CN106774365A - 一种基于外部视觉定位的无人机调试系统 - Google Patents

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张海涛
刘彬
周维
赵杰
莫小雨
孙伟高
吴玮
胡勇
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

Abstract

本发明公开了一种基于外部视觉定位的无人机调试系统，包括视觉定位系统和控制平台；视觉定位系统由多个红外摄像头组成，呈环状分布，可以精确定位可视区域内的标记点；无人机放置在所述摄像头定位系统的可视区域内，并安置大于两个的标记点；控制平台与所述视觉定位系统用于获取所述无人机的位置和姿态，并通过无线设备与所述无人机通信，控制所述无人机上的驱动电机。本发明可以方便精确地调试无人机，不仅仅可以控制无人机的姿态，还可以控制飞行轨迹，且所有控制程序在控制平台上便可以完成，不需要烧录到无人机上。与现有技术不同，本发明不需要底座，可解决现有技术中调试环境与实际环境差别大，难以获得精确轨迹的问题。

Description

一种基于外部视觉定位的无人机调试系统
技术领域
本发明属于无人机技术领域，更具体地，涉及一种基于外部视觉定位的无人机调试系统。
背景技术
随着无人机技术的发展，人们对无人机的性能也越来越高，一个方便高精度的调试平台便成了迫切的需要。无人机又是一个复杂性高，惯性大，环境干扰大的一个系统。调试平台将很大程度上影响着调试出来无人机性能的好坏。而现在大部分的无人机调试平台都是有底座的，将无人机固定在底座上与实际运行的无人机环境不同，调试出来的性能与实际中的也有很大不同。由于固定在底座上，也无法观察到传感器温漂对无人机的影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于外部视觉定位的无人机调试系统，该系统不需要底座，以求解决现有技术中调试环境与实际环境差别大，难以获得精确轨迹的问题。
本发明提供了一种基于外部视觉定位的无人机调试系统，包括视觉定位系统和与之相连的控制平台，其中；
所述视觉定位系统由至少3个红外摄像头组成，呈环状分布，摄像头固定在离地面一定高度，朝向环的中心点，用于将采集的无人机图像数据传输到控制平台中，用于精确定位可视区域内的标记点；所述可视区域为最少两个摄像头可观测到的共同区域，所述标记点由反光材料制作而成的小球体，可以反射红外光；所调试的无人机设置在所述视觉定位系统的可视区域内，并在机身上设置不小于三个并容易被摄像头捕捉到的标记点；
所述控制平台包括通信模块和控制模块；采集视觉定位系统传来的图像数据，通过多目视觉坐标测量算法获取所述无人机上标记点的位置，并传输到控制模块中；所述控制模块通过四元数法解算出无人机的欧拉角和三维坐标，从而得到无人机的位置和姿态信息；
所述控制平台的控制模块通过控制算法计算出无人机上各个驱动电机的控制量；所述控制算法包括双闭环PID算法和LQR算法，所述控制量包括PWM信号和电压信号；所述控制平台通过通信模块与所述无人机通信，传送控制量，用于控制所述无人机上的驱动电机，从而改变电机的转速，实现对无人机的控制。
工作中，所述控制平台通过所述视觉定位系统获得所述无人机上所有标记点的位置，进而解算出无人机的姿态和轨迹，再通过控制算法得到无人机上驱动电机的控制量，包括PWM信号和电机电压信号，通过通信模块将这些控制量发送到所述无人机，所述无人机接收到无线信号并执行命令。
进一步的，所述摄像头安置在摄像头支架上，或安置在墙壁上或者悬挂在建筑物上。
进一步的，所述无人机包括四旋翼无人机、多旋翼无人机、小型无人机和鱼鹰无人机。
进一步的，所述视觉定位系统能通过多目视觉坐标测量算法处理技术获取无人机的姿态信息、位置信息和运动轨迹。
进一步的，所述控制平台的控制模块嵌在PC机中。
进一步的，所述控制模块是无人机控制系统中的一部分，或者是与无人机控制系统通信的独立模块。
工作时，所述控制平台通过所述视觉定位系统获得所述无人机上所有标记点的位置，进而解算出无人机的姿态和轨迹，再通过控制模块得到无人机上驱动电机的控制量，包括PWM信号和电机电压信号，最后通过无线方式将控制量发送到所述无人机，所述无人机接收并执行命令。
本发明中，所述控制平台可直接控制无人机上的电机，因此在调试过程中可随意设计控制模块中的控制算法而不需要对无人机进行程序的烧录，这样极大地节省了调试时间，方便了调试。所述视觉定位系统(201)可无接触测量出无人机的姿态和位置信息，调试环境高程度地逼近实际中的应用环境，这样调试出来的效果可以很好地与实际环境中的效果吻合。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于外部视觉定位的无人机调试系统结构示意图；
图2为验证本发明实施例的有效性而提供的系统结构框图；
图3为验证本发明实施例的有效性而提供的四旋翼无人机；
其中，1为基于外部视觉定位的无人机调试系统、2为系统结构框图、201为视觉定位系统、202为摄像头支架、203为视觉定位系统的可视区域、204为无人机飞行器、205为控制平台、206为四旋翼无人机螺旋桨、207为标记点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
这里的视觉定位系统布置在周围，八个红外摄像头安装在2m高的地方呈环形分布，每个摄像头朝着环形的中央，无人机在摄像头的可视区域内飞行，由荧光粉制成的4个球形标记点安装在无人机的上侧，为了使调试环境与实际环境一致，这里的无人机与其他物体没有任何物理连接。无人机在调试飞行过程中，安装在无人机上的标记点可以被视觉定位系统系统捕捉到并解算出空间坐标。控制平台由控制模块和通信模块组成，通信模块为24L01无线通讯模块，控制模块为嵌入到PC机中的上位机，可以获得无人机上多个标记点的空间坐标并通过四元素算法解算出无人机的姿态、位置和轨迹。控制模块中的控制算法通过获得的姿态、位置和轨迹通过PID控制算法计算出下一步无人机上驱动电机的控制量，并通过24L01无线模块发送到指令到无人机上。无人机接收到信号后，按照信号中的控制量控制驱动电机。这样便形成了一个闭环调试。控制算法可以直接在控制平台上修改，省去了烧录程序的过程。通过发送平稳飞行的指令，可以实现无人机在可视区域内稳定的飞行，即在X,Y,Z上的坐标值趋于一个定值。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在本发明实施例中，系统的结构框图如图2所示，视觉定位系统检测到无人机上标记点的位置发送到控制平台上，控制平台根据标记点的位置利用四元数法解算出无人机的欧拉角和三维坐标，并通过双闭环PID控制算法得出响应电机的控制量，再通过24L01无线模块发送到无人机上。详细过程如下：
1：如图3所示的四旋翼无人机，当无人机向左倾斜的时候，即标记点1、3的位置要低于标记点2、4的位置。视觉定位系统将四个标记点的位置发送到控制平台上；
2：控制平台通过视觉定位系统识别出标记点1、3的位置要低于标记点2、4的位置，通过控制算法计算出了各个驱动电机的控制量，这里的控制量是PWM信号。为了使无人机的姿态保持平衡，1、3驱动电机的控制量要大于2、4驱动电机的控制量。并将驱动电机的控制量通过24L01无线模块发送到无人机上；
3：无人机将接受到的信号进行处理，获得了各个驱动电机的控制量，并相应地控制各个驱动电机。此时1、3驱动电机的控制量要大于2、4驱动电机的控制量，因此也可以提供更大的升力，使无人机往右边倾斜。
通过不断地调整，最终无人机保持了稳定的姿态。此调试平台可以真实模拟实际中的各种情况，并且通过控制平台上设计控制算法和调试，再通过24L01通信模块发送指令去控制，可以实现一种便捷快速的调试，极大提高了调试效率。最终调试出来的无人机，在实际中也有同样的性能。现有的无人机调试平台多为基于基座式的调试，该调试方法由于空间的限制很难高程度地逼近实际的应用环境，而本发明通过视觉定位系统检测无人机的姿态和位置，很好地解决了此问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于外部视觉定位的无人机调试系统，其特征在于，包括视觉定位系统(201)和与之相连的控制平台(205)，其中；
所述视觉定位系统(201)由至少3个红外摄像头组成，呈环状分布，摄像头固定在离地面一定高度，朝向环的中心点，用于将采集的无人机图像数据传输到控制平台(205)中，以便精确定位可视区域内的标记点；所述可视区域为最少两个摄像头可观测到的共同区域，所述标记点由反光材料制作而成的小球体，可以反射红外光；所调试的无人机设置在所述视觉定位系统(201)的可视区域内，并在机身上设置至少三个并容易被摄像头捕捉到的标记点；
所述控制平台(205)包括通信模块和控制模块；采集视觉定位系统(201)传来的图像数据，通过多目视觉坐标测量算法获取所述无人机上标记点的位置，并传输到控制模块中；所述控制模块通过四元数法解算出无人机的欧拉角和三维坐标，从而得到无人机的位置和姿态信息；
所述控制平台(205)的控制模块通过控制算法用于计算出无人机(204)上各个驱动电机的控制量，包括PWM信号和电压信号，并与与所述无人机(204)通信，传送控制量，用于控制所述无人机(204)上的驱动电机，从而改变电机的转速，实现对无人机的控制。
2.如权利要求1所述的无人机调试系统，其特征在于，所述摄像头安置在摄像头支架(202)上，或安置在墙壁上或者悬挂在建筑物上。
3.如权利要求1所述的无人机调试系统，其特征在于，所述无人机(204)包括四旋翼无人机、多旋翼无人机、小型无人机和鱼鹰无人机。
4.如权利要求1所述的无人机调试系统，其特征在于，所述视觉定位系统(201)能通过多目视觉坐标测量算法处理技术获取无人机的姿态信息、位置信息和运动轨迹。
5.如权利要求1所述的无人机调试系统，其特征在于，所述控制平台的控制模块嵌在PC机中。
6.如权利要求1所述的无人机调试系统，其特征在于，所述控制算法包括双闭环PID算法和LQR算法。
7.如权利要求6任一项所述的无人机调试系统，其特征在于，工作时，所述控制平台(205)通过所述视觉定位系统(201)获得所述无人机上所有标记点的位置，进而解算出无人机的姿态和轨迹，再通过控制模块得到无人机上驱动电机的控制量，包括PWM信号和电机电压信号，最后通过无线方式将控制量发送到所述无人机(204)，所述无人机接收并执行命令。
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