CN107943102A - 一种基于视觉伺服的飞行器及其自主追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉伺服的飞行器及其自主追踪系统，其特征是，包括飞行控制器、激光传感器、摄像头、光流传感器、GPS定位模块和螺旋桨；所述飞行控制器通过减震架安装在飞行器机架上，位于飞行器的中央，用于控制飞行器的运动情况；所述激光传感器、摄像头、光流传感器均设置在飞行器下方；所述GPS定位模块固定在飞行器机架的后方。本发明所达到的有益效果：使用激光传感器进行定高，不会受到电机震动的影响，而且数据的精度更高，有利于飞行器的定高控制；本专利所描述的基于视觉伺服的飞行器自主跟踪系统，具有跟踪精度高，稳定的优点。

Description

一种基于视觉伺服的飞行器及其自主追踪系统

技术领域

本发明涉及一种基于视觉伺服的飞行器及其自主追踪系统，属于飞行器追踪技术领域。

背景技术

市面上很少有可以自主跟踪的飞行器，有部分可以实现自主跟踪的飞行器，他们值利用摄像头获取目标物体的相对误差，追踪精度差，在目标快速运动的时候甚至会丢失目标。市面上常见的飞行器低空定高大多采用超声波传感器，但是超声波传感器容易受到电机震动产生的声波的影响，造成数据错误。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于视觉伺服的飞行器及其自主追踪系统，具有跟踪精度高，稳定的优点。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，包括飞行控制器、激光传感器、摄像头、光流传感器、GPS定位模块和螺旋桨；所述飞行控制器通过减震架安装在飞行器机架上，位于飞行器的中央，用于控制飞行器的运动情况；所述激光传感器、摄像头、光流传感器均设置在飞行器下方；所述激光传感器用于测量飞行器距离地面的相对高度；所述摄像头用于识别目标物体，将数据返回给飞行控制器，飞行控制器利用此数据来控制飞行器的飞行，实现跟踪目标；所述光流传感器用于为飞行器提供水平方向的移动速度数据；所述GPS定位模块固定在飞行器机架的后方，为飞行器提供位置信息，用于飞行器的定位；所述螺旋桨匹配有电机和电子调速器，螺旋桨位于飞行器机架的上部，由电机带动旋转，为飞行器提供升力，电机位于飞行器机架的四个角上；所述电子调速器位于飞行器的机臂上，用于接收控制信号控制电机的旋转。

前述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述飞行控制器内设置有控制芯片、图像处理器、加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计。

前述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计均与控制芯片相连接；所述加速度传感器用于测量重力加速度在X、Y和Z轴下的分量；所述角速度传感器用于测量飞行器绕着X、Y和Z轴旋转的角速度；所述三轴磁力计用于测量磁场在X、Y和Z三轴的分量；所述图像处理器与摄像头相连接，进行图像处理，计算出距离目标物体的相对位置数据，将数据传输给控制芯片。

前述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述激光传感器、摄像头、光流传感器均通过尼龙柱设置在飞行器下方。

前述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述光流传感器、摄像头和激光传感器位于飞行器的中线上。

前述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述飞行器中部设置有电池仓，电池仓内设置有锂电池。

一种基于视觉伺服的飞行器自主追踪系统，其特征是，包括如下步骤：

1）通过控制芯片读取加速度传感器、角速度传感器和三轴磁力计的数据，计算出飞行器的当前姿态。

2）读取气压计、光流传感器和激光传感器的数据，获得飞行器的高度和水平方向的速度；

3）进行PID控制，改变飞行器的运行状态；

4）图像处理器读取摄像头的数据，进行高斯滤波，滤除图像中的噪点，根据事先设定的阈值进行图像二值化处理，获取目标物体的质心和轮廓后，根据像素点计算出位置误差；

5）将数据反馈给控制芯片，进行伺服控制。

本发明所达到的有益效果：本专利不仅使用了摄像头获取目标物体的相对误差，还增加了光流传感器，光流传感器可以获得飞行器相对于地面的运动速度，这使得在控制的时候不仅有了位置环，还有了速度环，有利于提高控制的稳定性和跟踪的精度；本专利使用激光传感器进行定高，不会受到电机震动的影响，而且数据的精度更高，有利于飞行器的定高控制；本专利所描述的基于视觉伺服的飞行器自主跟踪系统，具有跟踪精度高，稳定的优点。

附图说明

图1是飞行器的整体架构图；

图2是图1的侧视图；

图3是本系统的流程图。

图中附图标记的含义：

1-飞行控制器，2-激光传感器，3-摄像头，4-光流传感器，5-GPS定位模块，6-螺旋桨，7-电机，8-电子调速器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1所示为飞行器的整体架构，在图1中，飞行控制器、激光传感器、摄像头、光流传感器、GPS定位模块和螺旋桨构成了本套系统的功能部分，在飞行器下方固定着的依次是激光传感器、摄像头和光流传感器。

飞行控制器通过减震架安装在机架上，基本处于飞行器的中央，用于控制飞行器的运动情况。激光传感器通过尼龙柱安装在飞行器的下方，测量飞行器距离地面的相对高度。摄像头通过尼龙柱固定在机架的下方，摄像头用来识别目标物体，将数据返回给飞行控制器，飞行控制器利用此数据来控制飞行器的飞行，达到跟踪目标，视觉伺服的效果。光流传感器利用尼龙柱固定于飞行器的下方，为飞行器提供水平方向的移动速度数据，用于闭环控制中，提高系统的稳定性。GPS定位模块使用GPS支架固定于飞行器机架的右后方，可以为飞行器提供绝对的位置信息，用于飞行器的定位。螺旋桨由电机带动旋转，为飞行器提供升力。

图2所示为飞行器的侧视图，飞行控制器接收来自光流传感器的速度数据、摄像头距离目标物体相对位置数据、激光传感器返回的飞行器相对于地面的高度信息和GPS定位模块返回的绝对位置数据，在飞行控制器上的处理器经过处理后，发出命令，改变飞行器的运动状态，达到预期的视觉伺服效果。

工作流程：当飞行器启动之后，会先飞行到预定的高度，在这个高度下，利用摄像头搜寻目标物体，搜寻到目标物体之后，它将锁定目标物体，跟随目标物体移动，直至操作人员命令飞行器降落。

飞行控制器内部结构由控制芯片、图像处理器、加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计组成。控制芯片和图像处理器靠近，便于传输数据。

加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计相邻排布，便于控制芯片读取数据。其中，加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计与控制芯片相连，加速度传感器可以测量重力加速度在X、Y和Z轴下的分量，角速度传感器可以测量飞行器绕着X、Y和Z轴旋转的角速度，三轴磁力计可以测量磁场在X、Y和Z三轴的分量。图像处理器与摄像头相连，进行图像处理，计算出距离目标物体的相对位置数据，利用串口通信返回数据给控制芯片处理。

图3为伺服控制系统执行框图，包括如下步骤：

1）通过控制芯片读取加速度传感器、角速度传感器和三轴磁力计的数据，计算出飞行器的当前姿态。

2）读取气压计、光流传感器和激光传感器的数据，获得飞行器的高度和水平方向的速度；

3）进行PID控制，改变飞行器的运行状态；

4）图像处理器读取摄像头的数据，进行高斯滤波，滤除图像中的噪点，根据事先设定的阈值进行图像二值化处理，获取目标物体的质心和轮廓后，根据像素点计算出位置误差；

5）将数据反馈给控制芯片，进行伺服控制。

该系统使用图像处理器反馈的位置误差数据，光流传感器返回的速度数据，控制芯片根据传感器计算出的姿态数据和陀螺仪传感器计算出的角速度数据，设计出了位置-速度-姿态-角速度多级串联的控制器，使系统的伺服性能提高，跟踪更加稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，包括飞行控制器、激光传感器、摄像头、光流传感器、GPS定位模块和螺旋桨；

所述飞行控制器通过减震架安装在飞行器机架上，位于飞行器的中央，用于控制飞行器的运动情况；

所述激光传感器、摄像头、光流传感器均设置在飞行器下方；所述激光传感器用于测量飞行器距离地面的相对高度；所述摄像头用于识别目标物体，将数据返回给飞行控制器，飞行控制器利用此数据来控制飞行器的飞行，实现跟踪目标；所述光流传感器用于为飞行器提供水平方向的移动速度数据；

所述GPS定位模块固定在飞行器机架的后方，为飞行器提供位置信息，用于飞行器的定位；所述螺旋桨匹配有电机和电子调速器，螺旋桨位于飞行器机架的上部，由电机带动旋转，为飞行器提供升力，电机位于飞行器机架的四个角上；所述电子调速器位于飞行器的机臂上，用于接收控制信号控制电机的旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述飞行控制器内设置有控制芯片、图像处理器、加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述加速度传感器、角速度传感器、三轴磁力计和气压计均与控制芯片相连接；所述加速度传感器用于测量重力加速度在X、Y和Z轴下的分量；所述角速度传感器用于测量飞行器绕着X、Y和Z轴旋转的角速度；所述三轴磁力计用于测量磁场在X、Y和Z三轴的分量；所述图像处理器与摄像头相连接，进行图像处理，计算出距离目标物体的相对位置数据，将数据传输给控制芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述激光传感器、摄像头、光流传感器均通过尼龙柱设置在飞行器下方。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述光流传感器、摄像头和激光传感器位于飞行器的中线上。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉伺服的飞行器，其特征是，所述飞行器中部设置有电池仓，电池仓内设置有锂电池。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的基于视觉伺服的飞行器的自主追踪系统，其特征是，包括如下步骤：

1）通过控制芯片读取加速度传感器、角速度传感器和三轴磁力计的数据，计算出飞行器的当前姿态；

2）读取气压计、光流传感器和激光传感器的数据，获得飞行器的高度和水平方向的速度；

3）进行PID控制，改变飞行器的运行状态；

4）图像处理器读取摄像头的数据，进行高斯滤波，滤除图像中的噪点，根据事先设定的阈值进行图像二值化处理，获取目标物体的质心和轮廓后，根据像素点计算出位置误差；

5）将数据反馈给控制芯片，进行伺服控制。