CN109709982A

CN109709982A - 一种无人机定高控制系统及方法

Info

Publication number: CN109709982A
Application number: CN201811653766.4A
Authority: CN
Inventors: 陈泽众
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明属于无人机定高技术领域，公开了一种无人机定高控制系统及方法，中央控制模块用于通过单片机控制各个模块正常工作；太阳能供电模块，与中央控制模块连接，用于通过太阳能电池板对无人机进行供电；图像采集模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像头采集目标图像。本发明通过图像采集模块自动跟踪目标拍摄对象并根据目标拍摄对象在图像中的位置判断是否满足拍照的条件，实现了无人机拍照过程的自动化，提升用户体验；同时，通过高度测量模块预设第一成像装置和第二成像装置之间的位置结合无人机实时图像分析来实现距地高度测量，测高方法精简，图像匹配稳定可靠，测高响应快速，在设定测高范围内测量精度高出超声波测高的五至十倍。

Description

一种无人机定高控制系统及方法

技术领域

本发明属于无人机定高技术领域，尤其涉及一种无人机定高控制系统及方法。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。无人机的飞速发展，形成了种类繁多、形态各异、丰富多彩的现代无人机家族，而且新概念还在不断涌现，创新的广度和深度也在不断加大；无人机系统主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。

飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行完任务后从天空安全回落到地面。

无人机是一种自带动力的、无线电遥控或自主飞行的、能执行多种任务并能多次使用的无人驾驶飞行器。要实现无人机的自主飞行、顺利完成指定任务，其飞行控制、导航与制导是关键的技术。然而，现有无人机拍照过程自动化程度不高，用户需要输入很多操作，飞机也不能提供多样化的选择；同时，无人机距地高度测量测量范围有限，测量精度不够精确。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有无人机拍照过程自动化程度不高，用户需要输入很多操作，飞机也不能提供多样化的选择；

(2)无人机距地高度测量测量范围有限，测量精度不够精确；且无线信号安全性低，GPS定位不准确。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机定高控制方法。

本发明是这样实现的，一种无人机定高控制系统包括：

太阳能供电模块、图像采集模块、中央控制模块、无线通信模块、遥控模块、高度测量模块、定位模块、显示模块；

太阳能供电模块，与中央控制模块连接，用于通过太阳能电池板对无人机进行供电；

图像采集模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像头采集目标图像；

中央控制模块，与太阳能供电模块、图像采集模块、无线通信模块、高度测量模块、定位模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

无线通信模块，与中央控制模块、遥控模块连接，用于通过无线发射器发射无线信号连接无人机遥控器对无人机进行远程控制操作；

遥控模块，与无线通信模块连接，用于通过遥控器对无人机进行遥控操作控制；

高度测量模块，与中央控制模块连接，用于通过图像处理软件根据拍摄图像成像焦距以及视差值，测算出所述无人机当前的高度；

定位模块，与中央控制模块连接，用于通过GPS定位器对无人机位置进行定位操作；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示无线人机拍摄画面、位置数据、操控信息。

一种无人机定高控制方法，包括以下步骤：

步骤一，通过太阳能供电模块利用太阳能电池板对无人机进行供电；通过图像采集模块利用摄像头采集目标图像；

步骤二，中央控制模块通过无线通信模块利用无线发射器发射无线信号连接无人机遥控器对无人机进行远程控制操作；

步骤三，通过遥控模块利用遥控器对无人机进行遥控操作控制；

步骤四，通过高度测量模块利用图像处理软件根据拍摄图像成像焦距以及视差值，测算出所述无人机当前的高度；

步骤五，通过定位模块利用GPS定位器对无人机位置进行定位操作；

步骤六，通过显示模块利用显示器显示无线人机拍摄画面、位置数据、操控信息。

进一步，所述图像采集模块采集方法如下：

(1)配置拍摄参数，并接收起飞指令

(2)获取目标拍摄对象并保存所述目标拍摄对象的特征；

(3)根据所述目标拍摄对象的特征跟踪所述目标拍摄对象，获取当前图像；其中，所述当前图像包括目标拍摄对象；

(4)分析所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置，若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则采集图像。

进一步，所述接收起飞指令包括：

检测到触发起飞的指令后，搜索目标图像；

当所述目标图像与预设图像匹配时，使所述无人机产生升力；

检测所述无人机的惯性测量单元数据的变化；

若所述惯性测量单元数据的变化满足第一预设条件，使所述无人机产生升力。

进一步，所述若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则采集图像包括：

若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则判断是否接收到图像采集指令；

若接收到图像采集指令，则采集图像。

进一步，所述根据所述目标拍摄对象的特征跟踪所述目标拍摄对象，获取当前图像之后，所述分析所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置，若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则采集图像之前，所述方法还包括：改变所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置。

进一步，所述改变所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置包括：

调整与所述目标拍摄对象之间的距离；其中，所述距离包括水平距离及垂直距离；

通过与所述目标拍摄对象之间的距离改变所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置；

当与所述目标拍摄对象之间的距离满足第二预设条件后，调整航向角和/或俯仰角；

通过所述航向角和/或俯仰角改变所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置。

进一步，所述高度测量模块测量方法如下：

1)控制无人机上的第一成像装置和第二成像装置同时拍摄生成景象部分重叠的第一图像和第二图像；

2)确定所述第一图像、第二图像中的同名点以及同名点的视差值；

3)获取所述第一成像装置和第二成像装置的安装参数，并获取当前测高方位所述第一成像装置和第二成像装置对应的成像焦距；

4)根据所述安装参数、成像焦距以及同名点的视差值，测算出所述无人机当前的高度。

进一步，所述确定所述第一图像、第二图像中的同名点以及同名点的视差值包括：

确定所述第一图像、第二图像中景象的重叠区域，以第一图像中的重叠区域内的设定区域为基准区域；

根据所述基准区域，在第二图像的重叠区域内进行像素匹配，得到响应值最大的响应区域，所述响应区域的中心点以及基准区域的中心点为同名点；

确定所述同名点在第一图像中的坐标值以及确定所述同名点在第二图像中的坐标值，所述同名点在第一图像中的坐标值与所述同名点在第二图像中的坐标值之差为视差值。

进一步，所述第一成像装置和第二成像装置的安装参数包括所述第一成像装置的镜头光心和第二成像装置的镜头光心之间的间距，第一成像装置的光心至无人机本体的距离和第二成像装置的光心至无人机本体的距离。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过图像采集模块接收起飞指令；获取目标拍摄对象并保存所述目标拍摄对象的特征；根据所述目标拍摄对象的特征跟踪所述目标拍摄对象，获取当前图像。

其中，所述当前图像包括目标拍摄对象；分析所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置，若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则采集图像，自动跟踪目标拍摄对象并根据目标拍摄对象在图像中的位置判断是否满足拍照的条件，实现了无人机拍照过程的自动化，提升用户体验；同时，通过高度测量模块预设第一成像装置和第二成像装置之间的位置结合无人机实时图像分析来实现距地高度测量，测高方法精简，图像匹配稳定可靠，测高响应快速，在设定测高范围内测量精度高出超声波测高的五至十倍。利用随机波束成型单元实现非零的保密容量，提高无线信号的安全性；利用卡尔曼滤波模型对GPS输出的位置信息进行处理，可显著提高机动过程中位置及速度的估计精度，有一定动态跟踪能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无人机定高控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的无人机定高控制系统原理图；

图中：1、太阳能供电模块；2、图像采集模块；3、中央控制模块；4、无线通信模块；5、遥控模块；6、高度测量模块；7、定位模块；8、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的无人机定高控制方法包括以下步骤：

步骤S101：利用太阳能电池板对无人机进行供电；利用摄像头采集目标图像；

步骤S102：利用无线发射器发射无线信号连接无人机遥控器对无人机进行远程控制操作；

步骤S103：利用遥控器对无人机进行遥控操作控制；

步骤S104：利用图像处理软件根据拍摄图像成像焦距以及视差值，测算出所述无人机当前的高度；

步骤S105：利用基于自适应扩展卡尔曼滤波算法进行误差消除的GPS定位器对无人机位置进行定位操作；

步骤S106：利用显示器显示无线人机拍摄画面、位置数据、操控信息。

步骤S105中，所述自适应扩展卡尔曼滤波算法包括：

取状态变量为：

X＝{x，v_x，a_x，ε_x，y，v_y，a_y，ε_y，z，υ_z，a_z，ε_z}

式中，3组状态变量分别为x，y，z 3个坐标轴方向上的位置、速度、加速度分量；εx，εy，εz分别为各种误差源在3个坐标轴方向上造成的总位置误差；

将3个轴向的状态变量利用分散卡尔曼滤波技术分别单独进行滤波处理：

以x轴向为例，状态变量为：

X＝{x，v_x，a_x，ε_x}^T

系统方程为：

X＝A_xX+U_x+W

其中系统状态转移矩阵为：

系统系统噪声矢量为：

其中，为加速度相关时间常数，为的高斯白噪声，实际上是将GPS定位结果中总的位置误差视为有色噪声扩展的状态变量，系统观测方程为：

L_s＝H_xX+V_x

其中，观测噪声矢量为V_x＝{ω_L}，ω_L为的高斯白噪声，观测矩阵H_x＝{1，0，0，1}；

根据上述的系统方程和观测方程，建立x轴向上自适应卡尔曼滤波方程：

X(k+1，k)＝Φ_x(k+1，k)X(k)

X(k+1)＝X(k+1，k)+K(k+1)[L_x(k+1)-H_x(k+1)X(k+1，k)]

P(k+1)＝[I-K(k+1)H_x(k+1)]P(k+1，k)

其中：

为系统转移矩阵A_x的离散化矩阵，λ(k+1)是引入的自适应遗忘因子，目的是充分利用现时的测量数据，改善滤波器的动态性能；同理可得到对应y轴及z轴方向上状态变量的滤波算法。

如图2所示，本发明提供的无人机定高控制方法包括：太阳能供电模块1、图像采集模块2、中央控制模块3、无线通信模块4、遥控模块5、高度测量模块6、定位模块7、显示模块8。

太阳能供电模块1，与中央控制模块3连接，用于通过太阳能电池板对无人机进行供电；

图像采集模块2，与中央控制模块3连接，用于通过摄像头采集目标图像；

中央控制模块3，与太阳能供电模块1、图像采集模块2、无线通信模块4、高度测量模块6、定位模块7、显示模块8连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

无线通信模块4，与中央控制模块3、遥控模块5连接，用于通过无线发射器发射无线信号连接无人机遥控器对无人机进行远程控制操作；

遥控模块5，与无线通信模块4连接，用于通过遥控器对无人机进行遥控操作控制；

高度测量模块6，与中央控制模块3连接，用于通过图像处理软件根据拍摄图像成像焦距以及视差值，测算出所述无人机当前的高度；

定位模块7，与中央控制模块3连接，用于通过GPS定位器对无人机位置进行定位操作；

显示模块8，与中央控制模块3连接，用于通过显示器显示无线人机拍摄画面、位置数据、操控信息。

本发明实施例提供的图像采集模块2采集方法如下：

(1)配置拍摄参数，检测到触发起飞的指令后，搜索目标图像；当目标图像与预设图像匹配时，使无人机产生升力；检测无人机的惯性测量单元数据的变化；当惯性测量单元数据的变化满足第一预设条件，使无人机产生升力；

(2)获取目标拍摄对象并保存目标拍摄对象的特征；

(3)根据目标拍摄对象的特征跟踪目标拍摄对象，获取包含目标拍摄对象的当前图像；通过调整与目标拍摄对象之间的水平距离及垂直距离，当与目标拍摄对象之间的距离满足第二预设条件后，调整航向角和/或俯仰角；改变目标拍摄对象在所述当前图像中的位置；

(4)分析目标拍摄对象在当前图像中的位置，若目标拍摄对象在当前图像中的位置满足图像采集条件，则判断是否接收到图像采集指令；若接收到图像采集指令，则采集图像。

本发明实施例提供的无线通信模块4包括：

无线通信模块4设置有随机波束成型单元，依照传统研究成果选取特定的信道编解码方案使系统安全传输速率逼近保密容量；

W为原始信息，信息熵为H(W)，W经编码后的序列为X，Bob的信道传输特征为A_b，Eve的信道传输特征为A_e，定义随机波束矩阵为G，则接收信号为：

其中n_B和n_E是高斯加性噪声，X等价于在人工信道和分别传输，根据互信息定义，可得保密容量：

本发明提供的高度测量模块6测量方法如下：

2)确定所述第一图像、第二图像中景象的重叠区域，以第一图像中的重叠区域内的设定区域为基准区域；根据所述基准区域，在第二图像的重叠区域内进行像素匹配，得到响应值最大的响应区域，所述响应区域的中心点以及基准区域的中心点为同名点；确定所述同名点在第一图像中的坐标值以及确定所述同名点在第二图像中的坐标值，所述同名点在第一图像中的坐标值与所述同名点在第二图像中的坐标值之差为视差值；

步骤3)中，本发明实施例提供的第一成像装置和第二成像装置的安装参数包括所述第一成像装置的镜头光心和第二成像装置的镜头光心之间的间距，第一成像装置的光心至无人机本体的距离和第二成像装置的光心至无人机本体的距离。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种无人机定高控制系统，其特征在于，所述无人机定高控制系统包括：

中央控制模块，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

高度测量模块，与中央控制模块连接，用于通过图像处理软件根据拍摄图像成像焦距以及视差值，测算出无人机当前的高度；

2.一种如权利要求1所述的无人机定高控制系统的控制方法，其特征在于，所述无人机定高控制方法包括以下步骤：

步骤四，通过高度测量模块利用图像处理软件根据拍摄图像成像焦距以及视差值，测算出无人机当前的高度；

3.如权利要求1所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述图像采集模块采集方法如下：

(1)配置拍摄参数，并接收起飞指令

(2)获取目标拍摄对象并保存所述目标拍摄对象的特征；

4.如权利要求3所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述接收起飞指令包括：

检测到触发起飞的指令后，搜索目标图像；

检测所述无人机的惯性测量单元数据的变化；

5.如权利要求3所述无人机定高控制方法，其特征在于，若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则采集图像包括：

若接收到图像采集指令，则采集图像。

6.如权利要求3所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述根据所述目标拍摄对象的特征跟踪所述目标拍摄对象，获取当前图像之后，所述分析所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置，若所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置满足图像采集条件，则采集图像之前，所述方法还包括：改变所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置。

7.如权利要求6所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述改变所述目标拍摄对象在所述当前图像中的位置包括：

8.如权利要求1所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述高度测量模块测量方法如下：

9.如权利要求8所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述确定所述第一图像、第二图像中的同名点以及同名点的视差值包括：

10.如权利要求9所述无人机定高控制方法，其特征在于，所述第一成像装置和第二成像装置的安装参数包括所述第一成像装置的镜头光心和第二成像装置的镜头光心之间的间距，第一成像装置的光心至无人机本体的距离和第二成像装置的光心至无人机本体的距离。