CN108088438A - 一种无人机视觉导航测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机视觉导航测试方法及系统，涉及无人机导航辅助设备技术领域，其中，系统包括：红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机。手持式测试装置包括：目标数据采集模块、主控制器、无线通讯模块和电源。目标数据采集模块采集生成目标图像信息，并发送目标图像信息。主控制器接收目标图像信息，根据目标图像信息生成目标位置信息。飞行控制器接收目标位置信息，并根据目标位置信息生成导航信息。主控制器通过无线通讯模块将目标图像信息和导航信息发送至上位机。该技术方案缓解了现有技术存在的无人机导航系统的测试难度大、测试准确性差的技术问题，保证了无人机导航系统测试的准确性的同时简化了测试的流程。

Description

一种无人机视觉导航测试方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机导航辅助检测设备技术领域，尤其是涉及一种无人机视觉导航测试方法及系统。

背景技术

旋翼无人机以其高灵活性和较低的起降条件要求在民用和军事领域得到广泛的发展和应用。经典的旋翼机无人机，例如多旋翼无人机、单旋翼无人直升机和共轴对转无人直升机在解决环境监控、海上污染监视、地理信息收集等方面扮演着重要的作用。

无人机导航是指无人机在飞行过程中确定其位置和方向的方法或过程，涉及力学、电子学、自动控制及计算机等多个学科。导航系统的性能直接关系到航行任务的完成，无人机依靠飞行控制系统实现自动飞行，而飞行控制系统的反馈输入来自于导航信号。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的针对于无人机导航系统的测试，需要测试人员对载有无人机视觉导航系统的真机进行测试，其中导航测试的结果容易受到系统中其他部分的干扰，且进行测试的特征目标的可识别性差，导致测试结果的误差大，同时，测试人员需要对无人机系统的开发原理进行深入透彻的学习，增加了无人机导航系统测试的难度，因此，现有技术存在无人机导航系统的测试难度大、测试准确性差的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机视觉导航测试方法及系统，以缓解现有技术存在无人机导航系统的测试难度大、测试准确性差的技术问题。

本发明实施例提供了一种无人机视觉导航测试方法及系统，系统包括：红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机；

其中，手持式测试装置包括：目标数据采集模块、主控制器、无线通讯模块和电源；

方法包括：

特征图像生成步骤：红外停机坪装置接收主控制器发送的测试启动信号，根据测试启动信号生成红外特征图像；

目标图像信息采集步骤：目标数据采集模块采集红外特征图像，并根据红外特征图像生成目标图像信息，发送目标图像信息；

目标位置信息生成步骤：主控制器接收目标图像信息，根据目标图像信息生成目标位置信息，并发送目标位置信息；

导航信息生成步骤：飞行控制器接收目标位置信息，并根据目标位置信息生成导航信息，并发送导航信息：

无线传输步骤：主控制器通过无线通讯模块发送目标图像信息和导航信息；

测试结果生成步骤：上位机接收目标图像信息和导航信息，根据目标图像信息和导航信息生成差异数据，分别显示目标图像信息、导航信息和差异数据。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，红外停机坪装置包括：红外标志组件、标志固定板、停机坪控制器和停机坪电源；

红外标志组件设置在标志固定板上，停机坪控制器分别与红外标志组件和停机坪电源相连接；

红外标志组件由多个红外标志灯排列组成；

红外标志灯包括：红外灯珠、聚光杯和导光筒；

红外灯珠设置在标志固定板上，红外灯珠的外部套设有聚光杯，聚光杯两端分别与导光筒的一端和红外灯珠的灯座相贴合，红外灯珠位于聚光杯的轴线上；

导光筒的另一端设置有匀光片。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，聚光杯具有圆锥型侧壁；

聚光杯的下端较细，与红外灯珠的灯座相贴合；

聚光杯的上端较粗，与导光筒的一端相贴合。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，聚光杯和导光筒的内壁均覆有消光层。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，匀光片为磨砂玻璃片。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，目标数据采集模块与主控制器之间通过千兆网口连接。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，飞控连接接口为RS232串行接口和USB接口。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，目标数据采集模块为摄像头、相机或摄像机。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，上位机包括上位机控制器和与上位机控制器连接的显示器。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，无线通讯模块采用WiFi无线通讯、蓝牙无线通讯或射频无线通讯进行数据传输。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例所提供的无人机视觉导航测试方法及系统，系统包括：红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机。其中，手持式测试装置包括：目标数据采集模块、主控制器、无线通讯模块和电源。红外停机坪装置接收主控制器发送的测试启动信号，根据测试启动信号生成红外特征图像。目标数据采集模块采集红外特征图像并生成目标图像信息，发送目标图像信息。主控制器接收目标图像信息，根据目标图像信息生成目标位置信息。飞行控制器接收目标位置信息，并根据目标位置信息生成导航信息。主控制器通过无线通讯模块将目标图像信息和导航信息发送至上位机。上位机接收目标图像信息和导航信息，根据目标图像信息和导航信息生成差异数据，分别显示目标图像信息、导航信息和差异数据。该技术方案通过红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机之间的数据信号传输，实现了无人机飞行视觉导航系统的性能测试，排除了无人机系统中其他子系统对飞控及导航系统的干扰，降低了测试的难度，提高了测试结果的准确性，且测试效果直观，同时避免了用户采用传统测试装置造成的导航测试结果偏差，保证了无人机导航系统测试的准确性的同时简化了测试的流程，从而缓解了现有技术存在的无人机导航系统的测试难度大、测试准确性差的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，无人机视觉导航测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，无人机视觉导航测试方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，红外停机坪装置的结构连接图；

图4为本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，红外停机坪装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，红外标志灯的结构示意图。

图标：

100-红外停机坪装置；110-红外标志组件；111-红外标志灯；1111-红外灯珠；1112-聚光杯；1113-导光筒；1114-匀光片；120-标志固定板；130-停机坪控制器；140-停机坪电源；200-手持式测试装置；210-目标数据采集模块；211-千兆网口；220-主控制器；221-飞控连接接口；2211-RS232串行接口；2212-USB接口；230-无线通讯模块；240-电源；300-飞行控制器；400-上位机；410-上位机控制器；420-显示器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。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。

目前，现有的针对于无人机导航系统的测试，需要测试人员对载有无人机视觉导航系统的真机进行测试，其中导航测试的结果容易受到系统中其他部分的干扰，且进行测试的特征目标的可识别性差，导致测试结果的误差大，同时，测试人员需要对无人机系统的开发原理进行深入透彻的学习，增加了无人机导航系统测试的难度，基于此，本发明实施例提供的一种无人机视觉导航测试方法及系统，可以简化测试流程、提高测试的准确性、降低测试难度。

参见图1，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，无人机视觉导航测试系统的结构示意图。本发明实施例提供的无人机视觉导航测试系统，包括：红外停机坪装置100、手持式测试装置200、飞行控制器300和上位机400。手持式测试装置200与待测的无人机飞行控制器300相连接，实现与无人机飞行控制器之间的数据传输，上位机用于处理和显示手持式测试装置及飞行控制器发送的数据。系统通过手持式测试装置和上位机之间的数据信号交互，实现了无人机飞控及导航系统的全链路测试，简化了测试系统结构，便于用户进行手持测试，降低了测试难度。

参见图2，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，无人机视觉导航测试方法的流程图。本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，特征图像生成步骤S1：红外停机坪装置接收主控制器发送的测试启动信号，根据测试启动信号生成红外特征图像。当用户启动对无人机视觉导航系统进行测试时，主控制器通过无线通讯模块发送出测试启动信号，红外停机坪装置接收该测试启动信号，无人机靠近停机坪时，通过视觉导航识别红外停机坪装置的引导标志点可快速计算得出无人机的飞行三维姿态。

参见图3及图4，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，红外停机坪装置的结构连接图及结构示意图。具体的，红外停机坪装置100包括：红外标志组件110、标志固定板120、停机坪控制器130和停机坪电源140。红外停机坪装置适用于室内环境亦可适应于户外复杂的天气情况，并有效提高识别距离和定位精度。

红外标志组件110设置在标志固定板120上，停机坪控制器130分别与红外标志组件110和停机坪电源140相连接。红外标志组件发出具有标志作用的红外光，由于红外光的穿透性强，并且不宜被环境光线所干扰，红外标志组件形成的标志点可实现无人机百米高空的精确识别，有效增加了无人机引导的距离。

红外标志组件110由多个红外标志灯111排列组成。以位于标志固定板中心位置的中心点为原点，其他红外标志灯形成的辅助标志点按图4所示分布，亦可以在此基础上增加红外标志灯，也可按用户的使用需求自定义排布。图示中的排布方式仅为其中一种，设计好的红外标志灯需用全站仪精确标定，标定的数据用于识别计算。

参见图5，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，红外标志灯的结构示意图。红外标志灯111包括：红外灯珠1111、聚光杯1112和导光筒1113。红外灯珠发出的红外光波长为770纳米到1毫米之间。进一步的，红外灯珠的功率为40~60W。

红外灯珠1111设置在标志固定板120上，红外标志组件通过停机坪控制器连接内部的停机坪电源供电，红外灯珠1111的外部套设有聚光杯1112，聚光杯1112两端分别与导光筒1113的一端和红外灯珠1111的灯座相贴合，进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，聚光杯1112具有圆锥型侧壁，增加了红外光的照射面积。聚光杯1112的下端较细，与红外灯珠1111的灯座相贴合。聚光杯1112的上端较粗，与导光筒1113的一端相贴合。红外灯珠1111位于聚光杯1112的轴线上。红外灯珠发出的红外光沿聚光杯的轴线方向射出，进入导光筒内，并沿导光筒的轴向传播。

导光筒1113的另一端设置有匀光片1114。具体的，匀光片设置在导光筒的上端面处，沿导光筒的轴向射出的红外光经匀光片射出，形成红外标志点。匀光片的材质一般是塑料或玻璃片，匀光片使红外灯珠发出的光形成一个均匀的发光面而不形成暗区，便于无人机视觉导航系统的识别。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，聚光杯1112和导光筒1113的内壁均覆有消光层。消光层增强了聚光杯和导光筒的光学均匀性，使得红外灯珠发出的光均匀照射，增强了标志点的可识别性。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法及系统中，匀光片1114为磨砂玻璃片。磨砂玻璃片的作用是将红外灯珠点光源发出的均匀漫射成面光源，磨砂玻璃片具有匀光和散射功能，其制造成本低且经久耐用。

具体的，手持式测试装置200包括：目标数据采集模块210、主控制器220、无线通讯模块230和电源240。目标数据采集模块用于采集地面标志的图像数据，模拟无人机日常作业时对外部环境的图像采集。主控制器为测试装置的主要处理计算单元，是测试装置的核心。无线通讯模块是手持式测试装置与上位机之间通讯的桥梁。

主控制器通过与其连接的电源供电，主控制器220与目标数据采集模块210相连接，用于接收目标数据采集模块生成的目标图像信息。进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试系统中，目标数据采集模块210与主控制器220之间通过千兆网口211连接，保证了目标数据采集模块与主控制之间数据传输的稳定性与速度。进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试系统中，主控制器220还与外部的飞行控制器300连接，用于测试飞行控制器的性能，具体的，主控制器220通过飞控连接接口221与外部的飞行控制器300连接，其中，飞控连接接口221为RS232串行接口2211和USB接口2212。RS232串行接口用于实现主控制器与飞行控制器之间的数据传输，USB接口用于登录飞行控制器的飞行控制界面。

本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，目标图像信息采集步骤S2：目标数据采集模块采集红外特征图像，并根据红外特征图像生成目标图像信息，发送目标图像信息。目标数据采集模块对范围内的环境进行图像采集，生成具有可识别的特定目标的目标图像信息，目标数据采集模块发送该目标图像信息至系统的主控制器。本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，可识别的特定目标即为红外特征图像，红外特征图像为红外停机坪装置的引导标志点形成的图形，红外特征图像便于视觉导航系统的识别。进一步的，目标数据采集模块为摄像头、相机或摄像机。

本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，目标位置信息生成步骤S3：主控制器接收目标图像信息，根据目标图像信息生成目标位置信息，并发送目标位置信息。主控制器接收目标数据采集模块生成的目标图像信息，目标图像信息表征置于手持式测试装置内部的飞行控制器和手持式测试装置实际的运动路径。主控制器对该目标图像信息进行特征识别及数据处理，生成对应于目标图像信息的目标位置信息，目标位置信息表征了目标的基本特征和根据图像判断出的无人机当前的飞行姿态信息。主控制器还将目标位置信息通过RS232串行接口发送至飞行控制器。

本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，导航信息生成步骤S4：飞行控制器接收目标位置信息，并根据目标位置信息生成导航信息，并发送导航信息。飞行控制器接收主控制器发送的目标位置信息，并根据目标位置信息生成导航信息。飞行控制器对接收到的目标位置信息进行数据处理，综合分析当前模拟的无人机飞行姿态和目标的特征，生成表征着预判飞行路径信息的导航信息。导航信息表征无人机根据目标位置所作出飞行路径的预判。飞行控制器还通过RS232串行接口将导航信息发送至主控制器。

本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，无线传输步骤S5：主控制器通过无线通讯模块发送目标图像信息和导航信息。主控制器220接收目标数据采集模块210生成的目标图像信息和飞行控制器300发送的导航信息，并通过无线通讯模块230将目标图像信息和导航信息发送至上位机400。

本发明实施例提供的无人机视觉导航测试方法中，测试结果生成步骤S6：上位机接收目标图像信息和导航信息，根据目标图像信息和导航信息生成差异数据，分别显示目标图像信息、导航信息和差异数据。上位机400接收目标图像信息和导航信息，将目标数据采集模块生成的表示飞行控制器和手持式测试装置实际的运动路径的目标图像信息和飞行控制器生成的表示预判飞行路径的导航信息进行对比，生成表征两者差异程度的差异数据，以差异数据判断飞行控制器的视觉导航性能，排除了无人机系统中其他子系统对飞控及导航系统的干扰，降低了测试的难度，且测试效果直观，同时避免了用户采用传统测试装置造成的导航测试结果偏差，保证了无人机导航系统测试的准确性的同时简化了测试的流程，从而缓解了现有技术存在的测试难度大、测试准确性差的技术问题。进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试系统中，上位机400包括上位机控制器410和与上位机控制器连接的显示器420。上位机控制器用于接收目标图像信息和导航信息，并进行数据分析和对比，生成差异数据，上位机控制器还将目标图像信息和导航信息分别发送至显示器，便于用户对测试结果进行直观的对比。

进一步的，本发明实施例提供的无人机视觉导航测试系统中，无线通讯模块230采用WiFi无线通讯、蓝牙无线通讯或射频无线通讯进行数据传输，避免因传统测试装置中复杂的数据传输线路而对测试结果造成干扰，造成测量误差。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例所提供的无人机视觉导航测试方法及系统，系统包括：红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机。其中，手持式测试装置包括：目标数据采集模块、主控制器、无线通讯模块和电源。红外停机坪装置接收主控制器发送的测试启动信号，根据测试启动信号生成红外特征图像。目标数据采集模块采集红外特征图像并生成目标图像信息，发送目标图像信息。主控制器接收目标图像信息，根据目标图像信息生成目标位置信息。飞行控制器接收目标位置信息，并根据目标位置信息生成导航信息。主控制器通过无线通讯模块将目标图像信息和导航信息发送至上位机。上位机接收目标图像信息和导航信息，根据目标图像信息和导航信息生成差异数据，分别显示目标图像信息、导航信息和差异数据。该技术方案通过红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机之间的数据信号传输，实现了无人机飞行视觉导航系统的性能测试，排除了无人机系统中其他子系统对飞控及导航系统的干扰，降低了测试的难度，提高了测试结果的准确性，且测试效果直观，同时避免了用户采用传统测试装置造成的导航测试结果偏差，保证了无人机导航系统测试的准确性的同时简化了测试的流程，从而缓解了现有技术存在的无人机导航系统的测试难度大、测试准确性差的技术问题。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人机视觉导航测试方法及系统，其特征在于，所述系统包括：红外停机坪装置、手持式测试装置、飞行控制器和上位机；

其中，所述手持式测试装置包括：目标数据采集模块、主控制器、无线通讯模块和电源；

所述方法包括：

特征图像生成步骤：所述红外停机坪装置接收所述主控制器发送的测试启动信号，根据所述测试启动信号生成红外特征图像；

目标图像信息采集步骤：所述目标数据采集模块采集所述红外特征图像，并根据所述红外特征图像生成所述目标图像信息，发送所述目标图像信息；

目标位置信息生成步骤：所述主控制器接收所述目标图像信息，根据所述目标图像信息生成目标位置信息，并发送所述目标位置信息；

导航信息生成步骤：所述飞行控制器接收所述目标位置信息，并根据所述目标位置信息生成导航信息，并发送所述导航信息：

无线传输步骤：所述主控制器通过所述无线通讯模块发送所述目标图像信息和导航信息；

测试结果生成步骤：所述上位机接收所述目标图像信息和导航信息，根据所述目标图像信息和导航信息生成差异数据，分别显示所述目标图像信息、导航信息和差异数据。

2.根据权利要求1所述的方法及系统，其特征在于，所述红外停机坪装置包括：红外标志组件、标志固定板、停机坪控制器和停机坪电源；

所述红外标志组件设置在所述标志固定板上，所述停机坪控制器分别与所述红外标志组件和停机坪电源相连接；

所述红外标志组件由多个红外标志灯排列组成；

所述红外标志灯包括：红外灯珠、聚光杯和导光筒；

所述红外灯珠设置在所述标志固定板上，所述红外灯珠的外部套设有聚光杯，所述聚光杯两端分别与所述导光筒的一端和红外灯珠的灯座相贴合，所述红外灯珠位于所述聚光杯的轴线上；

所述导光筒的另一端设置有匀光片。

3.根据权利要求2所述的方法及系统，其特征在于，所述聚光杯具有圆锥型侧壁；

所述聚光杯的下端较细，与所述红外灯珠的灯座相贴合；

所述聚光杯的上端较粗，与所述导光筒的一端相贴合。

4.根据权利要求2所述的方法及系统，其特征在于，所述聚光杯和导光筒的内壁均覆有消光层。

5.根据权利要求2所述的方法及系统，其特征在于，所述匀光片为磨砂玻璃片。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法及系统，其特征在于，所述目标数据采集模块与所述主控制器之间通过千兆网口连接。

7.根据权利要求1至5任一项所述的方法及系统，其特征在于，所述主控制器通过飞控连接接口与所述飞行控制器连接；

所述飞控连接接口为RS232串行接口和USB接口。

8.根据权利要求1至5任一项所述的方法及系统，其特征在于，所述目标数据采集模块为摄像头、相机或摄像机。

9.根据权利要求1至5任一项所述的方法及系统，其特征在于，所述上位机包括上位机控制器和与上位机控制器连接的显示器。

10.根据权利要求1所述的方法及系统，其特征在于，所述无线通讯模块采用WiFi无线通讯、蓝牙无线通讯或射频无线通讯进行数据传输。