CN107422743A - 基于视觉的无人机定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的无人机定位系统，包括地面站、摄像头和飞行器；摄像头通过有线传输方式与地面站连接，将拍摄的飞行器的视频数据传送到地面站；根据接收到的飞行器的视频数据，地面站利用PID控制算法计算出飞行器的飞行控制量后，然后通过无线数据传输模块向飞行器发出控制信号，使其朝着目标点前行。本发明基于视觉对目标进行跟踪，通过PID实现闭环控制，让无人机定位悬停，能够很好地解决GPS信号不稳定及精度的问题。

Description

基于视觉的无人机定位系统

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，具体是一种基于视觉的无人机定位系统。

背景技术

现有的无人机定位系统，主要依靠全球定位系统（Global Positioning System，GPS），通过接收多颗导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知点，实时测定飞机的位置和运动状态，引导飞机安全有效地到达目的地，从而实现定位；由于GPS卫星是受美国控制的，美国会对GPS精度进行控制；尤其在室内环境及复杂的低空区域（尤其有电磁干扰），GPS信号极不稳定，因此无人机无法使用GPS信号进行定位。本发明实现了基于视觉的无人机定位系统，可使无人机在无GPS的情况下进行精确定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉的无人机定位系统，通过PID实现闭环控制，让无人机定位悬停，能够很好地解决GPS信号不稳定及精度的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于视觉的无人机定位系统，包括地面站、摄像头和飞行器；摄像头通过有线传输方式与地面站连接，将拍摄的飞行器的视频数据传送到地面站；根据接收到的飞行器的视频数据，地面站利用PID控制算法计算出飞行器的飞行控制量后，然后通过无线数据传输模块向飞行器发出控制信号，使其朝着目标点前行。

作为本发明进一步的方案：所述飞行器的起落架上安装有指定颜色的灯，所述飞行器的航向角与摄像头的垂直方向一致。

作为本发明进一步的方案：所述飞行器为四旋翼飞行器，其起落架上安装有四个指定颜色的灯。

作为本发明进一步的方案：其工作流程如下：

（1）在飞行器的起落架上安装指定颜色的灯，接着将摄像头安装在指定的地面标志物上，保持摄像头的镜头垂直向上；接着调整飞行器的航向，使其航向角与摄像头的垂直方向相同；

（2）当飞行器开始飞行时，利用摄像头拍摄飞行器的视频数据，接着通过有线传输方式将该视频数据传送到地面站；地面站对视频数据进行视频跟踪，计算出飞行器的飞行控制量；

（3）地面站通过无线数据传输模块把控制信号发送给飞行器，引导飞行器到达目标点，并在目标点悬停。

作为本发明进一步的方案：所述步骤（2）中，地面站对视频数据进行视频跟踪，计算出飞行器的飞行控制量，具体包括以下步骤：

S1：获取视频数据后，地面站通过cvBlob算法检测飞行器的起落架上的指定颜色的灯在图像中的位置，从而计算出飞行器在图像中的实际位置；

S2：根据飞行器的飞行目标点，计算出飞行器在图像上的水平偏移量和垂直偏移量，接着根据飞行器在图像上的水平偏移量和垂直偏移量计算出飞行器的航向偏角；

S3：根据飞行器的实际大小、摄像头的视场角及焦距、飞行器在图像中的面积，计算得出飞行器的实际飞行高度；接着根据该飞行高度计算得出飞行器离目标点的真实水平距离及垂直距离；

S4：根据上述计算得到的飞行器的实际飞行高度、航向偏角、水平距离及垂直距离，地面站通过PID控制算法计算得到对飞行器的飞行控制量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于视觉对目标进行跟踪，通过PID实现闭环控制，让无人机定位悬停，能够很好地解决GPS信号不稳定及精度的问题。

附图说明

图1是基于视觉的无人机定位系统的总体框图；

图2是基于视觉的无人机定位系统的视频跟踪控制过程示意图；

图3是基于视觉的无人机定位系统的图像坐标图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1～3，本发明实施例中，基于视觉的无人机定位系统，包括地面站、摄像头和飞行器；摄像头通过有线传输方式与地面站连接，将拍摄的飞行器的视频数据传送到地面站；根据接收到的飞行器的视频数据，地面站利用PID控制算法计算出飞行器的飞行控制量后，然后通过无线数据传输模块向飞行器发出控制信号，使其朝着目标点前行。飞行器为四旋翼飞行器，其起落架上安装有四个指定颜色的灯。

所述的基于视觉的无人机定位系统的工作流程如下：

（1）在飞行器的起落架上安装四个指定的颜色（红色）的灯，接着将摄像头安装在指定的地面标志物上，保持摄像头的镜头垂直向上；接着调整飞行器的航向，使其航向角与摄像头的垂直方向相同；

（2）当飞行器开始飞行时，利用摄像头拍摄飞行器的视频数据，接着通过有线传输方式将该视频数据传送到地面站；地面站对视频数据进行视频跟踪，计算出飞行器的飞行控制量；

其中，地面站对视频数据进行视频跟踪，计算出飞行器的飞行控制量，具体包括以下步骤：

S1：获取视频数据后，地面站通过cvBlob算法检测飞行器的起落架上的四个指定颜色的灯在图像中的位置，分别为(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，则飞行器的位置(xc,yc)可以表示为：

(xc,yc)=(x0+x3,y0+y3)/2 ①

S2：假设飞行器悬停目标点的参考位置为原点(0,0)，则飞行器在图像上的水平偏移量h_off和垂直偏移量v_off可表示为：

h_off=xc-0=xc ②

v_off=yc-0=yc ③

而飞行器的航向偏角θ可表示为：

θ=arctan[(y1-y0)/(x1-x0)] ④；

S3：根据飞行器的实际大小、摄像头的视场角及焦距、飞行器在图像中的面积，计算得出飞行器的实际飞行高度，飞行器的实际飞行高度h可表示为：

⑤

式⑤中S为飞行器实际大小，f为摄像头焦距，因为S与f为固定值，则为常数，而S为飞行器在图像中的面积。则飞行器离目标点的真实水平偏移距离H_OFF及垂直偏移距离V_OFF可表示为：

H_OFF=h_off*h/f ⑥

V_OFF=v_off*h/f ⑦

式⑥与式⑦中f为摄像头焦距；

S4：根据上述计算得到的飞行器的实际飞行高度h、航向偏角θ、水平距离H_OFF及垂直距离V_OFF，地面站通过PID控制算法计算得到对飞行器的飞行控制量，飞行器的飞行控制量包括油门控制量ctr_throttle、航向控制量ctr_yaw、横滚控制量ctr_roll及俯仰控制量ctr_pitch；

PID控制算法：

⑧

式⑧中p、i、d分别为比例、积分、差分系数；为误差量，即水平偏移距离H_OFF或垂直偏移距离V_OFF；为前一次的误差量，而则为最终输出的控制量。

（3）地面站通过无线数据传输模块把控制信号发送给飞行器，引导飞行器到达目标点，并在目标点悬停。

本发明基于视觉对目标进行跟踪，通过PID实现闭环控制，让无人机定位悬停，能够很好地解决GPS信号不稳定及精度的问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.基于视觉的无人机定位系统，其特征在于，包括地面站、摄像头和飞行器；摄像头通过有线传输方式与地面站连接，将拍摄的飞行器的视频数据传送到地面站；根据接收到的飞行器的视频数据，地面站利用PID控制算法计算出飞行器的飞行控制量后，然后通过无线数据传输模块向飞行器发出控制信号，使其朝着目标点前行。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的无人机定位系统，其特征在于，所述飞行器的起落架上安装有指定颜色的灯，所述飞行器的航向角与摄像头的垂直方向一致。

3.根据权利要求2所述的基于视觉的无人机定位系统，其特征在于，所述飞行器为四旋翼飞行器，其起落架上安装有四个指定颜色的灯。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于视觉的无人机定位系统，其特征在于，其工作流程如下：

（1）在飞行器的起落架上安装指定颜色的灯，接着将摄像头安装在指定的地面标志物上，保持摄像头的镜头垂直向上；接着调整飞行器的航向，使其航向角与摄像头的垂直方向相同；

（2）当飞行器开始飞行时，利用摄像头拍摄飞行器的视频数据，接着通过有线传输方式将该视频数据传送到地面站；地面站对视频数据进行视频跟踪，计算出飞行器的飞行控制量；

（3）地面站通过无线数据传输模块把控制信号发送给飞行器，引导飞行器到达目标点，并在目标点悬停。

5.根据权利要求4所述的基于视觉的无人机定位系统，其特征在于，所述步骤（2）中，地面站对视频数据进行视频跟踪，计算出飞行器的飞行控制量，具体包括以下步骤：

S1：获取视频数据后，地面站通过cvBlob算法检测飞行器的起落架上的指定颜色的灯在图像中的位置，从而计算出飞行器在图像中的实际位置；

S2：根据飞行器的飞行目标点，计算出飞行器在图像上的水平偏移量和垂直偏移量，接着根据飞行器在图像上的水平偏移量和垂直偏移量计算出飞行器的航向偏角；

S3：根据飞行器的实际大小、摄像头的视场角及焦距、飞行器在图像中的面积，计算得出飞行器的实际飞行高度；接着根据该飞行高度计算得出飞行器离目标点的真实水平距离及垂直距离；

S4：根据上述计算得到的飞行器的实际飞行高度、航向偏角、水平距离及垂直距离，地面站通过PID控制算法计算得到对飞行器的飞行控制量。