CN105044672B - 基于光学编码的追踪与定位系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明涉及无人机及其应用技术领域，为提供一套能自动跟踪军警\安全人员位置同时提供周边势态的检测系统，包括一种结合了小而轻便、易于部署\回收、且工作高度适用于城区环境的无人机平台。为此，本发明采取的技术方案是，基于光学编码的追踪与定位系统，包括追踪平台、导航平台和信息终端；追踪平台为根据任务需要而搭载不同模块的四轴无人机，包括光学追踪模块、信息处理模块、传感器模块、机电控制模块、通信模块。本发明主要应用于无人机应用场合。

Description

基于光学编码的追踪与定位系统与方法

技术领域

本发明涉及无人机及其应用，军警或安全人员在城区巡逻时对周边势态监测的解决方案。具体讲，涉及无人机的追踪、定位及检测系统。

背景技术

军警\安全人员在城区里维持日常治安或者在高危地区武装巡逻时，需要准确而及时掌握周围势态，特别地，在街区中巡逻以巡逻人员为中心，周围水平距离在30-50m、垂直高度在3-20m的空间易成为监测盲区。同时，节假日时在人流量极大的大型公共场所中(例如步行街、广场等)，巡逻人员也需要及时掌握周边情况。

无人机在军事领域中安全监测方面有许多应用，如美军的RQ-8“火力侦察兵”(直升机)、RQ-11(手抛式、固定翼)、RQ-180(战略侦察型、固定翼)；我军的“翼龙”无人机(固定翼)、“刀锋”无人机(固定翼)等。然而，这些军用无人机要么因为巡航速度高、巡航高度大而适用于野外大面积的侦察；要么由于体积和噪声过大、易被发现而不适合在城区环境中应用；要么由于不适应城区中3-20m的超低空工作高度。

目前在实际应用中，很少有人提出相关成套解决方案。因此亟需一套能自动跟踪军警\安全人员位置同时提供周边势态的检测系统，包括一种结合了小而轻便、易于部署\回收、且工作高度适用于城区环境的无人机平台。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一套能自动跟踪军警\安全人员位置同时提供周边势态的检测系统，包括一种结合了小而轻便、易于部署\回收、且工作高度适用于城区环境的无人机平台。为此，本发明采取的技术方案是，基于光学编码的追踪与定位系统，包括追踪平台、导航平台和信息终端；

追踪平台为根据任务需要而搭载不同模块的四轴无人机，包括光学追踪模块、信息处理模块、传感器模块、机电控制模块、通信模块；光学追踪模块由光学镜头组成，捕获导航平台信号灯发来的光学信号；信息处理模块根据光学追踪模块捕捉到的信息来计算到跟踪目标的距离并作出相应动作；传感器模块为角度传感器，用于探测追踪平台的状态；机电控制模块根据信息处理模块的各种指令来进行控制；信息处理模块通过通信模块与信息终端相连接；

导航平台包括穿戴设备、信号灯，为追踪平台提供导航及位置信息；

信息终端可以与追踪平台通信，在遥控状态中直接遥控追踪平台、处理显示信息。

信号灯由头戴设备上的相应开关来控制，或是由信息终端来控制，信号灯用不同颜色的光来控制追踪平台的悬停或运动状态，当追踪平台与追踪目标的距离小于预设的安全距离时便后退至安全距离，使得只有在安全距离之内向目标前进的指令方为有效；穿戴设备为头盔，其上装有信号灯、开关和供电装置。

高度传感器或重力传感器中的一种。

基于光学编码的追踪与定位方法，利用前述系统实现，并包括如下步骤：

第一步，开机校准，已知信号灯间距L₀和2个球状信号灯的直径Z₀，在竖直位置等高处、水平位置在安全距离D₀＝1m处将光学跟踪模块对准信号灯并将其置于约2个球状信号灯中垂线位置，D₁为此刻的像距，L₁为此刻L₀所成像的大小，Z为此刻Z₀所成像的大小，根据有记录L₁，根据有记录Z；

第二步，放飞，此间机电控制模块调整光学追踪模块使得目标一直位于画面中心附近，方法为：

l₁为光学追踪模块到左边信号灯的距离，l₂为光学追踪模块到右边信号灯的距离，Z_i，i＝1，2；为此刻2个球状信号灯所成像的大小，从而有i＝1，2，若l₁＝l₂即Z₁＝Z₂，则追踪平台在水平方向上保持该位置；若l₁>l₂即Z₁<Z₂，则朝着左边移动直至Z₁＝Z₂；若l₁<l₂即Z₁<Z₂，则朝着右边移动直至Z₁＝Z₂；

第三步，测距，S为光学追踪模块到信号灯连线之间的距离，L为此时所成像的大小，从而有

待其上升至预设高度，测量高度的方法为：

设置光学捕捉模块与竖直方向的夹角θ并一直保持，由角度传感器负责，放飞过程中当信号灯首次出现在视野中便开始测量高度，追踪目标身高为H₀，追踪平台飞行高度为h，追踪平台与追踪目标之间的水平距离为d，光学追踪模块到信号灯连线之间的距离为S，则有d＝S·sinθ，

第四步，判断，若S<D₀即L₁<L，则上升直至L₁＝L，若S≥D₀即L₁≥L，则听从指令。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明通过结合导航平台、以四轴无人机为基础的追踪平台和信息终端，并赋以有效的追踪定位方法和新颖的工作模式，来建立一套准确有效经济的目标追踪定位系统，在民用领域可以用于娱乐；在安防领域中，能够在保持与巡逻人员同步的情况下，在高处充当巡逻人员的“眼睛”、“耳朵”等，从而缓解目前难以监控城区巡逻环境的问题。

附图说明

图1系统整体框架图。

图2校准原理图。

图3测距原理图。

图4追踪平台位置计算原理图。

图5光学追踪模块使得目标位于画面中心的方法原理图。

具体实施方式

为弥补现有装备的空白，提出一套使用结合了小而轻便、易于放飞\回收、且工作高度适用于城区环境等特点的无人机平台来自动跟踪军警\安全人员位置、同时提供周边势态的检测系统。本发明提供的监测系统能够自动跟随安全人员移动的同时，也可以通过加装不同模块来满足不同任务需求。为此，本发明采取的技术方案是，基于光学编码的追踪与定位方法和系统，包括硬件设备部分、软件部分、工作状态和跟踪办法，其中：

硬件设备部分：硬件设备部分包括追踪平台、导航平台和信息终端。

追踪平台为根据任务需要而搭载不同模块的四轴无人机，包括光学追踪模块、信息处理模块、相关传感器模块、机电控制模块、通信模块和其他模块；光学追踪模块由光学镜头组成，捕获导航平台信号灯发来的光学信号；信息处理模块根据光学追踪模块捕捉到的信息来计算到跟踪目标的距离并作出相应动作；相关传感器模块追踪平台的状态，可选用角度传感器；机电控制模块根据接收到的各种指令来进行控制；通信模块与信息终端相连接，在作用距离内保证了传输速率和安全性。

导航平台包括可穿戴设备、信号灯和供电装置，为追踪平台提供导航及位置信息。

信号灯可由头戴设备上的相应开关来控制，或是由信息终端来控制，信号灯用不同颜色的光来控制追踪平台的悬停、运动等状态，当追踪平台与追踪目标的距离小于预设的安全距离时便后退至安全距离，使得只有在安全距离之内向目标前进的指令方为有效；穿戴设备为头盔，其上装有信号灯、开关和供电装置；供电装置可以为平台提供电力。

信息终端可以与追踪平台通信、处理显示信息等，处于跟踪状态时可以接受无人机传来的影像，处于遥控状态时可以直接遥控追踪平台。

软件部分：软件部分为安装在信息终端的应用，可向追踪平台发出相应指令。

工作状态：工作状态分为放飞\回收状态、跟踪状态、遥控状态。

放飞\回收状态是在放飞、回收时的状态，此时运动状态只有垂直上升和垂直下降，直至到设定高度进而转入跟踪状态或是降落到地面；跟踪状态是追踪平台跟随追踪目标时的状态；遥控状态是追踪平台直接接收信息终端遥控的状态。

本发明的目的是提出一套适用于民用或警用的追踪与定位方法及智能系统。本发明提供的追踪方法和系统能够建立一套准确有效经济的目标追踪定位系统，在民用领域可以用作娱乐，在安防领域能够缓解目前难以监控城区巡逻环境的问题。本发明进一步具体的技术方案如下：

一套适用于民用或警用的追踪与定位方法及智能系统，包括硬件设备部分、软件部分和工作状态，其中，

硬件设备部分：

硬件设备部分包括追踪平台、导航平台和信息终端。

追踪平台为根据任务需要而搭载不同模块的四轴无人机(慢速追踪时选用普通四轴无人机、速度较大时选用涵道式四轴无人机)，包括光学追踪模块、信息处理模块、相关传感器模块、机电控制模块、通信模块和其他模块。

光学追踪模块由光学镜头组成，用于捕获导航平台上的2个球状信号灯及其发来的光学信号；信息处理模块根据光学追踪模块捕捉到的信息来识别信号灯及其颜色，然后根据其在成得的像中的位置来计算到跟踪目标的距离，接着根据信号灯的颜色进行判断并作出相应动作；相关传感器模块能够获取追踪平台的状态，本例中选用角度传感器，也可根据改变跟踪办法的需要来选用其他传感器，如高度传感器、重力传感器等；机电控制模块根据接收到的各种指令来进行控制无人机；通信模块由wifi模块组成，可与信息终端通信。

导航平台包括可穿戴设备、信号灯和供电装置，为追踪平台提供导航及位置信息。

穿戴设备为头盔，其上装有信号灯、开关和供电装置；信号灯与可穿戴设备结合在一起，为了便于无人机识别，可头戴，由穿戴设备上的相应开关来控制，或是由信息终端来控制，用不同颜色的光来控制追踪平台的悬停、运动等状态，当追踪平台与追踪目标的距离小于预设的安全距离时便后退至安全距离，使得只有在安全距离之内信息终端发来的向目标前进的指令方为有效；供电装置为平台提供电力，可加装接口，以便与信息终端相连，甚至在复杂任务中提供与其他数字化模块装备相连的接口。

信息终端为专用设备或者仅是民用智能设备如智能手机，使用者可手持，可与追踪平台通信、处理显示信息等，在跟踪状态时，接收无人机上摄像头传来的影像并储存显示；在遥控状态时，可直接控制无人机的运动。

软件部分：

软件部分为安装在信息终端的应用，向追踪平台发出相应指令。

工作状态：

工作状态包括放飞\回收状态、跟踪状态、遥控状态。

放飞\回收状态是在放飞、回收时的状态，此时运动状态只有垂直上升和垂直下降，直至到设定高度进而转入跟踪状态或是降落到地面；跟踪状态是追踪平台跟随追踪目标时的状态，以使用者目标，用信号灯作为定位基准；遥控状态是追踪平台直接接收信息终端遥控的状态。

基于光学编码的跟踪办法(工作原理)：

第一步，开机校准，已知信号灯间距L₀和2个球状信号灯的直径Z₀，在竖直位置等高处、水平位置在安全距离D₀＝1m处将光学跟踪模块对准信号灯并将其置于约2个球状信号灯中垂线位置，D₁为此刻的像距，L₁为此刻L₀所成像的大小，Z为此刻Z₀所成像的大小，根据有记录L₁，根据有记录Z；

第二步，放飞，此间机电控制模块调整光学追踪模块使得目标(使用者)一直位于画面中心附近，方法为：

l₁为光学追踪模块到左边信号灯的距离，l₂为光学追踪模块到右边信号灯的距离，Z_i(i＝1,2)为此刻2个球状信号灯所成像的大小，从而有若l₁＝l₂即Z₁＝Z₂，则追踪平台在水平方向上保持该位置；若l₁>l₂即Z₁<Z₂，则朝着左边移动直至Z₁＝Z₂；若l₁<l₂即Z₁<Z₂，则朝着右边移动直至Z₁＝Z₂；

第三步，测距，S为光学追踪模块到信号灯连线之间的距离，L为此时所成像的大小，从而有

待其上升至预设高度，测量高度的方法为：

设置光学捕捉模块与竖直方向的夹角θ并一直保持，由角度传感器负责，放飞过程中当信号灯首次出现在视野中便开始测量高度，追踪目标身高为H₀，追踪平台飞行高度为h，追踪平台与追踪目标之间的水平距离为d，光学追踪模块到信号灯连线之间的距离为S，则有d＝S·sinθ，

第四步，判断，若S<D₀即L₁<L，则上升直至L₁＝L，若S≥D₀即L₁≥L，则听从指令。

本发明提出了一套基于光学编码的追踪与定位方法及智能系统。下面结合实施例和附图对本发明进行说明。

本发明的一个实施例是：给四轴无人机加装光学追踪模块、信息处理模块、相关传感器模块、机电控制模块、通信模块和其他模块，将其变为目标追踪平台；在追踪平台上搭载不同的模块(如监视模块、监听模块、通信中继模块等)便可作为多功能的平台；将信号灯与穿戴设备(如头盔)结合，将其变为目标导航平台；再辅以目标跟踪与定位方法。该方法及系统能够准确有效经济地追踪定位目标，在民用领域可以用作娱乐，在安防领域能够缓解目前难以监控城区巡逻环境的问题。

现将本系统各部分功能介绍如下：

硬件部分：

追踪平台中，光学追踪模块能够捕获导航平台信号灯发来的光学信号；信息处理模块能够根据光学追踪模块捕捉到的信息来计算到跟踪目标的距离并作出相应动作；相关传感器模块能够获取追踪平台等状态；机电控制模块能够根据接收到的各种指令来进行控制；通信模块与信息终端相连接，能够在作用距离内保证了传输速率和安全性；

导航平台为追踪平台提供导航及位置信息；信号灯能够给追踪平台提供指令及追踪标示；穿戴设备能够为平台各模块提供容器；供电装置为平台提供电力和接口；

信息终端能够与追踪平台通信，能够在遥控状态中直接遥控追踪平台。

软件部分：

能够向追踪平台发出相应指令。

Claims (1)

1.一种基于光学编码的追踪与定位方法，其特征是，借助于如下系统实现：系统包括追踪平台、导航平台和信息终端；追踪平台为根据任务需要而搭载不同模块的四轴无人机，包括光学追踪模块、信息处理模块、传感器模块、机电控制模块、通信模块；光学追踪模块由光学镜头组成，捕获导航平台信号灯发来的光学信号；信息处理模块根据光学追踪模块捕捉到的信息来计算到跟踪目标的距离并作出相应动作；传感器模块为角度传感器，用于探测追踪平台的状态；机电控制模块根据信息处理模块的各种指令来进行控制；信息处理模块通过通信模块与信息终端相连接；

导航平台包括穿戴设备、信号灯，为追踪平台提供导航及位置信息；

信息终端与追踪平台通信，在遥控状态中直接遥控追踪平台、处理显示信息；

该方法包括如下步骤：

第一步，开机校准，已知信号灯间距L₀和2个球状信号灯的直径Z₀，在竖直位置等高处、水平位置在安全距离D₀＝1m处将光学追踪模块对准信号灯并将其置于约2个球状信号灯中垂线位置，D₁为此刻的像距，L₁为此刻L₀所成像的大小，Z为此刻Z₀所成像的大小，根据有记录L₁，根据有记录Z；

第二步，放飞，此间机电控制模块调整光学追踪模块使得目标一直位于画面中心附近，方法为：

l₁为光学追踪模块到左边信号灯的距离，l₂为光学追踪模块到右边信号灯的距离，Z_i，i＝1，2；为此刻2个球状信号灯所成像的大小，从而有i＝1，2，若l₁＝l₂即Z₁＝Z₂，则追踪平台在水平方向上保持该位置；若l₁＞l₂即Z₁＜Z₂，则朝着左边移动直至Z₁＝Z₂；若l₁＜l₂即Z₁＞Z₂，则朝着右边移动直至Z₁＝Z₂；

第三步，测距，S为光学追踪模块到信号灯连线之间的距离，L为此时所成像的大小，从而有

待其上升至预设高度，测量高度的方法为：

设置光学追踪模块与竖直方向的夹角θ并一直保持，由角度传感器负责，放飞过程中当信号灯首次出现在视野中便开始测量高度，追踪目标身高为H₀，追踪平台飞行高度为h，追踪平台与追踪目标之间的水平距离为d，光学追踪模块到信号灯连线之间的距离为S，则有d＝S·sinθ，

第四步，判断，若S＜D₀即L₁＜L，则上升直至L₁＝L，若S≥D₀即L₁≥L，则听从指令。