CN107977014A - 一种无人机自动悬停方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机自动悬停方法，包括无人机主体和光流定位装置，所述光流定位装置设于无人机主体上，所述无人机自动悬停方法包括以下步骤：S1：开启悬停模式，记录悬停初始图像；S2：开始采样；S3：将所述步骤S2中采样的图像与初始图像进行对比，得出二者重叠区域；S4：根据所述步骤S3中的重叠区域，计算需要偏移的位移；S5：根据所述步骤S4中计算结果，控制无人机补偿偏移。本发明方法步骤简单，从开始悬停至实现悬停，时间非常短，仅单独采用光流定位悬停，且没有采用光流定位器，降低了无人机整体成本，且使无人机更加轻巧，也更加节能，并能够实现精准定位。本发明的整个计算过程方便快捷，能够实现无人机在悬停过程中快速矫正，回到初始位置。

Description

一种无人机自动悬停方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种无人机自动悬停方法。

背景技术

得益于传感器、执行机构、处理器等技术的进步以及相关成本的减少，结合这部分的优点，使得半自动和全自动的多旋翼飞行器的建造成为可能。无人机控制技术的研究是目前国内外各无人机研发公司以及大学、研究机构的关注热点之一，如口袋无人机、自主避让跳舞无人机等，都使得无人机在小型化、智能化、自动控制精度化上迈向了一个很高的台阶，而且现有无人机也广泛深入到军事、民用等各个领域，例如自拍并同步发送朋友圈、航拍摄影、工厂高处设备运行状况巡查、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域，随着无人机的逐步深入，大大降低了过去航拍时的成本以及危险环境作业下对操作人员的伤害带来的无法估量的损失，其有效克服了有人驾驶飞机空中作业的不足，降低了购买与维护成本，提高了运载工具的安全性。

一般地，无人机的悬停最常规的方式是基于陀螺仪(加速度传感器)，判断无人机的姿态，保证无人机不产生水平位移，从而实现无人机的稳定悬停，然而陀螺仪本身存在的测量精度偏差较大，随着时间的累积，无人机会产生一定范围的偏移。

另外在无人机中增加全球定位系统GPS模块，通过GPS定位处理的水平位置确定该无人机是否产生水平方向的位移，但是GPS的最小测量单位为10米级别，所以即使增加GPS模块，无人机也会在10米以内偏移，最多只能防止悬停飞丢，而不能让飞机进行稳定悬停。

还有在无人机下方悬挂特殊图标的特征物和摄像头，例如专利申请号为201410526631.7的一篇专利中公开的无人机的悬停定位方法是：在预设悬停地点放置特殊图标，由无人机悬挂摄像头，对特殊图标进行识别，并保证特殊图标在所拍摄图像中占有固定位置，从而保证摄像头和图标的相对水平位置保持不变。为了保证不出现自旋偏移，特殊图标需要带有一定的方向指示。

更进一步的，如专利申请号为：201621088192.7，专利名称为一种适用于室内自主飞行的四旋翼飞行器，通过设置控制单元、超声波检测单元和光流检测器以及无刷电机等实现飞行器在室内飞行的功能。

目前市场上的无人机悬停大多由GPS、超声波检测、红外检测以及光流定位的多个联合使用实现避障，而对于小型无人机而言，搭载的仪器越多，耗能越大，使得无人机续航能力越差，且仪器越多价格也越贵，且多个仪器的配合，操作也更加复杂，难以统一控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机自动悬停方法，所需装置少，简化了无人机的自动悬停定位方法，操作简单，减少了成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种无人机自动悬停方法，包括无人机主体和光流定位装置，所述光流定位装置设于无人机主体上，

其特征在于，所述无人机自动悬停方法包括以下步骤：

S1：开启悬停模式，记录悬停初始图像；

S2：开始采样；

S3：将所述步骤S2中采样的图像与初始图像进行对比，得出二者重叠区域；

S4：根据所述步骤S3中的重叠区域，计算需要偏移的位移；

S5：根据所述步骤S4中计算结果，控制无人机补偿偏移。

本发明针对的是小型多旋翼无人机，其他类型的无人机也可实现。所述光流定位装置包括光流摄像头和光流控制主板，所述光流摄像头和光流控制主板通过与无人机的主控制板连接，从而实现无人机的自动悬停。其中光流摄像头设于无人机底部，用于拍摄采集拍摄图像，所述光流控制主板设于无人机内部，与摄像头电连接。本方法与现有技术相比，仅单独采用光流定位悬停，没有增加辅助的定位装置，且没有采用光流定位器，降低了无人机整体成本，且使无人机更加轻巧，也更加节能，并能够实现精准定位。

所述光流控制主板预先录入控制程序，当开启自动悬停模式时，所述光流摄像头启动，并将拍摄的图像传送至光流控制主板，其中拍摄的第一张图像为参照图像，再将第二张图片与第一张进行对比，识别二者的重叠的区域，从而计算出第二张图像相对第一张图像的偏移方向和偏移的位移值，所述光流控制主板将计算的结果转换为控制指令，再通过无人机的主控制板控制无人机电机补偿偏移值，实现无人机的悬停。本发明的无人机设有多种飞行模式，如自动模式、手动模式、运动模式等，在使用自动悬停功能时，采用自动模式即可。

所述无人机设有相应程序，能够与移动端通过网络进行连接，所述移动端可夹紧式固定在无人机的遥控器上，方便用户操作。进一步，所述无人机还设有锁定模式和跟拍模式，在光流定位模式下，尽可使用锁定模式，此时无人机位置不变，能够航向锁定跟随目标。该方法操作简单，用户只需要切换到相应模式，即可实现自动悬停的功能。且本发明中，自动悬停所涉及的元件少，主要涉及计算机的编程和计算，相比现有技术中增加其他元器件进行悬停，本发明的方法更加节约成本，且特别适用于小体积的紧凑型无人机，通过将计算机应用程序编辑在芯片上，再将芯片植入无人机内部，即可实现。

所述无人机在悬停过程中，出现位移偏差包括前后左右以及斜角的各个方向，因此需要计算无人机出现偏差的方向和位移，所述方向即包括了无人机悬停位置的任意方向，通过计算偏差位置的坐标，也可以将程序设计为通过比较光流摄像头拍摄的前后两张的照片，计算得出两张照片的重叠区域，再运用光流算法，计算得出位移差，最后通过光流控制主板将计算结果传输给无人机的主控制板，所述主控制板再控制无人机电机的转动控制机身的偏移，使无人机恢复至初始悬停位置。整个计算过程方便快捷，能够实现无人机在悬停过程中快速矫正，回到初始位置，同时，不需要用户的额外操作，使用方便，适于推广。

进一步的，所述自动悬停方法还包括提醒步骤，所述提醒步骤包括提醒当前环境下用户适合悬停或不适合悬停。

本发明的自动悬停方法主要针对于光流定位的悬停，由于光流定位悬停有一定的局限性，因此针对于不同的环境，能否进行光流定位需要具体情况具体分析。在实际应用中，也有将多种悬停装置进行结合，实现无人机在各种条件下均能实现悬停。无人机的三维坐标一般会根据不同的装置实现测定，所述高度一般是通过超声波传感器（测量与地面的距离）或者是气压计（高度会影响大气压的变化）来测量的，而水平位置的坐标则由GPS模块来确定。当然，GPS也可以提供高度信息，但对于主流的无人机来说，更倾向于使用气压计，因为低成本的GPS的数据刷新率太低，在高速运动的时候数据滞后会导致无人机高度跌落。除了GPS模式来定位外，无人机还有一种“姿态模式”，依靠的是内部的IMU（惯性测量单元，实际上就是一组陀螺仪+加速度计传感器）来识别自身的飞行状态和相对位移，凭借用户的手动操作，让它到达预定位置进行悬停。

而针对光流定位，用户在使用时，选择光流定位自动悬停后，无人机的光流摄像头通过检测当前环境，判断是否符合光流定位悬停的条件，判断完成后，通过主控制板传输信号给用户的使用端，用户可收到当前环境是否适合光流定位悬停的提醒。提醒步骤的设置，能够使通过装置自身进行判断，不会因为用户个人的判断出现判断不准确，从而造成无人机出现悬停故障的情况。

进一步的，所述无人机飞行高度在三米以下和/或无GPS信号，或所述无人机飞行高度在三米以下和/或GPS信号在四颗星以下，提醒用户适合悬停。

由于本方法所述的光流定位悬停有相应的适合条件，光流定位需要的是光流摄像头通过对比前后图像差异进行计算，而当无人机飞行距离太高时，可能造成前后拍摄的画面不够清楚，无法进行准确的对比分析，可能出现判断错误，因此选择在三米以下提醒用户适合悬停。

而常用的无人机都会装有GPS定位装置，用于判断距离，理论上来说，以地面点的三维坐标（X，Y，Z）为待定参数，确实只需要测出3颗卫星到地面点的距离就可以确定该点的三维坐标了。但是，卫地距离是通过信号的传播时间差Δt乘以信号的传播速度v而得到的。其中，信号的传播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。因此，这就要求对时间差Δt进行非常准确的测定，如果稍有偏差，那么测得的卫地距离就会谬以千里。而时间差Δt是通过将卫星处测得的信号发射时间与接收机处测得的信号达到的时间求差得到的。其中，卫星上安置的原子钟，稳定度很高，我们认为这种钟的时间与GPS时吻合；接收机处的时钟是石英钟，稳定度一般，我们认为它的时钟时间与GPS时存在时间同步误差，并将这种误差作为一个待定参数。这样，对于每个地面点实际上需要求解就有4个待定参数，因此至少需要观测4颗卫星至地面点的卫地距离数据。从数学的角度来讲，简而言之就是求解4个未知参数，必然最少需要4个方程式。因此，当无GPS信号或GPS信号在四颗星以下时，GPS无法进行准确的定位，因此，该环境下可以提醒用户进行光流定位悬停。本发明针对不同的环境，对用户进行提醒，使用户使用更加方便，且无人机自身进行判断，更为准确。

进一步的，所述无人机在室内飞行时，提醒用户适合悬停。

室内飞行由于没有一般GPS信号，或GPS信号非常弱，因此在室内飞行时，一般无法选用GPS进行准确的定位，因此，首选光流定位悬停。当无人机检测到是室内飞行时，提醒用户可以选择光流定位悬停，当用户选择自动悬停之后，无人机的光流摄像头开启，进行地面环境检测，当地面环境符合光流定位条件时，即可实现悬停，当地面环境不符合光流定位条件时，还会进一步提醒用户当前环境不适合悬停。多方面的提醒，让用户使用更加方面，也不会由于人为对环境的误判而对无人机造成损害。

进一步的，所述无人机飞行区域的地面为单一颜色和/或反光和/或有倒影和/或水面和/或透明物体和/或运动物体和/或光照变化面和/或重复图案时，提醒用户不适合悬停。

光流就是运动着的世界里感觉到的明显的视觉运动，没有绝对的静止，也没有绝对的运动。视觉定位系统包含有摄像头和超声波模块，它主要利用内置的光流控制系统，将像素分布及颜色、亮度等信息转变为数字信号传送给图像处理系统进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制飞行器的动作，在室内也可与超声波传感器来判别相对高度，通过高效的视觉处理器计算让无人机实现精确室内定位悬停和平稳飞行。

由于光流定位悬停主要是通过视觉系统进行评判，因此，一切可能影响视觉评判结果的因素都可能影响光流定位悬停的准确性。当地面为单一颜色或重复图案时，由于光流摄像头拍摄的前后对比图时相同的颜色或图案，因此，即使无人机发生了偏移，其光流定位系统也检测不到，且认为无人机没有发生偏移，因此有可能导致无人机感应的故障，可能撞到其他物体造成危险。另外，当地面为镜面或水面或反光较为强烈的反射面时，也会严重影响无人机光流摄像头的判断，导致同样的失误。除此之外，地面光照情况不稳定，忽明忽暗，或有快速运动的物体，如快速行走的人流、车流等，或者风吹动的灌木或草丛上方时，都无法实现正常的光流定位。因此，针对这些情形，本发明对多种无法实现的情形都设置提醒，方便用户使用。

进一步的，所述无人机飞行区域的表面光照小于10lux和/或表面光照大于10000lux时，提醒用户不适合悬停。

勒克斯（lux，法定符号lx）照度单位，1 勒克斯等于 1流(lumen,lm)的光通量均匀分布于1㎡面积上的光照度。普通日光灯光照强度是100lux左右，如果地面光照太弱，如光照强度小于10lux时，由于光线太暗，光流摄像头拍摄的画面不够清晰，无法正常对比前后拍摄画面的重叠部分，因此光线太弱时，光流定位悬停也无法正常使用。光线太强，一方面会造成反光，无法正常拍照，另一方面强光使摄像头拍摄的画面对比明显，即使地面情形符合使用条件，但强光拍摄后可能使色差降低，使得光流摄像头无法准确判断，因此，无论是弱光还是强光都不适合光流定位悬停。当光照强度不适合悬停时，光流控制主板将信号发送给无人机主控制板，主控制板将信号传送至用户使用的移动端，实现提醒功能。

进一步的，所述重复图案为单个图案的面积小于3cm²。

目前室内用的较多的是木纹地板砖或纯色地板砖，因此在这种环境下使用时，最好铺设一个地毯，且地毯上花纹重复率不能太高。当地面重复图案为单个图案的面积小于3cm²时，此时无人机即使发生较为严重的偏差，其光流摄像头拍摄的前后对比照片仅有局部细小的差异，无法实现准确的判断，因此本发明设为重复图案为单个图案的面积小于3cm²时，提醒用户该条件不适合悬停。

进一步的，所述自动悬停方法还包括光流定位装置采样计时步骤，所述光流定位装置获取图像的帧率大于280 帧图像/秒。

进一步的，所述光流定位装置获取图像的帧率大于300 帧图像/秒。

本发明通过设置采样时钟实现采样计时步骤。每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形处理器处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。在光流定位中，通过提高获取图像的帧率，实现精准矫正，即在很短的时间内对比前后两张图像的差异，进行快速矫正，该方法对无人机精度要求高，同样也提高了光流定位悬停的精准度，达到更高要求的用户体验。

进一步的，所述自动悬停方法还包括当机身出现倾斜偏移时的机身矫正步骤。

无人机在悬停过程中，除了机身整体位置的偏移外，还存在机身出现歪斜、或倾斜的情况，一方面无人机内部的光流摄像头，通过对比前后拍摄的画面进行位置矫正，另一方面，当机身初心倾斜时，所述光流摄像头也拍摄的照片也会出现偏差，因此可在无人机内部设置陀螺仪和加速度传感器，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。

当机器人机身出现倾斜时，通过机身矫正步骤即可实现矫正，矫正步骤贯穿在无人机悬停的整个过程中，因此能够保证无人机在整个悬停过程中，保持机身不出现倾斜。

本发明的有益效果：

（1）本发明方法步骤简单，从开始悬停至实现悬停，时间非常短，仅单独采用光流定位悬停，没有增加辅助的定位装置，且没有采用光流定位器，降低了无人机整体成本，且使无人机更加轻巧，也更加节能，并能够实现精准定位。

（2）本发明的整个计算过程方便快捷，能够实现无人机在悬停过程中快速矫正，回到初始位置，同时，不需要用户的额外操作，使用方便，适于推广。

（3）在悬停过程中，多种提醒步骤的设置，能够使通过装置自身进行判断，不会因为用户个人的判断出现判断不准确，从而造成无人机出现悬停故障的情况。

（4）通过提高获取图像的帧率，实现精准矫正，即在很短的时间内对比前后两张图像的差异，进行快速矫正，该方法对无人机精度要求高，同样也提高了光流定位悬停的精准度，达到更高要求的用户体验。

（5）本发明无人机在悬停过程中当机器人机身出现倾斜时，通过机身矫正步骤即可实现矫正，矫正步骤贯穿在无人机悬停的整个过程中，因此能够保证无人机在整个悬停过程中，保持机身不出现倾斜。

附图说明

图1为本发明悬停方法主要步骤示意图。

图2为本发明悬停方法增加提醒步骤示意图。

图3为本发明悬停方法提醒步骤的具体提醒示意图。

图4为本发明悬停方法采样计时步骤示意图。

图5为本发明悬停方法增加矫正步骤示意图。

图6为本发明悬停方法优化示意图。

具体实施例

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种无人机自动悬停方法，包括无人机主体和光流定位装置，所述光流定位装置设于无人机主体上，

所述无人机自动悬停方法包括以下步骤：

S1：开启悬停模式，记录悬停初始图像；

S2：开始采样；

S3：将所述步骤S2中采样的图像与初始图像进行对比，得出二者重叠区域；

S4：根据所述步骤S3中的重叠区域，计算需要偏移的位移；

S5：根据所述步骤S4中计算结果，控制无人机补偿偏移。

进一步的，如图2所示，所述自动悬停方法还包括提醒步骤，所述提醒步骤包括提醒当前环境下用户适合悬停或不适合悬停。在用户在使用时，选择光流定位自动悬停后，无人机的光流摄像头通过检测当前环境，判断是否符合光流定位悬停的条件，判断完成后，通过主控制板传输信号给用户的使用端，用户可收到当前环境是否适合光流定位悬停的提醒。提醒步骤的设置，能够使通过装置自身进行判断，不会因为用户个人的判断出现判断不准确，从而造成无人机出现悬停故障的情况。

进一步的，如图3所示，所述无人机飞行高度在三米以下和/或无GPS信号，或所述无人机飞行高度在三米以下和/或GPS信号在四颗星以下，提醒用户适合悬停。

进一步的，如图3所示，所述无人机在室内飞行时，提醒用户适合悬停。

进一步的，如图3所示，所述无人机飞行区域的地面为单一颜色和/或反光和/或有倒影和/或水面和/或透明物体和/或运动物体和/或光照变化面和/或重复图案时，提醒用户不适合悬停。

进一步的，如图3所示，所述无人机飞行区域的表面光照小于10lux和/或表面光照大于10000lux时，提醒用户不适合悬停。

进一步的，如图3所示，所述重复图案为单个图案的面积小于3cm²。

进一步的，如图4所示，所述自动悬停方法还包括光流定位装置采样计时步骤，所述光流定位装置获取图像的帧率大于280 帧图像/秒。

进一步的，如图5所示，所述自动悬停方法还包括当机身出现倾斜偏移时的机身矫正步骤。

实施例2

本实施例为实施例1的具体实施细节，如图6所示，当无人机需要悬停时，所述无人机光流悬停系统开启，一方面用户可根据自身判断直接使用悬停，或者根据无人机内部判断，再确认是否进行悬停。当需要无人机提醒步骤时，其中光流摄像头对环境进行判断，当地面为水面、反光面、透明物体面、有倒影面、光照剧烈变化面、光照＜10lux、光照＞10000lux、运动物体、单一颜色或重复图案中的一种或多种情形时，所述光流摄像头通过光流控制主板传送信号给无人机的主控制板，主控制板再传输信号给用户端，一般为移动端，通知用户该条件不适合悬停，否则易发生事故。

另一方面，所述光流定位装置还会判断当前环境是否有GPS信号或是否是室内，当所处环境为室内、高度＜3m、无GPS信号或GPS信号少于四颗星以上条件的一种或多种情形结合时，述光流摄像头通过光流控制主板传送信号给无人机的主控制板，主控制板再传输信号给用户端，一般为移动端，通知用户该条件适合悬停。

以上适合悬停的条件与不适合悬停的条件需要结合判断，即使是在上述适合的条件下时，但地面环境不符合要求，所述无人机还是会提示不适合悬停。

进一步的，当所处环境和地面环境都符合要求时，所述光流摄像头进行采样，首先记录初始采样图像，再继续采样，采样的帧率＞300帧图像/秒。一边采样一边将采样的图像与初始图像进行对比，根据二者重叠的区域，计算偏移的位移，最后由主控制板控制无人机电机补偿性的偏移，最终实现悬停。其中无人机的机身矫正在整个无人机悬停过程中都在实施。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化等用在本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机自动悬停方法，包括无人机主体和光流定位装置，所述光流定位装置设于无人机主体上，

其特征在于，所述无人机自动悬停方法包括以下步骤：

S1：开启悬停模式，记录悬停初始图像；

S2：开始采样；

S3：将所述步骤S2中采样的图像与初始图像进行对比，得出二者重叠区域；

S4：根据所述步骤S3中的重叠区域，计算需要偏移的位移；

S5：根据所述步骤S4中计算结果，控制无人机补偿偏移。

2.根据权利要求1所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述自动悬停方法还包括提醒步骤，所述提醒步骤包括提醒当前环境下用户适合悬停或不适合悬停。

3.根据权利要求2所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述无人机飞行高度在三米以下和/或无GPS信号，或所述无人机飞行高度在三米以下和/或GPS信号在四颗星以下，提醒用户适合悬停。

4.根据权利要求1~3任意一项所述的无人机自动悬停方法，其特征在于，所述无人机在室内飞行时，提醒用户适合悬停。

5.根据权利要求2所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述无人机飞行区域的地面为单一颜色和/或反光和/或有倒影和/或水面和/或透明物体和/或运动物体和/或光照变化面和/或重复图案时，提醒用户不适合悬停。

6.根据权利要求2或5所述的无人机自动悬停方法，其特征在于，所述无人机飞行区域的表面光照小于10lux和/或表面光照大于10000lux时，提醒用户不适合悬停。

7.根据权利要求5或6所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述重复图案为单个图案的面积小于3cm²。

8.根据权利要求1所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述自动悬停方法还包括光流定位装置采样计时步骤，所述光流定位装置获取图像的帧率大于280 帧图像/秒。

9.根据权利要求7所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述光流定位装置获取图像的帧率大于300 帧图像/秒。

10.根据权利要求1所述无人机自动悬停方法，其特征在于，所述自动悬停方法还包括当机身出现倾斜偏移时的机身矫正步骤。