CN105843251A - 控制飞行器的方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制飞行器的方法、装置及系统。该方法包括：根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数；根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。通过上述技术方案，利用红外线定位确定飞行器的位置信息和姿态信息，进而实现对飞行器的控制。一方面可以利用红外线定位提高定位精度，另一方面，由于红外线定位可以在室内环境中进行，所以本公开提供的控制飞行器的方法受环境因素影响小。

Description

控制飞行器的方法、装置及系统

技术领域

本公开涉及设备测控领域，具体地，涉及一种控制飞行器的方法、装置及系统。

背景技术

飞行器是一种具有体积小、重量轻、结构简单、具有较强的机动性等特点的设备，因此，在民用和军用领域取得了广泛的应用。

目前，关于飞行器多机编队、多机协作飞行、多机协作完成特定任务的控制算法的研究，逐渐成为了国内外研究的热点。为了保证控制算法的稳定性和可靠性，需要对其进行测试，所以，很有必要搭建一套方便、高效、可靠的控制算法测试系统。

发明内容

为解决相关技术中存在的问题，本公开提供一种控制飞行器的方法、装置及系统。

本公开第一方面提供一种控制飞行器的方法，所述方法包括：

根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数；

根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。

可选地，所述根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，包括：

根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，所述N个标记点中的任一标记点用于发射红外线，或用于反射由所述红外相机发射的红外线，N为大于等于1的整数；

根据所述N个标记点的位置信息，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息。

可选地，所述根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，包括：

根据第二图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机的位置信息，其中，所述第二图像集合包括的图像与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第一标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息；

根据所述相对位置信息以及所述M个红外相机的位置信息，确定所述N个标记点的位置信息。

可选地，所述根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息，包括：

根据第三图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，其中，所述第三图像集合包括的图像与第二标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第二标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

根据所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，以及所述第一图像集合包括的图像，确定所述相对位置信息。

可选地，在所述向所述飞行器发送控制信息之后，所述方法还包括：

确定所述飞行器的控制后位置信息和控制后姿态信息；

输出位置控制精度和姿态控制精度，所述位置控制精度为所述控制后位置信息与所述预设位置信息之间的第二位置偏差量，所述姿态控制精度为所述控制后姿态信息与所述预设姿态信息之间的第二姿态偏差量。

本公开第二方面提供一种控制飞行器的系统，所述系统包括：

红外线定位子系统、地面端子系统以及飞行器控制子系统；

所述红外线定位子系统，包括M个红外相机，用于采集与所述飞行器发射或反射的红外线对应的图像，其中，M为大于等于1的整数；

所述地面端子系统，与所述红外定位子系统连接，用于根据与所述飞行器发射或反射的红外线对应的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息；并根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息；

飞行器控制子系统，设置在所述飞行器上且与所述地面端子系统连接，用于根据所述控制信息控制所述飞行器的飞行状态。

本公开第三方面提供一种控制飞行器的装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数；

发送模块，用于根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。

可选地，所述第一确定模块包括：

第一确定子模块，用于根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，所述N个标记点中的任一标记点用于发射红外线，或用于反射由所述红外相机发射的红外线，N为大于等于1的整数；

第二确定子模块，用于根据所述N个标记点的位置信息，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息。

可选地，所述第一确定子模块包括：

红外相机位置确定子模块，用于根据第二图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机的位置信息，其中，所述第二图像集合包括的图像与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第一标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

第一相对位置确定子模块，用于根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息；

标记点位置确定子模块，用于根据所述相对位置信息以及所述M个红外相机的位置信息，确定所述N个标记点的位置信息。

可选地，所述红外相机位置确定子模块包括：

位置关系确定子模块，用于根据第三图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，其中，所述第三图像集合包括的图像与第二标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第二标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

第二相对位置确定子模块，用于根据所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，以及所述第一图像集合包括的图像，确定所述相对位置信息。

可选地，所述装置还包括：

第二确定模块，用于在所述向所述飞行器发送控制信息之后，确定所述飞行器的控制后位置信息和控制后姿态信息；

输出模块，用于输出位置控制精度和姿态控制精度，所述位置控制精度为所述控制后位置信息与所述预设位置信息之间的第二位置偏差量，所述姿态控制精度为所述控制后姿态信息与所述预设姿态信息之间的第二姿态偏差量。

通过上述技术方案，利用红外线定位确定飞行器的位置信息和姿态信息，进而实现对飞行器的控制。一方面可以利用红外线定位提高定位精度，另一方面，由于红外线定位可以在室内环境中进行，所以本公开提供的控制飞行器的方法受环境因素影响小。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的系统的示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的红外线定位子系统的示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的飞行器的示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的方法的流程图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的方法中步骤S41的流程图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的方法中步骤S411的流程图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的方法中步骤S4111的流程图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的方法的另一流程图；

图9是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时滚转角的误差示意图；

图10是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时俯仰角的误差示意图；

图11是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时偏航角的误差示意图；

图12是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时X轴位置的误差示意图；

图13是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时Y轴位置的误差示意图；

图14是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时Z轴高度的误差示意图；

图15是根据一示例性实施例示出的实验测得飞行器自主悬停时X-Y轴位置的误差示意图；

图16是根据一示例性实施例示出的一种控制飞行器的装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参考图1，图1是本公开提供的一种控制飞行器的系统的示意图。该系统01包括：红外线定位子系统011、地面端子系统012以及飞行器控制子系统013。其中，红外线定位子系统011与地面端子系统012连接，飞行器控制子系统013设置在飞行器0131上且与所述地面端子系统012连接。

下面对本公开提供的控制飞行器的系统包括的各个子系统进行说明。

(1)红外线定位子系统

红外线定位子系统包括：M个红外相机、设置于飞行器上的N个标记点、标定杆、地面端同步设备。红外线子系统与地面端子系统中的地面端第一计算机连接。地面端第一计算机上运行红外线定位子系统软件(例如：Motive软件)，通过红外线定位子系统软件确定飞行器的位置信息和姿态信息。其中，M和N为大于等于1的整数。M个红外相机与地面端同步设备之间、以及地面端同步设备与地面端第一计算机之间通过有线网络或无线网络建立通信连接。如果M个红外相机与地面端同步设备之间或者地面端同步设备与地面端第一计算机之间通过有线网络连接，则红外定位子系统还包括网络连接线。

M个红外相机分布在飞行器的周围，M个红外相机分布地越均匀，M个红外相机的共有视场越大，红外线定位系统有效定位的空间越大。在设置于飞行器上的N个标记点用于发射红外线时，M个红外相机用于采集N个标记点发射的红外线对应的图像。在设置于飞行器上的N个标记点用于反射红外线时，M个红外相机用于发射红外线，M个红外相机发射的红外线被N个标记点反射后，M个红外相机用于采集N个标记点反射的红外线对应的图像。M个红外相机将采集到的图像发送给地面端同步设备，地面端同步设备对M个红外相机采集到的图像进行同步，以保证M个红外相机的同步性，最后，地面端同步设备将同步后的图像发送给地面端第一计算机，由地面端第一计算机根据接收到的图像确定飞行器的位置信息和姿态信息。

请参考图2，图2是根据一示例性实施例示出的红外线定位子系统的示意图。红外线子系统包含8个红外相机，均匀安装在钢架上，其中，4个相机安装在钢架的四角，另外4个相机安装在钢架四个边的中间位置。在钢架与地面之间四周搭建了钢丝防护网，用来保护操作人员及控制飞行器在规定空间内运动。

8个红外相机通过8根POE以太网线连接到GigE同步盒上，同时，GigE同步盒通过POE以太网线连接到地面端第一计算机上。相机采集到的图像通过POE以太网线传输给GigE同步盒做同步处理，以保证8个红外相机的同步性，然后由GigE同步盒通过以太网传输给到地面端第一计算机。

根据钢架四个边以及钢架与地面之间的垂直距离，图2所示的红外线定位子系统有效定位的空间为10m×10m×5m，定位精度为亚毫米，最大可实现180Hz的精确运动捕捉(此时红外线子系统的最大延时时间为5.3ms)。

8个红外相机中的每个红外相机提供波长为850nm的红外照明，设置于飞行器上的4个标记点(不对称放置)，会反射红外相机的发射的红外光线，红外相机实时捕捉到这些反射光流，进而采集到对应的图像。每个相机将采集到的图像经过千兆以太网传输给GigE同步盒进而传输给地面端第一计算机。地面端第一计算机根据接收到的图像确定飞行器的位置信息和姿态信息。

标定杆是用于对M个红外相机进行标定的。在M个红外相机采集与飞行器发射或反射的红外线对应的图像之前，需要对M个红外相机进行标定。标定杆上设置有标记点，标定杆上设置的标记点与设置于飞行器上的标记点的作用相同，在此就不再赘述。在对M个红外相机进行标定前，需要对M个红外相机的参数进行设置，使得在标定杆上设置的标记点位于M个红外相机的共有视场时，每个红外相机的显示画面中都有相应个数的标志点，无干扰点。

标定杆包括第一标定杆和第二标定杆。第一标定杆是T型标定杆，用于确定M个红外相机中的一个红外相机(以下称为参考红外相机)的位置信息以及确定M个红外相机中的其他红外相机相对于参考红外相机的相对位置信息。第二标定杆是L型标定杆，用于确定M个红外相机相对于地平面的位置关系。

对M个红外相机进行标定的一种可能的方法为：人手握持或机械握持T型标定杆在M个红外相机的共有视场内进行晃动，尽量保证共有视场内的每一区域都均匀的挥舞到。直到每个红外相机采集到的标记点的个数到1000以上，可以将M个红外相机采集到的与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应的图像发送给地面端同步设备，地面端同步设备对M个红外相机采集到的图像进行同步，以保证M个红外相机的同步性，最后，地面端同步设备将同步后的图像发送给地面端第一计算机，由地面端第一计算机根据接收到的图像确定参考红外相机的位置信息以及M个红外相机中的其他红外相机相对于参考红外相机的相对位置信息。

人手或机械将L型标定杆放置在M个红外相机的共有视场内，在共有视场中可以显示代表L型的预定数量个标记点，将预定数量个标记点中的部分标记点作为地平面，则可得到M个红外相机相对于地平面的位置关系。

对M个红外相机标定完成之后，可以利用M个红外相机采集与飞行器发射或反射的红外线对应的图像，进而确定飞行器的位置信息和姿态信息。红外线定位子系统可以同时确定多个飞行器的位置信息和姿态信息。假如红外线定位子系统的有效定位空间中有2架飞行器，则可以在每架飞行器上放置4个标记点，在Motive软件中分别选择2架飞行器上的4个标记点，Motive软件可以确定2架飞行器的位置信息和姿态信息，最终发送给第一地面端计算机。

红外线定位子系统的定位精度非常高，在红外线定位子系统的有效定位空间中静止放置一个飞行器，其位置信息的定位精度小于1mm，满足对飞行器进行控制的要求，因此，对其位置信息无需进行滤波处理即可直接使用。

(2)地面端子系统

地面端子系统包括：第一地面端计算机、第二地面端计算机以及第三地面端计算机。第一地面端计算机已经在前文说明，在此就不再赘述。第一地面端计算机与第二地面端计算机、第二地面端计算机与第三地面端计算机之间通过UDP(中文：用户数据报协议；英文：User Datagram Protocol)通讯。第二地面端计算机上运行QT(一种跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架)。第三地面端计算机上运行Matlab。

地面站子系统主要包括三个功能：通信设置、飞行状态监测与显示、控制算法处理。其中，通信设置功能由第二地面端计算机实现，控制算法处理由第三地面端计算机实现，飞行状态监测与显示是指监测飞行器的飞行状态，并显示飞行器的飞行状态参数，由第二地面端计算机和第三地面端计算机共同实现。

1)通信设置用于实现地面端子系统包括的各地面端计算机之间的UDP通讯，以及地面端子系统与飞行器控制子系统之间的无线通讯，以及飞行器控制子系统与地面端子系统之间的无线通讯，这三种数据通讯分别对应着第二地面端计算机的三个通讯接口所提供的功能：UDP通讯、上行串口通讯、下行串口通讯。其中，上行串口通讯和下行串口通讯可以通过设置在第二地面计算机上的无线数据传输模块以及设置在飞行器上的无线数据传输模块实现。这三种数据通讯的过程如下：

UDP通讯：第一地面端计算机在确定飞行器的位置信息和姿态信息后，通过UDP通讯将飞行器的位置信息和姿态信息发送给第二地面端计算机，第二地面端计算机一方面对接收到的姿态信息进行处理后，通过UDP通讯将接收到的位置信息和处理后的姿态信息发送给第三地面端计算机；第二地面端计算机另一方面对接收到的位置信息和姿态信息进行显示。

下行串口通讯：第二地面端计算机将控制信息传输给飞行器，进而实现对飞行器的飞行状态的控制；

上行串口通讯：飞行器将飞行器的飞行状态参数回传给地面端子系统中的第二地面端计算机或第三地面端计算机，以使得第二地面端计算机或第三地面端计算机对飞行器的飞行状态参数进行显示。

2)飞行状态监测与显示包括：监测飞行器的飞行状态，并显示飞行器的飞行状态参数。主要有虚拟姿态仪表的显示，飞机惯性参数(位置、姿态角、速度、角速度)的数值显示，以及飞机飞行的3D的显示。

其中，第二地面端计算机实现飞行状态监测与显示包括：第一地面端计算机在确定飞行器的位置信息和姿态信息后，向第二地面端计算机发送飞行器的位置信息和姿态信息，第二地面端计算机对接收到的位置信息和姿态信息进行显示。

第三地面端计算机实现飞行状态监测与显示包括：飞行器上设置的传感器模块对飞机的角速度、加速度、姿态信息测量后，发送给第三地面端计算机，第三地面端计算机对接收到的角速度、加速度、姿态信息进行显示。

3)控制算法处理：关于飞行器多机编队、多机协作飞行、多机协作完成特定任务的控制算法，可以在第三地面端计算机上运行的Matlab中执行，然后Matlab将控制信息发送给飞行器控制子系统，从而控制飞行器。

第三地面端计算机一方面确定预设位置信息和预设姿态信息，另一方面接收第二地面端计算机发送的位置信息和处理后的姿态信息。然后根据接收到的位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及接收到的姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向飞行器控制子系统发送控制信息。

第三地面端计算机确定预设位置信息和预设姿态信息的可能的方式为：第三地面端计算机接收遥控设备发送的遥控信息，遥控信息可以是对飞行器的航线规划信息，还可以是控制飞行器执行特定动作(例如：前进、后退、回转等)的控制信息。也可以是用户向与第三地面端计算机连接的设置参数面板输入位置信息和姿态信息，设置参数面板将用户输入的位置信息和姿态信息发送给第三地面端计算机。

第三地面端计算机接收第二地面端计算机发送的位置信息和处理后的姿态信息，包括：第一地面端计算机在确定飞行器的位置信息和姿态信息后，将飞行器的位置信息和姿态信息发送给第二地面端计算机，其中，姿态信息是用四元数表示的，第二地面端计算机对接收到的姿态信息进行处理，将四元数转换为欧拉角。需要考虑转换的坐标系，本文采用的坐标系为：右手Right-Handed(RHS)坐标系，飞行器绕X轴转动的角度为滚转角(Roll)，飞行器绕Y轴转动的角度为俯仰角(Pitch)，飞行器绕Z轴为航向角(Yaw)，定义φ,θ,ψ分别为飞行器绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度，其中，任意定义坐标系，一般选取视场中心为原点，中心指向编号为1红外相机为X轴，右侧垂直于X轴为Y轴，依据右手螺旋定则垂直向下为Z轴。从四元数转换到欧拉角的公式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\θ}\\ \mathrm{\ψ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\arctan \frac{2(wx+yz)}{1-2(x^2+y^2)}\\ \arcsin \left(2\left(wy-zx\right)\right)\\ \arctan \frac{2(wz+xy)}{1-2(y^2+z^2)}\end{array}\right]$

上述公式中，w，x，y，z为姿态四元数，是一种表达姿态三个角度的数学方法，使用它的好处是不会在俯仰角为90度时出现姿态角奇异值。

arctan和arcsin的结果是[-π/2,π/2]，这并不能覆盖所有朝向(对于θ角[-π/2,π/2]的取值范围已经满足)，因此需要用atan2来代替arctan。相应的，从四元数转换到欧拉角的公式变换为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\θ}\\ \mathrm{\ψ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}atan2(2\left(wx+yz\right),1-2\left(x^2+y^2\right))\\ \arcsin \left(2\left(wy-zx\right)\right)\\ atan2(2\left(wz+xy\right),1-2\left(y^2+z^2\right))\end{array}\right]$

最后，第三地面端计算机计算接收到的位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及接收到的姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，根据第一位置偏差量和第一姿态偏差量，确定向飞行器控制子系统发送的控制信息，然后将控制信息通过UDP通讯发送给第二地面端计算机，第二地面端计算机将接收到的控制信息通过第二地面端计算机中的无线数据传输模块发送给飞行器控制子系统中的无线数据传输模块。进而实现飞行器的自主控制。

(3)飞行器控制子系统

飞行器控制子系统设置在飞行器上，飞行器控制子系统中还可以集成传感器模块。如前文所述，飞行器上还设置有N个标记点，为提高姿态角测量的准确度，N个标记点在飞行器上不对称设置。如前文所述，飞行器还包括：无线数据传输模块。此外，飞行器还包括：电机、驱动模块、电源模块、处理器、PWM(中文：脉冲宽度调制；英文：PulseWidthModulation)模块。传感器模块与处理器之间通过SPI(中文：串行外设接口；英文：SerialPeripheral Interface)连接，无线数据通信模块与处理器之间通过串口连接。请参考图3，图3是根据一示例性实施例示出的飞行器的示意图。

飞行器控制子系统中的处理器用于接收控制信息，在接收到控制信息后，控制驱动模块按照控制信息对电机进行驱动，进而实现飞行器的自主控制。

举例来讲，XYZ轴速度控制器、航向角速度控制器采用比例积分微分(PID)及前馈控制，且偏向比例微分控制，以提高无人机的响应速度；XYZ轴位置控制器、XY轴姿态控制器、航向控制器使用比例及前馈控制，用于实现飞行器的姿态信息及位置信息的跟踪。

下面对本公开提供的控制飞行器的方法进行说明。请参考图4，图4是本公开提供的一种控制飞行器的方法的流程图。该方法应用于图1所示的地面端子系统，该方法包括以下步骤。

在步骤S41中，根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数。

在步骤S42中，根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。

具体来讲，飞行器发射或发射红外线是由设置于飞行器上的N个标记点完成的。在设置于飞行器上的N个标记点用于发射红外线时，M个红外相机用于采集N个标记点发射的红外线对应的图像。在设置于飞行器上的N个标记点用于反射红外线时，M个红外相机用于发射红外线，M个红外相机发射的红外线被N个标记点反射后，M个红外相机用于采集N个标记点反射的红外线对应的图像。

M个红外相机将采集到的图像发送给第一地面端计算机，第一地面端计算机采用预测实时图像处理技术确定飞行器的位置信息和姿态信息。其中，飞行器的位置信息包括飞行器在X轴、Y轴、Z轴的坐标值，飞行器的姿态信息飞行器的滚转角、俯仰角以及偏航角，即飞行器绕X轴、Y轴、Z轴旋转的角度，其中，选取视场中心为原点，中心指向编号为1红外相机为X轴，右侧垂直于X轴为Y轴，依据右手螺旋定则垂直向下为Z轴。第一地面端计算机确定飞行器的位置信息和姿态信息后，将飞行器的位置信息和姿态信息通过UDP通讯发送给第二地面端计算机，第二地面端计算机对接收到的姿态信息进行处理，将接收到的姿态信息由四元数转换到欧拉角，然后将处理后的姿态信息和接收到的位置信息发送给第三地面端计算机，第三地面端计算机一方面确定预设位置信息和预设姿态信息，另一方面接收第二地面端计算机发送的位置信息和处理后的姿态信息。然后根据接收到的位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及接收到的姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向飞行器控制子系统发送控制信息。

本公开中，利用红外线定位确定飞行器的位置信息和姿态信息，进而实现对飞行器的控制。一方面可以利用红外线定位提高定位精度，另一方面，由于红外线定位可以在室内环境中进行，所以本公开提供的控制飞行器的方法受环境因素影响小。

可选地，如图5所示，步骤S41包括以下步骤。

在步骤S411中，根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，所述N个标记点中的任一标记点用于发射红外线，或用于反射由所述红外相机发射的红外线，N为大于等于1的整数。

在步骤S412中，根据所述N个标记点的位置信息，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息。

具体来讲，M个红外相机将采集到的图像发送给第一地面端计算机，第一地面端计算机首先确定设置于飞行器上的N个标记点的位置信息。然后再根据N个标记点的位置信息，确定飞行器的位置信息和姿态信息。其中，根据N个标记点的位置信息，确定飞行器的位置信息和姿态信息的过程如下：

由于N个标记点是均匀分布在飞行器上的，所以将N个标记点所围成的中心点的位置信息作为飞行器的位置信息。飞行器的姿态信息是根据N个标记点的位置信息以及N个标记点之间的相对位置信息确定的，如何确定N个标记点的位置信息以及如何确定N个标记点之间的相对位置信息，请见下文。

可选地，如图6所示，步骤S411包括以下步骤。

在步骤S4111中，根据第二图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机的位置信息，其中，所述第二图像集合包括的图像与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第一标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中。

在步骤S4112中，根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息。

在步骤S4113中，根据所述相对位置信息以及所述M个红外相机的位置信息，确定所述N个标记点的位置信息。

为了提高红外线定位的精度，在红外相机确定N个标记点的位置信息之前，先对M个红外相机进行标定，并且确定M个红外相机的位置信息。对M个红外相机进行标定的过程请见前文，在此就不再赘述。如前文所述，在对M个红外相机进行标定的过程中，可以确定M个红外相机中的参考红外相机的位置信息以及确定M个红外相机中的其他红外相机相对于参考红外相机的相对位置信息，进而确定M个红外相机的位置信息。

第一地面端计算机一方面确定M个红外相机的位置信息，另一方面接收M个红外相机发送的与N个标记点发射或反射的红外线对应的图像，然后根据接收到的图像确定N个标记点相对于M个红外相机的相对位置信息。最后，第一地面端计算机根据M个红外相机的位置信息和N个标记点相对于M个红外相机的相对位置信息，确定N个标记点的位置信息。如何确定N个标记点相对于M个红外相机的相对位置信息，请见下文。

可选地，如图7所示，步骤S4111包括以下步骤。

在步骤S41111中，根据第三图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，其中，所述第三图像集合包括的图像与第二标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第二标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中。

在步骤S41112中，根据所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，以及所述第一图像集合包括的图像，确定所述相对位置信息。

如前文所述，在对M个红外相机进行标定的过程中，可以确定M个红外相机相对于地平面的位置关系。第一地面端计算机一方面根据M个红外相机相对于地平面的位置关系，可以确定M个红外相机的相机坐标系与飞行器的飞行器坐标系之间的对应关系；另一方面根据与N个标记点发射或发射的红外线对应的图像，确定N个标记点在红外相机的相机坐标系中的三维坐标；最后将N个标记点在红外相机的相机坐标系中的三维坐标转换为在飞行器的飞行器坐标系中的三维坐标。这样，就可以确定N个标记点相对于M个红外相机的相对位置信息。

可选地，如图8所示，地面端子系统在执行完步骤S42之后，还可以执行以下步骤：

在步骤S43中，确定所述飞行器的控制后位置信息和控制后姿态信息。

在步骤S44中，输出位置控制精度和姿态控制精度，所述位置控制精度为所述控制后位置信息与所述预设位置信息之间的第二位置偏差量，所述姿态控制精度为所述控制后姿态信息与所述预设姿态信息之间的第二姿态偏差量。

如前文所示，地面端子系统中的第三地面端计算机在向飞行器控制子系统发送控制信息后，飞行器控制子系统中的处理器在接收到控制信息后，控制驱动模块按照控制信息对电机进行驱动，因此，飞行器的位置信息和姿态信息会相应地发生改变。为检测本公开提供的控制飞行器的方法的控制精度，可以按照图4所示的方法确定飞行器控制子系统根据控制信息控制飞行器的飞行状态之后，飞行器的位置信息和姿态信息(为与飞行器控制子系统在接收到控制信息之前，飞行器的位置信息和姿态信息区别，以下称为控制后位置信息和控制后姿态信息)，然后将控制后位置信息与预设位置信息之间的第二位置偏差量作为位置控制精度，将控制后姿态信息与预设姿态信息之间的第二姿态偏差量作为姿态控制精度。

举例来讲，设定飞行器悬停的位置坐标为(0，200mm，1600mm)，该位置坐标是选取视场中心为原点，中心指向编号为1红外相机为X轴，右侧垂直于X轴为Y轴，依据右手螺旋定则垂直向下为Z轴的坐标系中的位置坐标。滚转角、俯仰角及偏航角均为0°。通过测量飞行器在自主悬停状态下的位置控制精度和姿态控制精度来验证试验本公开提供的控制飞行器的系统的可行性与可靠性。

以M等于8为例，飞行器在自主悬停时，被8个红外相机同时捕捉到，由此捕捉到的飞行器的位置信息和姿态信息。请参考图9，图9为实验测得飞行器自主悬停时滚转角的误差示意图。图10为实验测得飞行器自主悬停时俯仰角的误差示意图。图11为实验测得飞行器自主悬停时偏航角的误差示意图。图9-图11中虚线分别代表滚转角、俯仰角和偏航角的预设值，本次实验中三个姿态角的预设值均为0°。图9-图11中的实线分别代表滚转角、俯仰角和偏航角的实际测量值，亦即飞行器姿态角的控制精度。从图9中可以看出，滚转角的角度控制偏差为﹣1°～﹢1.5°，从图10中可以看出，俯仰角的角度控制偏差为﹣1°～﹢1°，从图11中可以看出，偏航角的角度控制偏差为﹣0.5°～﹢1.5°。

请参考图12，图12为实验测得飞行器自主悬停时X轴位置的误差示意图。请参考图13，图13为实验测得飞行器自主悬停时Y轴位置的误差示意图。请参考图14，图14为实验测得飞行器自主悬停时Z轴位置的误差示意图。图12-图14中，虚线分别代表X轴位置、Y轴位置和Z轴高度的预设值，飞行器悬停的位置坐标为(0，200mm，1600mm)。图12-图14中，实线分别代表飞行器自主悬停时三维位置的实际测量值，亦即飞行器的位置和高度的定位控制精度。从图12中可以看出，X轴位置的定位控制偏差为﹣90～﹢90mm，从图13中可以看出，Y轴位置的定位控制偏差为﹣80～﹢80mm，从图14中可以看出，Z轴高度的定位控制偏差为﹣100～﹢100mm。

请参考图15，图15为实验测得飞行器自主悬停时X-Y轴位置偏差的示意图，可以直观地反映出飞行器自主悬停时X-Y轴位置的变化情况。图15中圆点为飞行器预设的X-Y悬停位置，实线为飞行器实际悬停中X-Y轴位置的变化情况，虚线框为飞行器实际悬停位置的边界。从图中可以看出飞行器悬停X-Y位置偏差的变化范围为80～100mm。由图15可知，应用本公开提供的控制飞行器的系统展开的飞行器自主悬停实验中，X-Y轴位置偏差的变化范围为80～100mm，即定位控制精度最高为80mm，由此可以验证本公开提供的控制飞行器的系统具有很好的可行性和可靠性。

基于同一发明构思，本公开提供一种控制飞行器的装置，如图16所示，所述装置100包括：

第一确定模块101，用于根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数；

发送模块102，用于根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。

可选地，所述第一确定模块101包括：

第一确定子模块，用于根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，所述N个标记点中的任一标记点用于发射红外线，或用于反射由所述红外相机发射的红外线，N为大于等于1的整数；

第二确定子模块，用于根据所述N个标记点的位置信息，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息。

可选地，所述第一确定子模块包括：

红外相机位置确定子模块，用于根据第二图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机的位置信息，其中，所述第二图像集合包括的图像与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第一标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

第一相对位置确定子模块，用于根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息；

标记点位置确定子模块，用于根据所述相对位置信息以及所述M个红外相机的位置信息，确定所述N个标记点的位置信息。

可选地，所述红外相机位置确定子模块包括：

位置关系确定子模块，用于根据第三图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，其中，所述第三图像集合包括的图像与第二标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第二标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

第二相对位置确定子模块，用于根据所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，以及所述第一图像集合包括的图像，确定所述相对位置信息。

可选地，所述装置还包括：

第二确定模块，用于在所述向所述飞行器发送控制信息之后，确定所述飞行器的控制后位置信息和控制后姿态信息；

输出模块，用于输出位置控制精度和姿态控制精度，所述位置控制精度为所述控制后位置信息与所述预设位置信息之间的第二位置偏差量，所述姿态控制精度为所述控制后姿态信息与所述预设姿态信息之间的第二姿态偏差量。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种控制飞行器的方法，其特征在于，所述方法包括：

根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数；

根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，包括：

根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，所述N个标记点中的任一标记点用于发射红外线，或用于反射由所述红外相机发射的红外线，N为大于等于1的整数；

根据所述N个标记点的位置信息，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，包括：

根据第二图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机的位置信息，其中，所述第二图像集合包括的图像与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第一标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息；

根据所述相对位置信息以及所述M个红外相机的位置信息，确定所述N个标记点的位置信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息，包括：

根据第三图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，其中，所述第三图像集合包括的图像与第二标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第二标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

根据所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，以及所述第一图像集合包括的图像，确定所述相对位置信息。

5.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，在所述向所述飞行器发送控制信息之后，所述方法还包括：

确定所述飞行器的控制后位置信息和控制后姿态信息；

输出位置控制精度和姿态控制精度，所述位置控制精度为所述控制后位置信息与所述预设位置信息之间的第二位置偏差量，所述姿态控制精度为所述控制后姿态信息与所述预设姿态信息之间的第二姿态偏差量。

6.一种控制飞行器的系统，其特征在于，所述系统包括：

红外线定位子系统、地面端子系统以及飞行器控制子系统；

所述红外线定位子系统，包括M个红外相机，用于采集与所述飞行器发射或反射的红外线对应的图像，其中，M为大于等于1的整数；

所述地面端子系统，与所述红外定位子系统连接，用于根据与所述飞行器发射或反射的红外线对应的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息；并根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息；

飞行器控制子系统，设置在所述飞行器上且与所述地面端子系统连接，用于根据所述控制信息控制所述飞行器的飞行状态。

7.一种控制飞行器的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于根据第一图像集合包括的由M个红外相机采集的图像，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息，其中，所述第一图像集合包括的图像与所述飞行器发射或反射的红外线对应，M为大于等于1的整数；

发送模块，用于根据所述位置信息与预设位置信息之间的第一位置偏差量，以及所述姿态信息与预设姿态信息之间的第一姿态偏差量，向所述飞行器发送控制信息。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块包括：

第一确定子模块，用于根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点的位置信息，所述N个标记点中的任一标记点用于发射红外线，或用于反射由所述红外相机发射的红外线，N为大于等于1的整数；

第二确定子模块，用于根据所述N个标记点的位置信息，确定所述飞行器的位置信息和姿态信息。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一确定子模块包括：

红外相机位置确定子模块，用于根据第二图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机的位置信息，其中，所述第二图像集合包括的图像与第一标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第一标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

第一相对位置确定子模块，用于根据所述第一图像集合包括的图像，确定设置于所述飞行器上的N个标记点相对于所述M个红外相机的相对位置信息；

标记点位置确定子模块，用于根据所述相对位置信息以及所述M个红外相机的位置信息，确定所述N个标记点的位置信息。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述红外相机位置确定子模块包括：

位置关系确定子模块，用于根据第三图像集合包括的由所述M个红外相机采集的图像，确定所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，其中，所述第三图像集合包括的图像与第二标定杆上设置的标记点发射或反射的红外线对应，所述第二标定杆位于所述M个红外相机的共有视场中；

第二相对位置确定子模块，用于根据所述M个红外相机相对于地平面的位置关系，以及所述第一图像集合包括的图像，确定所述相对位置信息。

11.根据权利要求7-10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二确定模块，用于在所述向所述飞行器发送控制信息之后，确定所述飞行器的控制后位置信息和控制后姿态信息；

输出模块，用于输出位置控制精度和姿态控制精度，所述位置控制精度为所述控制后位置信息与所述预设位置信息之间的第二位置偏差量，所述姿态控制精度为所述控制后姿态信息与所述预设姿态信息之间的第二姿态偏差量。