CN109324634A - 一种飞行器及其定位方法、控制方法及光流模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一种飞行器及其定位方法、控制方法及光流模块，其中定位方法包括：向地面发射光信号，记录发射光信号的第一时间数据；接收被照射地面对所述光信号的反射光信号，记录接收到所述反射光信号的第二时间数据，计算被照射地面与飞行器之间的高度差；根据预设的时间间隔连续若干次采集被照射地面的纹理信息，生成包含所述纹理信息和所述高度差的二维图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移；将所述位移和二维特征图像发送给飞控系统。本发明采用TOF摄像头、光源和MCU代替超声模块进行测距，减小了光流模块的尺寸，并且能够精确定位照射物体与飞行器之间的实际距离，提高了测量精确度。
Description
本发明申请是基于申请号为CN201610873899.7(申请日为：2016-9-30，发明名称为：飞行器控制方法、光流模块及飞行器)的发明专利申请提出的分案申请。
技术领域
本发明涉及飞行器控制技术领域，特别是涉及一种飞行器及其定位方法、控制方法及光流模块。
背景技术
由于在室内没有GPS信号，无人机在室内要实现悬停，移动路线标定和返航，都需要借助光流模块进行。光流模块中一般包括超声测距模块，用于精确测量飞机和地面的高度。
然而，超声模块具有体积较大的缺点，且通过超声模块进行超声测距得到的是一定范围内到声源的平均距离，无法做到局域距离测量，测量精确度较低。
发明内容
基于此，有必要针对超声模块体积较大、测量精确度较低的问题，提供一种飞行器控制方法、光流模块及飞行器。
根据本发明的一个方面，提供一种光流模块，所述光流模块包括光源、TOF摄像头和微控制单元MCU，其中：
所述光源，用于根据预设的时间间隔向地面发射光信号；
所述TOF摄像头，与所述光源联动，用于根据所述预设的时间间隔同步获取被照射地面的纹理信息，还用于接收被照射地面对所述发射光信号的反射光信号，根据所述发射光信号和接收到反射光信号的时间差计算被照射地面与所述飞行器之间的高度差，并将所述纹理信息和高度差发送至MCU；
所述MCU，与所述光源、TOF摄像头以及飞行器的飞控系统连接，用于接收所述高度差和纹理信息，分别根据各次采集的纹理信息和所述高度差生成二维特征图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移，将所述位移和所述高度差发送给飞控系统；
其中，所述发射光信号的时间与所述采集地面纹理信息的时间同步。
根据本发明的另一个方面，提供一种飞行器定位方法，应用于光流模块，该方法包括以下步骤：
根据预设的时间间隔向地面发射光信号，记录发射光信号的第一时间数据；
接收被照射地面对所述光信号的反射光信号，记录接收到所述反射光信号的第二时间数据，并根据所述第一时间数据和所述第二时间数据计算被照射地面与飞行器之间的高度差；
根据所述预设的时间间隔同步采集被照射地面的纹理信息，生成包含所述纹理信息和所述高度差的二维特征图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移；
将所述位移和所述高度差发送至飞行器的飞控系统；
其中，所述发射光信号的时间与所述采集地面纹理信息的时间同步。
根据本发明的再一个方面，提供一种光流模块，所述光流模块包括光源、TOF摄像头、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少两个处理器执行时，实现上述飞行器定位方法的步骤。
根据本发明的又一个方面，提供一种飞行器控制方法，应用于飞控系统，该方法包括以下步骤：
接收光流模块发送的飞行器的位移和高度差信息；
判断飞行器是否偏离预设的悬停位置；
当偏离预设的悬停位置时，控制飞行器飞回所述预设的悬停位置。
根据本发明的又一个方面，提供一种飞行器，包括机身、光流模块以及与所述光流模块相连接的飞控系统，所述光流模块设置在所述机身底面，包括上述光流模块；所述飞控系统用于接收光流模块发送高度差和位移，根据所述位移和高度差判断飞行器是否偏离预设的悬停位置，若是，控制飞行器飞回所述预设的悬停位置。
上述光流模块和飞行器，采用TOF摄像头、光源和MCU代替超声模块进行测距，减小了光流模块的尺寸，并且能够精确定位照射物体与飞行器之间的实际距离，提高了测量精确度。
附图说明
图1为一个实施例的飞行器控制方法流程图；
图2为一个实施例的飞行器控制方法的流程图；
图3为一个实施例的光流模块的结构示意图；
图4为一个实施例的飞行器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明提供一种飞行器控制方法，可包括以下步骤：
S1，向地面发射光信号，记录发射光信号的第一时间数据；
在本步骤中，可通过一个光源向地面发射光信号。在一个实施例中，可以将光源可竖直正对地面发射光信号，通过TOF摄像头接收地面对所述光信号的反射信号。在其他实施例中，也可以将光源以一定角度照射地面。
其中，所述光源可以是红外面光源。采用红外面光源可以使测距过程在黑暗情况下也能够进行。
S2，接收被照射地面对所述光信号的反射光信号，记录接收到所述反射光信号的第二时间数据，并根据所述第一时间数据和所述第二时间数据计算被照射地面与飞行器之间的高度差；
在本步骤中，可以采用TOF摄像头接收所述反射光信号。若步骤Sl中采用的是红外面光源，在本步骤中可以相应地采用红外TOF摄像头。
S3，根据预设的时间间隔连续若干次采集被照射地面的纹理信息，生成包含所述纹理信息和所述高度差的二维特征图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移；
例如，T1秒采集的纹理信息1，可生成包含纹理信息1与所述高度差1的二维特征图像1；T2秒采集的纹理信息2，可生成包含纹理信息2与所述高度差2的二维特征图像2，假设地面上的A点在二维特征图像1中对应的坐标为(x1,y1)，地面上的A点在二维特征图像2中对应的坐标为(x2,y2)，那么，根据(x1,y1)和(x2,y2)之间的距离可以计算飞行器的位移。所述地面某点可以是预先指定的一个点。
根据这些连续拍摄的二维特征图像，还可以得出飞行器的飞行轨迹，可以使飞行器原路返航，或者直接返航到起飞点上空。例如，所述高度差1在所述二维特征图像1中记录的位置为所述飞行器T1秒所在的位置，通过将连续拍摄的二维特征图像叠加，可以得出飞行器的飞行轨迹，相当于在GPS情况下飞行器在地图上记录的飞行轨迹。
S4，将所述位移和所述二维特征图像发送至飞控系统，由飞控系统根据所述位移和高度差判断飞行器是否偏离预设的悬停位置，若是，控制所述飞行器飞回所述悬停位置；其中，发射光信号的时间与采集地面纹理信息的时间同步。
本发明测距的工作方式是，红外面光源发射光脉冲照射地面，红外TOF摄像头搜集反射光和被照射地面的纹理信息，并记录发射光信号的第一时间数据和接收到所述反射光信号的第二时间数据，根据所述第一时间数据和第二时间数据计算被照射地面与飞行器之间的高度差，并生成包含所述高度差和纹理信息的二维特征图像。可根据所述二维特征图像计算出所述飞行器的位移，并所述位移信息和所述二维特征图像发送至飞控系统。飞控系统可以根据所述位移计算飞行器的位移矢量(如果位移，可以获取修正后的位移，并根据所述高度差和修正后的位移计算位移矢量)，根据各个位移矢量的叠加获取飞行器的运动方向与速度。然后再次发射光脉冲，重复上述的过程，实现实时的距离探测。以上的过程交替进行，从而可以获得地面纹理的信息和离地高度信息，进行数据融合实现光流悬停和路线标定。
当飞行器处于非水平状态时，拍摄的图像并非飞行器竖直向下方向的图像，此时可修正由于姿态导致的虚假位移矢量。具体地，可根据飞行器的姿态信息，修正由于姿态导致的虚假位移矢量；并将修正后的位移矢量发送至飞控系统。飞控系统可根据高度差和修正后的位移矢量，结合摄像头透镜参数计算出飞行器正确的运动方向与速度。具体地，可以根据所述姿态信息获取所述发射光信号与竖直方向(例如，竖直向下方向)的夹角，并判断所述夹角是否处于预设的角度范围内，若否，根据所述夹角对所述位移进行修正。修正后的位移信息可以用如下公式来表示：
L'＝L-Hsinθ
式中，L'为修正后的位移，L为修正前的位移，H为修正前的高度信息，θ为所述夹角。
所述飞行器控制方法的流程图如图2所示。
图3为一个实施例的光流模块100的结构示意图。如图3所示，所述光流模块100可包括：
光源10，用于向地面发射光信号；
TOF摄像头20，所述TOF摄像头20与所述光源10联动，用于获取被照射地面的纹理信息、记录第一时间数据和第二时间数据，根据所述第一时间数据和所述第二时间数据计算被照射地面与所述光流模块100之间的高度差，根据预设的时间间隔连续若干次采集被照射地面的纹理信息，并将所述纹理信息发送至MCU30；其中，所述第一时间数据为所述光源10向被照射地面发射所述光信号的时间，所述第二时间数据为所述TOF摄像头接收到被照射地面对所述光信号的反射光信号的时间；
MCU30，所述MCU30与所述光源10、TOF摄像头20以及飞行器40的飞控系统50连接，用于接收所述高度差和纹理信息，分别根据各次采集的纹理信息和所述高度差生成二维特征图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移，将所述位移和所述二维特征图像发送给飞控系统50；其中，所述飞控系统根据所述位移和所述高度差判断飞行器是否偏离预设的悬停位置，若是，控制飞行器飞回所述悬停位置；其中，发射光信号的时间与采集地面纹理信息的时间同步。
在一个实施例中，可以将光源10可竖直正对地面发射光信号，通过TOF摄像头20接收地面对所述光信号的反射信号。在其他实施例中，也可以将光源10以一定角度照射地面。
其中，所述光源10可以是红外面光源。采用红外面光源可以使测距过程在黑暗情况下也能够进行。对应地，所述TOF(Time Of Flight)摄像头可以是红外TOF摄像头。所述红外TOF摄像头可以包括红外TOF传感器，所述红外TOF传感器与所述MCU30连接，用于接收被照射地面的反射光。采用MCU、光源和TOF摄像头的组合来替代传统的超声模块，减小了光流模块100的体积，整个模组外露的部分可以做到很平整甚至隐藏，其效果可以达到类似于机前置摄像头的平整效果。
本发明测距的工作方式是，红外面光源发射光脉冲照射地面，红外TOF摄像头搜集反射光和被照射地面的纹理信息，并记录发射光信号的第一时间数据和接收到所述反射光信号的第二时间数据，根据所述第一时间数据和第二时间数据计算被照射地面与飞行器之间的高度差，并生成包含所述高度差和纹理信息的二维特征图像。可根据所述二维特征图像计算出所述飞行器的位移，并所述位移信息和所述二维特征图像发送至飞控系统。飞控系统可以根据所述位移计算飞行器的位移矢量(如果位移，可以获取修正后的位移，并根据所述高度差和修正后的位移计算位移矢量)，根据各个位移矢量的叠加获取飞行器的运动方向与速度。然后再次发射光脉冲，重复上述的过程，实现实时的距离探测。以上的过程交替进行，从而可以获得地面纹理的信息和离地高度信息，进行数据融合实现光流悬停和路线标定。
在一个实施例中，所述光流模块还可包括陀螺仪60，当飞行器处于非水平状态时，拍摄的图像并非飞行器竖直向下方向的图像，此时陀螺仪60可修正由于姿态导致的虚假位移矢量。具体地，陀螺仪60可根据飞行器的姿态信息，修正由于姿态导致的虚假位移矢量；并将修正后的位移矢量发送至飞控系统。飞控系统可根据高度差和修正后的位移矢量，结合摄像头透镜参数计算出飞行器正确的运动方向与速度。具体地，可以根据所述姿态信息获取所述发射光信号与竖直方向(例如，竖直向下方向)的夹角，判断所述夹角是否处于预设的角度范围内，若否，根据所述夹角对所述位移进行修正。修正后的位移信息可以用如下公式来表示：
L'＝L-Hsinθ
式中，L'为修正后的位移，L为修正前的位移，H为修正前的高度信息，θ为所述夹角。
在一个实施例中，所述光源10可以连接一个调制器或驱动IC70，所述调制器或驱动IC70可以对光源10发出的光信号进行调制后发射出去。
在一个实施例中，所述TOF摄像头20中还可集成一个AD转换器80，所述AD转换器80可与MCU30相连接，可以将TOF摄像头20的输出信号转换为数字信号并发射到所述MCU30，便于MCU30进行处理。
与上述光流模块100对应地，本发明还提供一种飞行器40，如图4所示，所述飞行器可包括：
机身201；安装在所述机身201上的螺旋桨202；驱动装置203；光流模块100，以及与所述光流模块100相连接的飞控系统50；
所述光流模块100设置在所述机身201底面，用于获取地面与飞行器40之间的高度差和所述飞行器40的位移，并将所述高度差和位移发送至飞行器40的飞控系统50；
所述飞控系统50用于接收所述高度差和所述二维特征图像，根据所述位移和所述高度差判断飞行器是否偏离预设的悬停位置，若是，生成控制飞行器移动的控制信息，并将所述控制信息发送至所述驱动装置203；
所述驱动装置203与所述飞控系统50以及所述螺旋桨202相连接，用于接收所述控制信息，并驱动所述螺旋桨202，控制飞行器飞回预设的悬停位置。
所述飞行器中光流模块的实施例与上述光流模块相同，此处不再赘述。
本发明具有以下优点：
(1)光流模块尺寸比传统光流模块的尺寸要小很多。
(2)光流模块外观更平整。
(3)黑暗的地方也可以进行光流的定位。
(4)可以更加精确地计算出所述飞行器与所述照射物体的距离。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简沽，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种光流模块，其特征在于，所述光流模块包括光源、TOF摄像头和微控制单元MCU，其中：
所述光源，用于根据预设的时间间隔向地面发射光信号；
所述TOF摄像头，与所述光源联动，用于根据所述预设的时间间隔同步获取被照射地面的纹理信息，还用于接收被照射地面对所述发射光信号的反射光信号，根据所述发射光信号和接收到反射光信号的时间差计算被照射地面与所述飞行器之间的高度差，并将所述纹理信息和高度差发送至MCU；
所述MCU，与所述光源、TOF摄像头以及飞行器的飞控系统连接，用于接收所述高度差和纹理信息，分别根据各次采集的纹理信息和所述高度差生成二维特征图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移，将所述位移和所述高度差发送给飞控系统；
其中，所述发射光信号的时间与所述采集地面纹理信息的时间同步。
2.根据权利要求1所述的光流模块，其特征在于，所述光源为红外面光源。
3.根据权利要求1所述的光流模块，其特征在于，所述TOF摄像头为红外TOF摄像头。
4.根据权利要求1所述的光流模块，其特征在于，所述光流模块还包括：
与所述光源相连接的调制器，用于对所述光源发射的光信号进行调制后发射出去。
5.根据权利要求1所述的光流模块，其特征在于，所述光流模块还包括：
AD转换器，集成在所述TOF摄像头中，与所述MCU相连接，用于将所述TOF摄像头的输出信号转换为数字信号并发送给所述MCU。
6.一种飞行器定位方法，应用于光流模块，其特征在于，该方法包括以下步骤：
根据预设的时间间隔向地面发射光信号，记录发射光信号的第一时间数据；
接收被照射地面对所述光信号的反射光信号，记录接收到所述反射光信号的第二时间数据，并根据所述第一时间数据和所述第二时间数据计算被照射地面与飞行器之间的高度差；
根据所述预设的时间间隔同步采集被照射地面的纹理信息，生成包含所述纹理信息和所述高度差的二维特征图像，根据地面上的某点在各个二维特征图像中的位置变化量计算飞行器的位移；
将所述位移和所述高度差发送至飞行器的飞控系统；
其中，所述发射光信号的时间与所述采集地面纹理信息的时间同步。
7.根据权利要求6所述的飞行器定位方法，其特征在于，在将所述位移信息发送给飞控系统之前，还包括以下步骤：
采集所述飞行器的姿态信息；
根据所述姿态信息修正所述位移。
8.根据权利要求6所述的飞行器定位方法，其特征在于，根据所述姿态信息修正所述位移的步骤包括：
根据所述姿态信息获取所述发射光信号与竖直方向的夹角；
判断所述夹角是否处于预设的角度范围内，若否，根据所述夹角对所述位移进行修正。
9.根据权利要求8所述的飞行器定位方法，其特征在于，根据所述夹角对所述位移进行修正的步骤包括：
根据如下公式对所述位移进行修正：
L'＝L-Hsinθ；
式中，L'为修正后的位移，L为修正前的位移，H为修正前的高度信息，θ为所述夹角。
10.一种光流模块，其特征在于，所述光流模块包括光源、TOF摄像头、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少两个处理器执行时，实现如权利要求6至9中任一项所述的飞行器定位方法的步骤。
11.一种飞行器控制方法，应用于飞控系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
接收光流模块发送的飞行器的位移和高度差信息；
判断飞行器是否偏离预设的悬停位置；
当偏离预设的悬停位置时，控制飞行器飞回所述预设的悬停位置。
12.根据权利要求11所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述接收光流模块发送的飞行器的位移和高度差信息之后，该方法还包括：
根据所述位移和高度差信息计算飞行器的位移矢量，根据各个位移矢量的叠加，计算所述飞行器的飞行轨迹。
13.根据权利要求11所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述控制飞行器飞回所述预设的悬停位置，包括：
根据所述飞行器的飞行轨迹，结合摄像头透镜参数计算出飞行器运动方向与速度，控制飞行器原路返航或者直接返航到预设的悬停位置。
14.一种飞行器，包括机身、光流模块以及与所述光流模块相连接的飞控系统，其特征在于，
所述光流模块设置在所述机身底面，包括权利要求1-5任意一项所述的权利要求所述的光流模块；
所述飞控系统用于接收光流模块发送高度差和位移，根据所述位移和高度差判断飞行器是否偏离预设的悬停位置，若是，控制飞行器飞回所述预设的悬停位置。
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