CN105043341B - 无人机对地高度的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供无人机对地高度的测量方法及装置，该无人机包括第一传感器，所述方法包括：通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；获取无人机在第二坐标系下的移动速度；根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度。因此，本发明通过第一传感器可以更快更精准的测量无人机相对于地面的高度。

Description

无人机对地高度的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及无人机对地高度的测量方法及装置。

背景技术

随着网络通信技术的发展，无人机也得到了广泛的应用。该无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。若实现无人机的仿地飞行，必须获知无人机相对于地面的高度信息。

现有技术中，若采用声呐技术，比如，超声波传感器，测量无人机相对于地面的高度时，需要主动向地面发出一系列波，然后经过地面反射到接收端进行测量，故对地面平整度要求很高；若采用激光技术测量无人机相对于地面的高度时，由于自然光对激光影响较大，故其对光线要求较高，成本也很高等。因此，现有技术中针对无人机相对于地面的高度进行测量时，其测量要求高、测量难度大、测量速度低，测量成本高等。

发明内容

本发明提供一种无人机对地高度的测量方法及装置，以解决现有技术中针对无人机相对于地面的高度进行测量时，其测量要求高、测量难度大、测量速度低、测量成本高等问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种无人机对地高度的测量方法，，该无人机包括第一传感器，所述方法包括：

通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；

获取无人机在第二坐标系下的移动速度；

根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种无人机对地高度的测量装置，该无人机包括第一传感器，所述装置包括：

第一获取单元，用于通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；

第二获取单元，用于获取无人机在第二坐标系下的移动速度；

确定单元，用于根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度。

应用本发明实施例，通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；获取无人机在第二坐标系下的移动速度；根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度，从而提高了针对无人机对地高度测量的速度和精准度。

附图说明

图1A是本发明实施例无人机对地高度的测量的一种应用场景示意图；

图1B是本发明实施例无人机对地高度的测量的另一种应用场景示意图；

图2是本发明无人机对地高度的测量方法的一个实施例流程图；

图3是本发明无人机对地高度的测量方法的另一个实施例流程图；

图4是本发明无人机对地高度的测量装置所在设备的一种硬件结构图；

图5是本发明无人机对地高度的测量装置的一个实施例框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

参见图1A和图1B，为应用无人机对地高度的测量的应用场景示意图：

图1A中示出了一种无人机的飞行状态示意图。该飞行状态中无人机的滚转角和俯仰角皆为0度。由于滚转角θ、俯仰角φ皆为0度，所以图1A中没有标出。其中，俯仰角φ是左右方向的角度，滚转角θ是前后方向的倾斜角度，并且可以由无人机上携带的传感器，比如，陀螺仪和加速度计，联合测得。

另外，图1A中的h是本发明实施例中需要测量的无人机的对地高度，α是无人机中的鼠标传感器镜头的视野度数。v是无人机的移动速度。

为了提高鼠标传感器的感知距离，无人机中的鼠标传感器镜头可以是外加的普通摄像头的镜头。比如：为鼠标传感器加装了一个焦距16毫米约视野为12度的镜头。

图1B中示出了另一种无人机的飞行状态示意图。该飞行状态中无人机的滚转角和俯仰角皆不为0度。如图1B所示，φ为俯仰角。由于图1B为平面图，故滚转角θ没有标出。

另外，图1B中的h是本发明实施例中需要测量的无人机的对地高度，α是无人机中的鼠标传感器镜头的视野度数。v是无人机的移动速度。

由上述图1A和图1B可见，为了满足无人机的仿地飞行的需要，需要获知无人机相对于地面的高度信息。现有技术中，若采用声呐技术比如，超声波传感器，测量无人机相对于地面的高度时，需要主动向地面发出一系列波，然后经过地面反射到接收端进行测量，故对地面平整度要求很高；若采用激光技术测量无人机相对于地面的高度时，由于自然光对激光影响较大，故其对光线要求较高，成本也很高等。因此，现有技术中针对无人机相对于地面的高度进行测量时，其测量要求高、测量难度大、测量速度低、测量成本高。

而本发明实施例中，可以通过第一传感器，比如，鼠标传感器，获取无人机在第一坐标系下的移动速度；获取无人机在第二坐标系下的移动速度；根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度，从而解决了地面不平整导致声呐测量的不准确性，以及光线对激光的影响等，且价格成本低廉，集成度高、稳定性强。其中，由于本发明实施例对地面平整度没有要求，故本发明实施例可以适用于各种复杂的地面环境，比如，树丛，草丛等。

另外，由于本发明实施例中的第一传感器，比如，鼠标传感器，可以将成像模块和数字信号处理(digital signal processing，DSP)模块皆已封装到鼠标芯片内部，从而使得鼠标传感器获取图像、以及处理图像的速度非常快，适合测量无人机相对于地面的高度的需要，在保证高度测量的稳定性和可靠性的同时，还提高了测量速度。

比如：第一传感器为鼠标传感器，该鼠标传感器可以包括成像模块和数字信号处理模块，成像模块在预设的采样时间内对无人机的对地图像进行采集，数字信号处理模块对所采集的对地图像进行对比后计算所采集后的对地图像中的各个特征点的平均像素移动速度。本发明实施例中可以将成像模块和数字信号处理模块皆封装到鼠标芯片内部，从而使得鼠标传感器获取图像、以及处理图像的速度非常快，适合无人机各种状态时的测量无人机相对于地面的高度的需要以及定位的需要，比如，无人机在悬停时，或无人机飞行过程中，尤其适合无人机高速飞行过程中，在保证无人机测量高度以及定位的稳定性和可靠性的同时，提高定位速度。

下面结合附图对本发明无人机对地高度的测量的实施例进行详细描述。

参见图2，为本发明无人机对地高度的测量方法的一个实施例流程图，该实施例应用于无人机上，该无人机包括第一传感器，包括以下步骤：

步骤210：通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度。

本实施例中，第一传感器可以为鼠标传感器，也可以为其他类型的传感器，本实施例中对传感器的类型不做具体限制，只要能够取无人机在第一坐标系下的移动速度即可。另外，第一坐标系下的移动速度可以为无人机在图像坐标下的移动速度。

若第一传感器为鼠标传感器时，该鼠标传感器可以定时采集对地图像，并对该图像进行处理，根据处理结果输出无人机在图像坐标下的像素移动速度。其中，由于鼠标传感器可以安装在无人机底部，并且其镜头是朝向地面的，故鼠标传感器能够采集到对地图像。另外，本实施例中涉及到的鼠标传感器，可测量的最大移动加速度可以为30g，最大更新频率可以为12000Hz，使得其获取图像、以及处理图像的速度非常快，适合无人机飞行过程中测量无人机相对于地面的高度的需要。

步骤220：获取无人机在第二坐标系下的移动速度。

本实施例中，第二坐标系可以为世界坐标系，也可以为其他坐标系，并且获取人机在世界坐标系下的移动速度的方法有很多，比如，定时地利用全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)采集无人机在世界坐标系下的定位坐标，利用全球定位系统的采集周期以及所述定位坐标即可计算获得移动速度。

步骤230：根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度。

其中，第一坐标系可以为图像坐标系，第二坐标系可以为世界坐标系。

该图像坐标系指的是以像素为单位的坐标系，传感器采集的数字图像可以存储为数组，数组中的每一个像素的值即是图像点的亮度，每一个像素的坐标是该像素在数组中的列数和行数。

该世界坐标系指的是系统的绝对坐标系，在没有建立用户坐标系之前画面上所有点的坐标都是以该坐标系的原点来确定各自的位置的。

本实施例中，若第一坐标系为图像坐标系，第二坐标系为世界坐标系，第一传感器是鼠标传感器，无人机在图像坐标下的移动速度即n_ox和n_oy与无人机在世界坐标下的移动速度即v_x和v_y之间的关系，可以如公式(1)所示。

其中，h是无人机相对于地面的高度，θ为无人机的滚转角、φ为无人机的俯仰角，n_p为鼠标传感器的分辨率，α为鼠标传感器镜头的视野度数，t为鼠标传感器中成像模块的采样时间，n_ox和n_oy分别为鼠标传感器输出的图像坐标下的x轴方向和y轴方向的移动速度，v_x和v_y分别是无人机在世界坐标下x轴方向和y轴方向的移动速度。

故此，可以根据无人机在图像坐标下的移动速度即n_ox和n_oy与无人机在世界坐标下的移动速度即v_x和v_y之间的关系，计算无人机相对于地面的高度。

由上述实施例可见，本发明通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；获取无人机在第二坐标系下的移动速度；根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度，从而提高了针对无人机对地高度测量的速度和精准度，实现了无人机精确的仿地飞行。

参见图3，为本发明无人机定位方法的另一个实施例流程图，该实施例应用于无人机上，该无人机包括第一传感器，在执行步骤230中根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度时，可以包括以下步骤：

步骤310：判断无人机的滚转角和俯仰角是否都为零度，若判断结果为是，则执行步骤320；若判断结果为否，则执行步骤330。

本实施例中，滚转角θ和俯仰角φ皆是无人机的当前状态参数，随着无人机的飞行状态的改变而改变，可能都为零度，也可能只有一个为零度，也可能两个都不为零度。

步骤320：根据无人机在第一坐标系下的移动速度、无人机在第二坐标系下的移动速度、第一传感器的第一参数和第二参数确定无人机相对于地面的高度。

本实施例中，第一传感器的第一参数为第一传感器的分辨率，第一传感器的第二参数为第一传感器镜头的视野度数。

比如：第一坐标系为图像坐标系，第二坐标系为世界坐标系，第一传感器可以为鼠标传感器，第一参数为鼠标传感器的分辨率，第二参数为鼠标传感器的分辨率。当滚转角θ和俯仰角φ都为零度时，可以利用公式(2)、(3)或(4)计算无人机相对于地面的高度：

其中，n_o是鼠标传感器输出的图像坐标下的x轴方向和y轴方向的移动速度即n_ox和n_oy的合成速度。v可以是GPS测得的世界坐标系的移动速度，并与n_o相对应的，比如：n_o是n_ox和n_oy的合成速度，v则是无人机在世界坐标下x轴方向和y轴方向的移动速度即v_x和v_y的合成速度；n_p为鼠标传感器的分辨率，α为鼠标传感器镜头的视野度数，t为鼠标传感器中成像模块的采样时间，h是无人机相对于地面的高度。

其中，n_ox是鼠标传感器输出的图像坐标下的x轴方向的移动速度，v_x是无人机在世界坐标下x轴方向的移动速度，n_p为鼠标传感器的分辨率，α为鼠标传感器镜头的视野度数，t为鼠标传感器中成像模块的采样时间，h是无人机相对于地面的高度。

其中，n_oy也可以是鼠标传感器输出的图像坐标下的y轴方向的移动速度，v_y是无人机在世界坐标下y轴方向的移动速度，n_p为鼠标传感器的分辨率，α为鼠标传感器镜头的视野度数，t为鼠标传感器中成像模块的采样时间，h是无人机相对于地面的高度。

步骤330：根据无人机在第一坐标系下的移动速度、无人机在第二坐标系下的移动速度、第一传感器的第一参数和第二参数、以及无人机的滚转角和俯仰角确定无人机相对于地面的高度。

本实施例中，第一传感器的第一参数为第一传感器的分辨率，第一传感器的第二参数为第一传感器镜头的视野度数。

比如：第一坐标系为图像坐标系，第二坐标系为世界坐标系，第一传感器可以为鼠标传感器，第一参数为鼠标传感器的分辨率，第二参数为鼠标传感器的分辨率。当滚转角θ和俯仰角φ不是都为零度时，可以利用公式(5)或公式(6)计算无人机相对于地面的高度：

其中，φ为无人机的俯仰角，n_ox是鼠标传感器输出的图像坐标下的x轴方向的移动速度，v_x是无人机在世界坐标下x轴方向的移动速度，n_p为鼠标传感器的分辨率，α为鼠标传感器镜头的视野度数，t为鼠标传感器中成像模块的采样时间，h是无人机相对于地面的高度。

其中，θ为无人机的滚转角，n_oy也可以是鼠标传感器输出的图像坐标下的y轴方向的移动速度，v_y是无人机在世界坐标下y轴方向的移动速度，n_p为鼠标传感器的分辨率，α为鼠标传感器镜头的视野度数，t为鼠标传感器中成像模块的采样时间，h是无人机相对于地面的高度。

由上述实施例可见，根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度时，可以根据无人机的滚转角和俯仰角是否都为零度进行不同的处理，从而提高了针对无人机对地高度测量的速度和精准度。

与前述无人机对地高度的测量方法实施例相对应，本发明还提供了无人机对地高度的测量装置的实施例。

本发明无人机对地高度的测量装置的实施例可以应用在无人机上。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本发明无人机对地高度的测量装置所在设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、网络接口、内存以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的设备通常还可以包括其他硬件，如负责处理报文的转发芯片等等；从硬件结构上来讲该设备还可能是分布式的设备，可能包括多个接口卡，以便在硬件层面进行报文处理的扩展。

参见图5，为本发明无人机对地高度的测量装置的一个实施例框图，所述装置可以应用在无人机上，该无人机包括第一传感器，可以用于执行图2或图3所示的无人机对地高度的测量方法，所述装置包括：第一获取单元51、第二获取单元52和确定单元53。

其中，第一获取单元51用于通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度。

第二获取单元52用于获取无人机在第二坐标系下的移动速度。

确定单元53用于根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度。

在另一个可选的实现方式中，所述确定单元53包括：第一判断子单元和第一执行子单元(图5中未示出)。

其中，第一判断子单元用于判断无人机的滚转角和俯仰角是否都为零度；

第一执行子单元用于若第一判断子单元的判断结果为是，则根据无人机在第一坐标系下的移动速度、无人机在第二坐标系下的移动速度、第一传感器的第一参数和第二参数确定无人机相对于地面的高度。

在另一个可选的实现方式中，所述确定单元53包括：第二判断子单元和第二执行子单元(图5中未示出)。

其中，第二判断子单元用于判断无人机的滚转角和俯仰角是否都为零度。

第二执行子单元用于若第二判断子单元的判断结果为否，则根据无人机在第一坐标系下的移动速度、无人机在第二坐标系下的移动速度、第一传感器的第一参数和第二参数、以及无人机的滚转角和俯仰角确定无人机相对于地面的高度。

在另一个可选的实现方式中，所述第一传感器的第一参数为所述第一传感器的分辨率，所述第一传感器的第二参数为所述第一传感器镜头的视野度数。

在另一个可选的实现方式中，所述第一坐标系为图像坐标系，所述第二坐标系为世界坐标系。

上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

由上述实施例可见，通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；获取无人机在第二坐标系下的移动速度；根据无人机在第一坐标系下的移动速度和无人机在第二坐标系下的移动速度确定无人机相对于地面的高度，从而提高了针对无人机对地高度测量的速度和精准度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种无人机对地高度的测量方法，其特征在于，该无人机包括第一传感器，所述方法包括：

通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；

获取无人机在第二坐标系下的移动速度；

根据无人机在第一坐标系下的移动速度、无人机在第二坐标系下的移动速度、第一传感器的分辨率、第一传感器镜头的视野度数以及无人机的滚转角和俯仰角确定无人机相对于地面的高度；

无人机相对于地面的高度h的计算公式为：

或

其中，φ为无人机的俯仰角；

θ为无人机的滚转角；

n_ox是第一坐标下的x轴方向的移动速度；

n_oy是第一坐标下的y轴方向的移动速度；

v_x是无人机在第二坐标下x轴方向的移动速度；

v_y是无人机在第二坐标下y轴方向的移动速度；

n_p为第一传感器的分辨率；

α为第一传感器镜头的视野度数；

t为第一传感器中成像模块的采样时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一坐标系为图像坐标系，所述第二坐标系为世界坐标系。

3.一种无人机对地高度的测量装置，其特征在于，该无人机包括第一传感器，所述装置包括：

第一获取单元，用于通过第一传感器获取无人机在第一坐标系下的移动速度；

第二获取单元，用于获取无人机在第二坐标系下的移动速度；

确定单元，用于根据无人机在第一坐标系下的移动速度、无人机在第二坐标系下的移动速度、第一传感器的分辨率、第一传感器镜头的视野度数以及无人机的滚转角和俯仰角确定无人机相对于地面的高度；

无人机相对于地面的高度h的计算公式为：

或

其中，φ为无人机的俯仰角；

θ为无人机的滚转角；

n_ox是第一坐标下的x轴方向的移动速度；

n_oy是第一坐标下的y轴方向的移动速度；

v_x是无人机在第二坐标下x轴方向的移动速度；

v_y是无人机在第二坐标下y轴方向的移动速度；

n_p为第一传感器的分辨率；

α为第一传感器镜头的视野度数；

t为第一传感器中成像模块的采样时间。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一坐标系为图像坐标系，所述第二坐标系为世界坐标系。