型号的照相机，摄像装置11具有相机镜片111和感光元件112(结合参考图4)，相机镜片111和感光元件112的间距也就是焦距为F，地面物体光线通过相机镜片111而在感光元件112上成像；高度检测器12设于飞行器10上，用于检测飞行器高度H，具体的说是相机镜片111到地面的高度H，高度检测装置12可为超声波测距仪或激光测距仪等，此类仪器种类较多且为常规技术，并不做具体限定，能测量飞行高度者均应属于本发明的保护范围；光流模块处理器13连接摄像装置11和高度检测器12，接收二者的信号并进行数据处理，其中，光流模块处理器13接收摄像装置11的图像数据并进行图像处理，得到相隔时间T的两幅图像中相同物体的像素移动距离S，同时光流模块处理器13接收高度检测器12测得的高度H，再结合焦距F和时间T的值，可运算得到飞行器10在时间T内移动的位移X和飞行速率V，飞行器位移X和飞行速率V将可传输给飞行控制器3。光流模块处理器13可为光流传感处理芯片。
惯性导航模块2主要用于飞行器10的惯性导航，其可为常见的惯性导航仪，与飞行控制器3相连，向飞行控制器3传输惯性导航数据，惯性导航仪为较成熟的技术，其结构和功能为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
飞行控制器3连接光流传感模块1，具体的说是连接于光流模块处理器13，接收其传输的飞行器的位移X和飞行速率V等数据，同时飞行控制器3还连接惯性导航模块2并接收其传输的惯性导航数据。飞行控制器3进行数据处理，通过光流传感模块1传输的飞行速率V和位移X对惯性导航数据进行飞行误差矫正，值得提出的是仅通过光流传感模块1传输的飞行速率V即可对惯性导航数据进行飞行误差矫正，也就是说在光流传感模块1和飞行控制器3之间可仅传输飞行速率V数据，具体矫正的运算处理过程为现有，不再详细描述。飞行控制器3根据误差矫正结果控制飞行器动作，从而实现飞行器的飞行误差矫正，保持高精度的定位和导航。
以上为飞行器飞行误差矫正装置的组成，另一方面，基于上述的飞行误差矫正装置，本发明还提出一种飞行器飞行误差矫正方法，请结合参考图2及图3，其中图2为本发明飞行器飞行误差矫正方法步骤示意图，图3为本发明飞行器飞行误差矫正方法工作流程示意图，如图所示，本发明飞行误差矫正方法主要包括以下步骤：S1通过光流传感模块1获取飞行器高度(也就是相机镜片111到地面的高度H)和连续拍摄的地面图像，并在光流传感模块1进行数据处理得到飞行器速率信号V；S2通过惯性导航模块2对飞行器进行惯性导航并产生相应的惯性导航数据；S3飞行控制器3接收光流传感模块1传送的飞行器速率V信号以及惯性导航模块2传送的惯性导航数据，并进行数据处理，通过飞行器速率V信号对惯性导航进行飞行误差矫正。
如上所述，光流传感模块1包括摄像装置11、高度检测器12和光流模块处理器13，摄像装置11又包括相机镜片111和感光元件112，步骤S1又包括：预设摄像装置11的焦距F，即相机镜片111和感光元件112的间距；通过高度检测器12检测得到相机镜片111到地面的高度H，可看作为飞行器离地面的高度；通过摄像装置11连续拍摄地面图像；通过光流模块处理器13进行数据处理得到飞行器速率V信号。
进一步的，通过摄像装置11连续拍摄地面图像的步骤包括预设连续拍摄的间隔时间T，该间隔时间T的设置值应满足采样精度的要求，也就是说，在一定时间内，摄像装置11能够拍摄足够的地面照片，提供足够的数据供光流模块处理器13处理，在一定时间内能够处理得到足够的速率采样值，以供精确矫正飞行误差使用，例如可选的，设置间隔时间T使采样频率为120Hz。
通过光流模块处理器13进行数据处理包括：光流模块处理器13接收高度检测器12检测获得的高度H数值；光流模块处理器13获取焦距F及间隔时间T数值；光流模块处理器13接收摄像装置11连续拍摄的图像数据，进行图像数据处理，得出相隔时间T的相邻两幅图像中相同物体的像素移动距离S，具体的图像处理方法及过程为现有技术，不再具体说明；通过S/F＝X/H运算得出X数值，其中X为飞行器位移；通过V＝X/T运算得出采样间隔时间内飞行速率V的数值。
请结合参考图4，为本发明飞行误差矫正方法移动像素距离与飞行位移比例关系原理示意图，如图所示，在一个采样时间间隔T内，飞行器从位置A飞行到位置B，在位置A处，地面上的物体O其光线通过相机镜片111在感光元件112上成像，成像位置为A1；当飞行器飞行到位置B处，地面上的物体O其光线通过相机镜片111在感光元件112上成像，成像位置为B1，此时位置A和位置B之间的距离即为飞行器位移X，成像位置A1和成像位置B1之间的距离即为像素移动距离S，根据几何关系可知S/F＝X/H，在其余数据可知的前提下，能计算出飞行器位移X。以此类推，随着采样的不断进行，可得出一系列的飞行器位移X1、X2到Xn，用飞行器位移除以时间T，即可得到一系列的速率采样值V1、V2到Vn，在上述步骤S3中，将此速率采样值V1、V2到Vn分别传输到飞行控制器3中，即可对惯性导航进行飞行误差矫正。
在另一实施例中，在保证采样精度的前提下，也可采取向飞行控制器传输某一段时间t内速率信号平均值的方式，具体为，该一段时间t的时间长度选择为t＝n*T，那么在时间t内速率V的平均值即为(V1+V2+…+Vn)/n，在保证采样精度的前提下，n可选择为任意自然数，例如其n可为3，那么原有实施例中120Hz的速率采样频率，在向飞行控制器传输时频率将降为40Hz，减少了数据传输量和处理量，同时也可保证采样精度，进而保证飞行误差矫正精度。
步骤S2通过惯性导航模块2对飞行器进行惯性导航并产生相应的惯性导航数据，此为较常规的技术，具体不再详细说明。
步骤S3中，飞行控制器3接收光流传感模块1传送的飞行器速率V信号以及惯性导航模块2传送的惯性导航数据，进行数据处理，通过飞行器速率V信号对惯性导航进行飞行误差矫正，具体矫正的运算处理过程为现有，不再详细描述。飞行控制器3根据误差矫正结果控制飞行器动作，从而实现飞行器的飞行误差矫正，保持高精度的定位和导航。
值得提出的是，在步骤S3中，飞行控制器3可仅接收光流传感模块1(光流模块处理器13)传送的飞行器速率V信号，通过速率信号对惯性导航的飞行误差进行矫正；也可同时接收光流传感模块1传送的飞行器速率V信号和飞行器位移X信号，根据两种信号同时对惯性导航的飞行误差进行矫正。具体的矫正数据处理过程为已知，在此不再赘述。
以上即为本发明飞行器飞行误差矫正方法。
另外，本发明还提出了一种无人飞行器，设有本发明的飞行误差矫正装置，在GPS信号无法接收的环境中仍然能够矫正飞行误差，实现精确导航，其中飞行误差矫正装置的结构及原理与上述实施例记载相同，不再重复说明。
本发明的飞行器飞行误差矫正方法及矫正装置无需借助GPS信号，通过光流传感模块可检测获得一段时间内连续拍摄的地面图像，通过图像处理获得两幅图像中相同物体的移动像素数，进而确定飞行器移动的位移，再通过数据处理得到飞行器速率值，通过飞行器速率值即可矫正惯性导航的飞行误差，从而使飞行器在封闭空间或者电磁信号干扰较强区域等GPS信号无法接收的环境中也能保持高精度的导航，正常定位和飞行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术实质及原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种飞行器飞行误差矫正装置，其特征在于，其应用于GPS信号无法接收的环境中，包括：
光流传感模块，设于飞行器上，能够检测飞行器高度和连续拍摄地面图像，通过预设连续拍摄的间隔时间T，该间隔时间T的设置值满足采样精度的要求，并进行数据处理得到飞行器速率信号；
惯性导航模块，设于飞行器上，用于对飞行器进行惯性导航；
飞行控制器，设于飞行器上，连接所述光流传感模块和惯性导航模块，接收二者传输的信号数据并进行数据处理，使用所述飞行器速率信号对惯性导航进行飞行误差矫正。
2.根据权利要求1所述的飞行器飞行误差矫正装置，其特征在于，所述光流传感模块包括：
摄像装置，用于连续拍摄地面图像；
高度检测器，用于检测飞行器高度；
光流模块处理器，连接所述摄像装置和高度检测器，接收二者的信号并进行数据处理，所述光流模块处理器连接于所述飞行控制器，并向所述飞行控制器传输数据。
3.根据权利要求2所述的飞行器飞行误差矫正装置，其特征在于，所述摄像装置为照相机，具有相机镜片和感光元件；
所述高度检测器为超声波测距仪，用于测量所述相机镜片到地面的高度，即飞行器高度。
4.一种基于权利要求1所述矫正装置的飞行器飞行误差矫正方法，其应用于GPS信号无法接收的环境中，其特征在于，包括：
S1，通过所述光流传感模块获取飞行器高度H和连续拍摄的地面图像，通过预设连续拍摄的间隔时间T，该间隔时间T的设置值满足采样精度的要求，并在光流传感模块进行数据处理得到飞行器速率V信号；
S2，通过所述惯性导航模块对飞行器进行惯性导航并产生相应的惯性导航数据；
S3，所述飞行控制器接收所述光流传感模块传送的飞行器速率信号以及所述惯性导航模块传送的惯性导航数据，并进行数据处理，通过飞行器速率信号对惯性导航进行飞行误差矫正。
5.根据权利要求4所述的飞行器飞行误差矫正方法，其特征在于，所述光流传感模块包括摄像装置、高度检测器和光流模块处理器，所述摄像装置具有相机镜片和感光元件，所述相机镜片和感光元件的间距为焦距F，所述步骤S1 包括：
预设所述摄像装置的焦距F；
通过所述高度检测器检测得到所述相机镜片到地面的高度H，即飞行器高度；
通过所述摄像装置连续拍摄地面图像；
通过所述光流模块处理器进行数据处理得到飞行器速率V信号。
6.根据权利要求5所述的飞行器飞行误差矫正方法，其特征在于，通过所述摄像装置连续拍摄地面图像的步骤包括预设连续拍摄的间隔时间T，该间隔时间T的设置值满足采样精度要求。
7.根据权利要求6所述的飞行器飞行误差矫正方法，其特征在于，通过所述光流模块处理器进行数据处理包括：
所述光流模块处理器接收所述高度检测器检测获得的高度H数值；
所述光流模块处理器获取焦距F及间隔时间T数值；
所述光流模块处理器接收所述摄像装置连续拍摄的图像数据，进行图像数据处理，得出间隔时间T的相邻两幅图像中相同物体的像素移动距离S；
通过S/F=X/H运算得出X数值，其中X为飞行器位移；
通过V=X/T运算得出间隔时间T内飞行速率V的数值。
8.根据权利要求7所述的飞行器飞行误差矫正方法，其特征在于，向所述飞行控制器传输的速率信号为一段时间t内速率信号的平均值，t=n*T，速率信号的平均值为(V1+V2+…+Vn)/n，n可选择为任意自然数。
9.根据权利要求4至8任一项所述的飞行器飞行误差矫正方法，其特征在于，在所述光流传感模块进行数据处理得到飞行器速率信号和飞行器位移信号，所述飞行控制器同时接收所述飞行器速率信号和飞行器位移信号，通过该两种信号同时对惯性导航的飞行误差进行矫正。
10.一种无人飞行器，其特征在于，所述无人飞行器设置有权利要求1至3任一项所述的飞行器飞行误差矫正装置。
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