CN107161350A - 事故处置飞行器自主续航方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了事故处置飞行器自主续航方法及其系统，事故处置飞行器自主续航方法包括获取飞行器当前位置的飞行参数，飞行参数包括飞行器的经纬度、飞行高度、飞行姿态、飞行器的电量及飞行器所在环境的环境图像；根据飞行参数，计算飞行器所在环境中障碍物和陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落至陆地机器人上所需用电量；当飞行器的电量小于等于用电量时，控制飞行器和陆地机器人相对运动，直至飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面；当飞行器下降至与陆地机器人的相对距离等于设定距离，控制陆地机器人与飞行器对接，并对飞行器进行充电。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种事故处置飞行器自主续航方法及其系统。
背景技术
随着机器人、飞行控制技术快速发展，将探测技术、营救行动技术、灾难学、机器人技术等多学科知识进行有机的融合，开发和研制用于侦察、搜寻和营救的救援、处置机器人已经成为机器人学科领域中富有挑战性的新方向。在复杂多变的救援现场环境和任务而言，单个机器人在信息的获取、处理及控制能力等方面存在局限性。多旋翼飞行器综合微机电和新材料等现代技术，配合微惯导及飞行控制等关键技术的应用，可在目标引导、侦查、险区探测、目标跟踪、反恐、电子干扰等方面，拥有巨大应用潜力和价值。
目前，多旋翼飞行器在接收任务时受到载荷制约，即供电量严重限制了飞行距离。针对供电量的问题，目前市面上出现了采用系留式系统、基站充电和太阳能进行充电灯多种方式来解决飞行器续航的问题，而这些方式虽在一定程度上能解决供电量不足的问题，但是仍存在以下问题：
系留式系统其携带的线缆受到环境高处建筑物等影响，并限制飞行器的飞行距离；太阳能电池板充电输出功率受到电池板大小的限制，并难以对飞行器实现快速充电；而基站由于距离飞行器较远，飞行器需要预留大部分电量用于返航，因而不便于救援、处置任务的开展。
发明内容
对于现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种事故处置飞行器自主续航方法及其系统，其能够在飞行器电量低于返航时所需电量时，通过飞行器和陆地机器人的相对运动，使飞行器自主降落至陆地机器人进行充电。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种事故处置飞行器自主续航方法，其包括：
获取飞行器当前位置的飞行参数，飞行参数包括飞行器的经纬度、飞行高度、飞行姿态、飞行器的电量及飞行器所在环境的环境图像；
根据飞行参数，计算飞行器所在环境中障碍物和陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落至陆地机器人上所需用电量；
当飞行器的电量小于等于用电量时，控制飞行器和陆地机器人相对运动，直至飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面；
当飞行器下降至与陆地机器人的相对距离等于设定距离，控制陆地机器人与飞行器对接，并对飞行器进行充电。
进一步地，优选该事故处置飞行器自主续航方法还包括当飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面后，获取飞行器下方陆地机器人的图像；
判断陆地机器人上的平行线平台是否位于图像的正中间：若是，则控制飞行器下降，否则，调整飞行器的飞行姿态，直至陆地机器人上的平行线平台位于图像的正中间。
进一步地，优选该事故处置飞行器自主续航方法还包括当陆地机器人与飞行器对接后，判断飞行器与陆地机器人的相对距离是否等于飞行器设定静默距离，若是，则控制飞行器处于静默状态。
进一步地，优选该事故处置飞行器自主续航方法还包括判断飞行器的电量是否已充满，当飞行器的电量已充满，控制飞行器解除静默状态，并离开陆地机器人继续执行任务。
进一步地，优选当飞行器降落至陆地机器人上后，再控制陆地机器人对飞行器进行充电。
进一步地，优选陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标的计算方法包括：
以陆地机器人作为质点，则陆地机器人相对于飞行器的相对位置坐标r k (x k ,y k ,z k )为：
其中，f х ，f у 分别为x，y轴的焦距；u 0 ，v 0 为环境图像平面的中心点；d为视觉飞行器的高度；s为环境图像的缩放系数；
计算陆地机器人在世界坐标系下的坐标r o =(x,y,z,1)：
其中，R k 为3×3的旋转矩阵；p k 为3×1的平移矩阵，即飞行器在世界坐标系下的坐标。
进一步地，优选旋转矩阵R k 的计算公式为：
其中，θ、Φ、ψ分别为飞行器的偏航角，俯仰角和滚转角，为cosψ，为sinψ； 为cosθ，为sinψ；为cosΦ， 为sinΦ。
第二方面，提供一种事故处置飞行器自主续航系统，其包括用于事故处置的飞行器和用于与飞行器进行通信的陆地机器人；
飞行器包括：运动传感器，用于实时采集飞行器在X、Y、Z三个方向上表征飞行器的飞行姿态的加速度、滚转角、俯仰角和偏航角；定位设备，用于采集飞行器所在的经纬度和高度；电池管理设备，用于实时监测飞行器的电池电量；图像采集传感器，用于实时采集飞行器所在环境的环境图像及飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面时，采集飞行器正下方的图像；
图像处理器，与图像采集传感器连接，用于处理图像采集传感器采集的图像；以及飞行器控制器，在飞行器的电量低于用电量时，用于控制飞行器相对陆地机器人运动，并调整飞行器的飞行姿态，及飞行器与陆地机器人间的距离为飞行器设定静默距离时，控制飞行器处于静默状态；运动传感器、定位设备、电池管理设备、图像处理器和通信模块均与飞行器控制器连接；
陆地机器人包括：充电管理设备，与中央处理器连接，用于给飞行器提供续航所需的电量；中央处理器，根据飞行参数计算障碍物与陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落在陆地机器人上所需时间和用电量；当飞行器的电量低于用电量时，通过运动控制器控制陆地机器人相对飞行器运动，及控制陆地机器人的机械臂控制器伸出机械臂与飞行器对接；中央处理器通过通信设备、通信模块与控制器进行通信。
本发明的有益效果：飞行器在执行任务时，若其电量低于返回陆地机器人上进行充电所需用电量时，则飞行器和陆地机器人两者便会相对移动，从而缩短了飞行器返航进行充电的距离；采用这种方式进行充电，飞行器飞行的距离缩短后，其在执行任务时不需要预留大量的电能和时间进行返航充电，从而提高了飞行器执行任务的效率。
附图说明
图1为事故处置飞行器自主续航方法一个实施例的流程图。
图2为事故处置飞行器自主续航系统的原理框图。
图3为事故处置飞行器自主续航方法另一个实施例的流程图。
图4为陆地机器人调整姿态及多旋翼飞行器降落至陆地机器人的平行线平台进行充电的流程图。
图5为陆地机器人平行线平台处于图像的竖直位置的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了事故处置飞行器自主续航方法一个实施例的流程图；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤104。
在步骤101中，获取飞行器当前位置的飞行参数，飞行参数包括飞行器的经纬度、飞行高度、飞行姿态、飞行器的电量及飞行器所在环境的环境图像。
在步骤102中，根据飞行参数，计算飞行器所在环境中障碍物和陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落至陆地机器人上所需用电量；飞行器在执行任务时，陆地机器人跟随其一同进入事故处置现场，即陆地机器人位于事故处置所在区域内。
在本发明的一个实施例中，陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标的计算方法包括：
以陆地机器人作为质点，则陆地机器人相对于飞行器的相对位置坐标r k (x k ,y k ,z k )为：
其中，f х ，f у 分别为x，y轴的焦距；u 0 ，v 0 为环境图像平面的中心点；d为视觉飞行器的高度；s为环境图像的缩放系数；
计算陆地机器人在世界坐标系下的坐标r o =(x,y,z,1)：
其中，R k 为3×3的旋转矩阵；p k 为3×1的平移矩阵，即飞行器在世界坐标系下的坐标。
飞行器相对陆地机器人的位置为r o 减去p k ；陆地机器人相对于多旋翼飞行器的位置为p k 减去r o 。
实施时，本方案优选旋转矩阵R k 的计算公式为：
其中，θ、Φ、ψ分别为飞行器的偏航角，俯仰角和滚转角，为cosψ，为sinψ； 为cosθ，为sinψ；为cosΦ， 为sinΦ。
在步骤103中，当飞行器的电量小于等于用电量时，控制飞行器和陆地机器人相对运动，直至飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面。
在本发明的一个实施例中，该事故处置飞行器自主续航方法还包括当飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面后，获取飞行器下方陆地机器人的图像；
判断陆地机器人上的平行线平台是否位于图像的正中间：若是，则控制飞行器下降，否则，调整飞行器的飞行姿态，直至陆地机器人上的平行线平台位于图像的正中间。
通过这种方式对陆地机器人和飞行器位置的进一步调整，从而确保了飞行器能够精准地下降至陆地机器人上进行充电。
在步骤104中，当飞行器下降至与陆地机器人的相对距离等于设定距离时，控制陆地机器人与飞行器对接，当飞行器降落至陆地机器人上后，控制陆地机器人对飞行器进行充电。
其中，该事故处置飞行器自主续航方法还包括当陆地机器人与飞行器对接后，判断飞行器与陆地机器人的相对距离是否等于飞行器设定静默距离，若是，则控制飞行器处于静默状态。
实施时，设定距离大于飞行器设定静默距离，这样设置后，能够确保陆地机器人与飞行器的准确对接。
飞行器在充电过程中，事故处置飞行器自主续航方法还包括时刻判断飞行器的电量是否已充满，当飞行器的电量已充满，控制飞行器解除静默状态，并离开陆地机器人继续执行任务。
如图2所示，该事故处置飞行器自主续航系统包括用于事故处置的飞行器和用于与飞行器进行通信的陆地机器人。实施时，本方案优选飞行器为多旋翼飞行器。
其中，飞行器包括飞行器控制器、电池管理设备、运动传感器、定位设备、通信模块、图像采集传感器和图像处理器；电池管理设备、运动传感器、定位设备、图像处理器和通信模块均与飞行器控制器连接，图像采集传感器与图像处理器连接。
运动传感器用于实时采集飞行器在X、Y、Z三个方向上表征飞行器的飞行姿态的加速度、滚转角、俯仰角和偏航角；定位设备用于采集飞行器所在的经纬度和高度；电池管理设备用于实时监测飞行器的电池电量；图像采集传感器用于实时采集飞行器所在环境的环境图像及飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面时，采集飞行器正下方的图像。
图像处理器内部含有ubuntu操作系统，用于处理图像采集传感器采集的图像。通信模块包括2.4G无线通信模块与无线WIFI模块，无线WIFI模块用于传输姿态、经纬度、高度和图像信息，2.4G无线通信模传输飞行器控制指令。
控制器，在飞行器的电量低于用电量时，用于控制飞行器相对陆地机器人运动，并调整飞行器的飞行姿态，及飞行器与陆地机器人间的距离为飞行器设定静默距离时，控制飞行器处于静默状态；运动传感器、定位设备、电池管理设备、图像处理器和通信模块均与控制器连接；
陆地机器人包括中央处理器及分别与中央处理器连接的充电管理设备、通信设备、运动控制器和机械臂控制器。
其中，充电管理设备用于对飞行器进行充电控制；运动控制器用于对陆地机器人运动控制；机械臂控制器用于控制机械臂伸缩、钳住、松开；通信设备包括2.4G无线通信模块与路由设备，无线路由设备接收姿态、经纬度、高度，图像信息和传输飞行器相对陆地机器人的相对位置；充电管理设备、通信设备、运动控制器、机械臂控制器与中央处理器相连接。
中央处理器含有ubuntu操作系统，用于根据飞行参数计算障碍物与陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落在陆地机器人上所需时间和用电量；当飞行器的电量低于用电量时，通过运动控制器控制陆地机器人相对飞行器运动，及控制陆地机器人的机械臂控制器伸出机械臂与飞行器对接；以及发出陆地机器人的运动控制指令、机械臂控制指令和充电管理指令。
如图3所示，下面结合事故处置飞行器自主续航系统的具体部件对飞行器续航的方法进行详细地说明：
在步骤S101中，在采用多旋翼飞行器进行事故处置时，采用陆地机器人搭载多旋翼飞行器进入事故现场，多旋翼飞行器从陆地机器人平台起飞。
在步骤S102中，多旋翼飞行器上的电池管理设备开始获取多旋翼飞行器的电池电量；运动传感器开始采集X、Y、Z三个方向上的加速度与滚转角、俯仰角和偏航角的姿态信息；定位设备开始采集多旋翼飞行器的经纬度和飞行高度信息；图像采集传感器开始采集环境图像信息，同时图像处理器对采集的图像进行特征提取与匹配、变换估计、全局姿态图优化等预处理，得到预处理图像信息；然后通过通信模块无线WIFI模块把预处理图像信息、加速度、姿态、经纬度、高度信息发送给陆地机器人。
在步骤 S103中，陆地机器人通过通信设备接收多旋翼飞行器发送的预处理图像信息、加速度、姿态、经纬度（x,y）、高度信息(z)，并传输给中央处理器；此时中央处理器的图像处理模块对预处理图像进行处理，并生成点云数据；中央处理器的坐标转换模块通过点云数据计算出陆地机器人在世界坐标系下的坐标（x0,y0,z0），同时通过经纬度、高度信息计算多旋翼飞行器相对于陆地机器人的位置（x1,y1,z1）以及陆地机器人相对于多旋翼飞行器的位置（x2,y2,z2）；中央处理器的电量计算模块通过多旋翼飞行器相对于陆地机器人的位置（x1,y1,z1）计算出多旋翼飞行器降落到陆地机器人上所需的最小的电池电量及飞行时间。陆地机器人通过通信设备的路由设备把陆地机器人相对于多旋翼飞行器的位置（x2,y2,z2）、降落所需的最小的电池电量及飞行时间发送给多旋翼飞行器。
在步骤 S104中，多旋翼飞行器通过通信模块的无线WIFI模块接收陆地机器人通过通信设备的路由设备把陆地机器人相对于多旋翼飞行器的位置（x2,y2,z2）、降落所需的最小的电池电量及飞行时间并传给多旋翼飞行器控制器。多旋翼飞行器控制器判断电池管理设备采集的电池电量是否大于降落所需的最小的电池电量；若是，执行步骤S102；若不是，则多旋翼飞行器通过2.4G无线通信模块发送降落充电准备指令，并执行步骤S105。
在步骤S105中，多旋翼飞行器、陆地机器人调整自身姿态，多旋翼飞行器并降落到陆地机器人的平行线平台。
在步骤106中，多旋翼飞行器调整至静默状态，陆地机器人打开充电设备对多旋翼飞行器进行充电。
参见图4，图4示出了本申请的陆地机器人调整姿态及多旋翼飞行器降落至陆地机器人的平行线平台进行充电的流程图；下面结合附图4对步骤S105和步骤106进行详细地说明：
A1、陆地机器人的通信设备的2.4G无线通信模块接收多旋翼飞行器发出降落充电准备指令，并传输给中央处理器；中央处理器向运动控制器发出运动控制指令，让陆地机器人向坐标（x,y,z）方向移动，同时中央处理器通过通信设备的2.4G无线通信模块发出陆地机器人已经进入姿态调整的指令；当多旋翼飞行器通信模块的2.4G无线通信模块接收到陆地机器人已经进入姿态调整的指令，由多旋翼飞行器控制器发出控制指令并向坐标（x0,y0,z0）方向移动。
A2、陆地机器人的中央处理器坐标转换模块判断是否x=x0且y=y0；若否，则继续执行步骤A1，若是，则执行A3；
A3、陆地机器人的中央处理器向运动控制器发出停止运动控制指令，同时通过通信设备的2.4G无线通信模块发送多旋翼飞行器发出接受多旋翼飞行器着陆准备命令。
A4、多旋翼飞行器通过通信模块的2.4G无线通信模块接收陆地机器人发出的接受多旋翼飞行器着陆准备命令，判断相对坐标是否是x2=0且y2=0；若否，是则执行步骤A5；若是，则执行步骤A6。
A5、多旋翼飞行器的多旋翼飞行器控制器向图像处理器发出检测陆地机器人具体位置命令，通过图像检测陆地机器人位置调整多旋翼飞行器姿态，使得陆地机器人位于多旋翼飞行器的正下方。
A6、多旋翼飞行器的飞行控制器控制相机云台使得相机镜头方向与多旋翼飞行器下降方向一致；同时多旋翼飞行器的飞行控制器向图像处理器发出检测陆地机器人平行线平台是否与处于图像的竖直位置（如图5）；若是，执行步骤A7；若否，通过多旋翼飞行器控制器发出姿态调整命令，直到调整到陆地机器人平行线平台与多旋翼飞行器飞行方向一致为止。
A7、多旋翼飞行器开始降落，并通过图像采集传感器实时采集陆地机器人平行线平台的图像信息；若平行线平台与多旋翼飞行器飞行方向有偏差，实时调整多旋翼飞行器的姿态。
A8、陆地机器人通过高度信息判断多旋翼飞行器距离自身高度是否大于20cm；若是，继续等待；若不是；则执行步骤A9。
A9、陆地机器人的中央处理器向机械臂控制器发出控制命令，从平行线平台伸出与水平面垂直的机械臂，并钳住多旋翼飞行器，辅助多旋翼飞行器降落。
A10、陆地机器人通过高度信息判断多旋翼飞行器距离自身高度是否小于5cm；若不是，则继续等待；若是，陆地机器人通过通信设备的2.4G无线通信模块发出准备充电控制指令，并执行步骤A11。
A11、多旋翼飞行器通过通信模块的2.4G无线通信模块接收准备充电控制指令，飞行器控制器向电源管理设备发送电量输出控制命令，控制整个多旋翼飞行器处于静默状态，同时通过通信设备的2.4G无线通信模块发出充电准备控制命令；陆地机器人通过通信设备的2.4G无线通信模块接收到充电准备的控制命令，中央处理器向充电管理设备发出控制命令，打开充电设备，通过机械臂与着陆架相连接对多旋翼飞行器进行充电。
在步骤S107中，多旋翼飞行器通过电池管理设备实时监测电池电量，判断电池电量是否充满；若电池电量已充满，多旋翼飞行器控制器向电池管理设备发出解除静默状态的控制命令，并向陆地机器人发送控制指令；若未充满，则继续充电。
在步骤S108中，陆地机器人接收到充满控制指令，通过中央处理器向充电管理设备发出断开充电设备的控制命令，同时先机械臂控制器发出伸出机械臂控制命令；当机械臂到达20cm时，陆地机器人向多旋翼飞行器发出飞行控制命令；当多旋翼飞行器接收到飞行控制命令，打开通过电池管理设备调整输出电量；同时机械臂松开多旋翼飞行器，并收缩机械臂，多旋翼飞行器继续执行相应任务。
综上所述，本方案能够在飞行器电量低于返回陆地机器人上进行充电所需用电量时，控制飞行器和陆地机器人相对移动，从而缩短了飞行器返航进行充电的距离。
Claims (8)
1.事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，包括：
获取飞行器当前位置的飞行参数，所述飞行参数包括飞行器的经纬度、飞行高度、飞行姿态、飞行器的电量及飞行器所在环境的环境图像；
根据所述飞行参数，计算飞行器所在环境中障碍物和陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落至陆地机器人上所需用电量；
当飞行器的电量小于等于用电量时，控制飞行器和陆地机器人相对运动，直至飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面；
当飞行器下降至与陆地机器人的相对距离等于设定距离时，控制陆地机器人与飞行器对接，并对飞行器进行充电。
2.根据权利要求1所述的事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，还包括当飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面后，获取飞行器下方陆地机器人的图像；
判断陆地机器人上的平行线平台是否位于图像的正中间：若是，则控制飞行器下降，否则，调整飞行器的飞行姿态，直至陆地机器人上的平行线平台位于图像的正中间。
3.根据权利要求1所述的事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，还包括当陆地机器人与飞行器对接后，判断飞行器与陆地机器人的相对距离是否等于飞行器设定静默距离，若是，则控制飞行器处于静默状态。
4.根据权利要求3所述的事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，还包括判断飞行器的电量是否已充满，当飞行器的电量已充满，控制飞行器解除静默状态，并离开陆地机器人继续执行任务。
5.根据权利要求1所述的事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，当飞行器降落至所述陆地机器人上后，控制陆地机器人对飞行器进行充电。
6.根据权利要求1-5任一所述的事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，所述陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标的计算方法包括：
以陆地机器人作为质点，则陆地机器人相对于飞行器的相对位置坐标r k (x k ,y k ,z k )为：
其中，f х ，f у 分别为x，y轴的焦距；u 0 ，v 0 为环境图像平面的中心点；d为视觉飞行器的高度；s为环境图像的缩放系数；
计算陆地机器人在世界坐标系下的坐标r o =(x,y,z,1)：
其中，R k 为3×3的旋转矩阵；p k 为3×1的平移矩阵。
7.根据权利要求6所述的事故处置飞行器自主续航方法，其特征在于，旋转矩阵R k 的计算公式为：
其中，θ、Φ、ψ分别为飞行器的偏航角，俯仰角和滚转角，为cosψ，为sinψ； 为cosθ，为sinψ；为cosΦ， 为sinΦ。
8.一种用于实现权利要求1-7任一所述的事故处置飞行器自主续航方法的系统，其特征在于：包括用于事故处置的飞行器和用于与所述飞行器进行通信的陆地机器人；
所述飞行器包括：运动传感器，用于实时采集飞行器在X、Y、Z三个方向上表征飞行器的飞行姿态的加速度、滚转角、俯仰角和偏航角；定位设备，用于采集飞行器所在的经纬度和高度；电池管理设备，用于实时监测飞行器的电池电量；图像采集传感器，用于实时采集飞行器所在环境的环境图像及飞行器与陆地机器人处于同一垂直平面时，采集飞行器正下方的图像；
图像处理器，与所述图像采集传感器连接，用于处理图像采集传感器采集的图像；以及飞行器控制器，在飞行器的电量低于用电量时，用于控制飞行器相对陆地机器人运动，并调整飞行器的飞行姿态，及飞行器与陆地机器人间的距离为飞行器设定静默距离时，控制飞行器处于静默状态；所述运动传感器、定位设备、电池管理设备、图像处理器和通信模块均与飞行器控制器连接；
所述陆地机器人包括：充电管理设备，与中央处理器连接，用于给飞行器提供续航所需的电量；中央处理器，根据飞行参数计算障碍物与陆地机器人在世界坐标系下的位置坐标及飞行器降落在陆地机器人上所需时间和用电量；当飞行器的电量低于用电量时，通过运动控制器控制陆地机器人相对飞行器运动，及控制陆地机器人的机械臂控制器伸出机械臂与飞行器对接；所述中央处理器通过通信设备、通信模块与控制器进行通信。
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