CN111232234A - 一种飞行器空间实时定位系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器空间实时定位系统的方法。具体包括：飞行器空间实时定位系统上的摄像机抓取实时图像，将图像数据网格化，把摄像机获得的图像输送到CPU进行目标识别，获取目标的实时坐标，将所有的摄像机抓取到的目标进行坐标计算，可以计算出目标的坐标，从而确定所有的摄像机与目标的位置关系，即飞行器与目标的位置关系。如果偏离既定区域，便驱动旋翼使飞行器重新回到该区域；要使飞行器保持在目标的上方，还需要加一个水平仪驱动旋翼来矫正，维持飞行器在目标上方飞行。本发明技术结构合理，使用简单，成本更低，辨识度更好，效率更高。

Description

一种飞行器空间实时定位系统的方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器空间实时定位系统的方法，属于日常生活用品技术领域。

背景技术

现在科技发展迅速，各种智能设备让人们的生活更加方便，更加舒适。加之现在飞行器发展迅速，应用范围广，在一些场合对飞行器提出了新的技术要求。所以一种能实现空间实时定位的飞行器的出现不仅能解放我们的双手，还顺应了科技的发展潮流。

飞行器有时候是需要跟着某一固定目标实时移动的。有些专利用GPS来实现实时跟踪，成本高，精度低，实用性也不强。也有用线牵引的，但这并不算真正的悬浮，而且滞后性很强，不能实现实时跟踪。用雷达实现实时定位，有一个问题，就是目标辨识度不高，容易导致误动或者不动。因此，本发明提出一种新型的实时跟踪定位技术，来解决以上这些情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作科学，经济实惠的飞行器空间实时定位系统的方法。

本发明的技术方案是：

一种飞行器空间实时定位系统的方法，包括以下步骤：

飞行器空间实时定位系统上的摄像机抓取实时图像，将图像数据网格化，把摄像机获得的图像输送到CPU进行目标识别，获取目标的实时坐标，将所有的摄像机抓取到的目标坐标进行计算，可以计算出目标的坐标，从而确定所有的摄像机与目标的位置关系，即飞行器与目标的位置关系。如果偏离既定区域，便驱动旋翼使飞行器重新回到该区域；要使飞行器保持在目标的上方，还需要加一个水平仪驱动旋翼来矫正，维持飞行器在目标上方飞行。

进一步，具体过程如下：

目标识别：根据目标的特征，CPU从摄像头所摄影像中识别出目标；

标定目标应在区域：标定某一块区域为目标的应在区域；

确定目标所在点：根据目标出现在摄像头所摄图像中的位置给出其在摄影图像中的平面坐标；

确定目标像素点大小：通过计算摄像机所摄取的图像中目标像素点的数量，定义目标大小；

对比目标的平面坐标和应在区域坐标，判断目标是否在应在区域中，在应在区域则不进行后续操作，保持判断目标是否在应在区域中即可，不在应在区域则先判断目标的平面坐标在应在区域坐标的哪个位置，再决定出应如何调动摄像机驱动模块进行调节；

还要通过比较两个摄像机所摄取的图像中目标像素点的数量，判断出目标更靠近哪个摄像机，再决定出应该往哪个摄像机调近，才能使目标维持在两摄像机中间的正下方某一块区域；

摄像机驱动模块分为多个摄像机小驱动模块，多个摄像机小驱动模块分别能实现飞行器左移，右移，前移，后移，直线上升，直线下降；

头顶平衡飞行过程：实现飞行器处于目标上方长时间的平衡稳定飞行；

头顶平衡飞行过程：把水平仪检测到的飞行器的水平状态进行处理，判断出应如何调整旋翼，防止飞行器倾斜过度，再驱动旋翼执行；

旋翼过程：由摄像机驱动模块和水平校准模块调用，通过旋翼正反转来控制飞行器状态。

进一步，所述飞行器空间实时定位系统包括飞行器、水平仪以及固定在飞行器上的多个摄像机；通过摄像机所拍摄的图像的相交区域来实时定位目标，再由水平仪使飞行器保持在目标上方。

进一步，所述飞行器为无人机，或者悬浮气球，或者悬浮伞。

进一步，所述摄像机用于位置定位和距离定位；任意两个摄像机拍摄到的画面都存在相交的区域。

进一步，所述摄像机用于分辨定位目标的颜色及形状特征。

进一步，所述水平仪还用于检测飞行器的状态，并通过旋翼控制.

通过摄像机分辨目标的颜色等特征来提高抓取目标的精度，防止或减小辨认错目标的可能性。

进一步，步骤6-9中，摄像机的调整过程为：以摄像机1视野中的上北下南左西右东为标准；X1、X2、Y1、Y2分别为摄像机1视野中既定区域的左边、右边、下边、上边边缘坐标；X、Y则分别为目标在摄像机1视野中的X轴坐标和Y轴坐标；

1)如果Y大于Y2，则飞行器直线上升一段距离，直至在Y1～Y2之间的某一值；相反，如果Y小于Y1，则飞行器直线下降一段距离，直至在Y1～Y2之间的某一值；

2)如果X大于X2，则飞行器水平右移一段距离，直至在X1～X2之间的某一值；相反，如果X小于X1，则飞行器水平左移一段距离，直至在X1～X2之间的某一值；

3)如果摄像机1所摄取的图像中目标像素点的数量比摄像机2多的部分超过某一限度值，说明目标偏靠近摄像机1，则飞行器往摄像机1水平移动一段距离，使目标远离摄像机1一点，直至多的部分低于某一限度值的某一合适值；相反，如果摄像机1所摄取的图像中目标像素点的数量比摄像机2少的部分超过某一限度值，说明目标偏靠近摄像机2，则飞行器往摄像机2水平移动一段距离，使目标靠近摄像机1一点，直至少的部分低于某一限度值的某一合适值；

4)当出现意外时，比如正常运行一段时间后，目标突然消失，或者摄像机检测不到目标，则飞行器保持原先的飞行状态飞行一段时间，这段时间内，目标如果还没出现，或者还没被检测到，则飞行器自动直线下降落地停靠。

本发明技术结构合理，使用简单，成本更低，辨识度更好，效率更高。

附图说明

图1是本发明的正面结构示意图。

图2是本发明的结构俯视图。

图3是未加水平仪调整的飞行器运动范围图

图4是加水平仪调整的飞行器运动范围图

图5是摄像机1所摄取的目标应在区域图

图6是头顶平衡飞行模块工作图

图7是摄像机模块工作图

其中：α1-摄像机1与水平线的角度；α2-摄像机2与水平线的角度；β1-摄像机1在水平线上的偏转角度；β2-摄像机2在水平线上的偏转角度；1-摄像机1；2-摄像机2；3-目标；4-摄像机1的拍摄视线；5-摄像机2的拍摄视线；6-整个飞行器；7-未加水平仪调整的飞行器运动范围；8-加上水平仪调整的飞行器运动范围；X1、X2、Y1、Y2分别为摄像机1视野中既定区域的左边、右边、下边、上边边缘坐标。

具体实施方式

如图1及图2所示，在飞行器的适当位置，中间对称安装两个或者两个以上的摄像机(不同的摄像机，两个摄像机与水平线的角度α1、α2，以及摄像机1在水平线上的偏转角度β1、β2安装位置都可以不同，但是，用来定位的所有摄像机所拍摄到的画面在空间中必须要有相交的区域)，用摄像机抓取实时图像，将图像数据网格化，获取目标的实时坐标，将所有的摄像机抓取到的目标坐标进行计算，可以计算出目标的空间坐标，从而确定所有的摄像机与目标的位置关系，即飞行器与目标的位置关系，如果偏离既定区域(既定区域即目标在摄像机视野的设定区域)，便驱动旋翼使飞行器重新回到该位置。如图3及图4所示，要使飞行器保持在目标的上方，还需要加一个水平仪驱动旋翼来矫正，维持飞行器在目标上方飞行，防止飞行器在离目标固定距离的球形面飞行，导致飞行器不能正常工作。

安装后，通过调整摄像机与水平线的角度α1、α2，可以调整飞行器距离目标的飞行高度。通过调整摄像机在水平线上的偏转角度β1、β2，可以调整飞行器的定位位置。这些也可以在程序中通过修改摄像机所摄取的画面中选中点或者区域的坐标来间接调整α1、α2和β1、β2。

摄像机在抓取目标图像时，还能通过分辨目标的颜色等特征来提高抓取目标的精度，防止或减小辨认错目标的可能性。

把摄像机获得的图像输送到CPU进行分析，并根据各种情况作出判断和反应。摄像机识别过程包括：目标识别、标定目标应在区域、确定目标所在点、确定目标像素点大小、一维判断、二维判断、三维驱动。

目标识别：根据目标的特征，能从摄像头所摄影像中识别出目标。

标定目标应在区域：标定某一块区域为目标的应在区域，如X∈(X1,X2),Y∈(Y1,Y2)。(X1,X2,Y1,Y2为常数)

确定目标所在点：根据目标出现在摄像头所摄图像中的位置给出其在摄影图像中的平面坐标，如(X，Y)。

确定目标像素点大小：通过计算摄像机所摄取的图像中目标像素点的数量，定义目标大小。

二维判断过程：对比目标的平面坐标和应在区域坐标，判断目标是否在应在区域中，在应在区域则不调动摄像机驱动模块，不在应在区域则先判断目标的平面坐标在应在区域坐标的哪个位置，决定出应如何调动摄像机驱动模块。

一维判断过程：通过比较两个摄像机所摄取的图像中目标像素点的数量，判断出目标更靠近哪个摄像机，再决定出应该往哪个摄像机调近，才能使目标维持在两摄像机中间的正下方某一块区域。

三维驱动过程：摄像机驱动模块分为六个摄像机小驱动模块，六个摄像机小驱动模块分别能实现飞行器左移，右移，前移，后移，直线上升，直线下降。(以摄像机1视野中的上北下南左西右东为标准)

头顶平衡飞行过程：实现飞行器处于目标上方长时间的平衡稳定飞行。

头顶平衡飞行过程：把水平仪检测到的飞行器的水平状态进行处理，判断出应如何调整旋翼防止飞行器倾斜过度，再驱动旋翼执行。

旋翼过程：由摄像机驱动模块调用，通过正反转来控制飞行器上升下降和水平移动。

如图5-7所示，本发明具体工作方式为：先把飞行器托着放在目标正上方，启动飞行器，飞行器直线上升，直至摄像机1和摄像机2视野中出现目标并开始调整，则启动成功，若摄像机1和摄像机2视野都没有出现目标，则飞行器直线上升到某一设定时间，会自动直线下降落地停靠。

调整过程以摄像机1为例，分析各种可能出现的情况。(以摄像机1视野中的上北下南左西右东为标准；X1、X2、Y1、Y2分别为摄像机1视野中既定区域的左边、右边、下边、上边边缘坐标；X、Y则分别为目标在摄像机1视野中的X轴坐标和Y轴坐标)

1)如果Y大于Y2，则飞行器直线上升一段距离，直至在Y1～Y2之间的某一合适值。相反，如果Y小于Y1，则飞行器直线下降一段距离，直至在Y1～Y2之间的某一合适值。

2)如果X大于X2，则飞行器水平右移一段距离，直至在X1～X2之间的某一合适值。相反，如果X小于X1，则飞行器水平左移一段距离，直至在X1～X2之间的某一合适值。

3)如果摄像机1所摄取的图像中目标像素点的数量比摄像机2多的部分超过某一限度值，说明目标偏靠近摄像机1，则飞行器往摄像机1水平移动一段距离，使目标远离摄像机1一点，直至多的部分低于某一限度值的某一合适值。相反，如果摄像机1所摄取的图像中目标像素点的数量比摄像机2少的部分超过某一限度值，说明目标偏靠近摄像机2，则飞行器往摄像机2水平移动一段距离，使目标靠近摄像机1一点，直至少的部分低于某一限度值的某一合适值。

4)当出现意外时，比如正常运行一段时间后，目标突然消失，或者摄像机检测不到目标，则飞行器保持原先的飞行状态飞行一段时间，这段时间内，目标如果还没出现，或者还没被检测到，则飞行器自动直线下降落地停靠。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

飞行器空间实时定位系统上的摄像机抓取实时图像，将图像数据网格化，把摄像机获得的图像输送到CPU进行目标识别，获取目标的实时坐标，将所有的摄像机抓取到的目标进行坐标计算，可以计算出目标的坐标，从而确定所有的摄像机与目标的位置关系，即飞行器与目标的位置关系。如果偏离既定区域，便驱动旋翼使飞行器重新回到该区域；要使飞行器保持在目标的上方，还需要加一个水平仪驱动旋翼来矫正，维持飞行器在目标上方飞行。

2.根据权利要求1所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，具体过程如下：

步骤1，目标识别：根据目标的特征，CPU从摄像头所摄影像中识别出目标；

步骤2，标定目标应在区域：标定某一块区域为目标的应在区域；

步骤3，确定目标所在点：根据目标出现在摄像头所摄图像中的位置给出其在摄影图像中的平面坐标；

步骤4，确定目标像素点大小：通过计算摄像机所摄取的图像中目标像素点的数量，定义目标大小；

步骤5，对比目标的平面坐标和应在区域坐标，判断目标是否在应在区域中，在应在区域则不进行后续操作，保持判断目标是否在应在区域中即可，不在应在区域则先判断目标的平面坐标在应在区域坐标的哪个位置，再决定出应如何调动摄像机驱动模块进行调节；

步骤6，通过比较两个摄像机所摄取的图像中目标像素点的数量，判断出目标更靠近哪个摄像机，再决定出应该往哪个摄像机调近，才能使目标维持在两摄像机中间的正下方某一块区域；

步骤7，摄像机驱动模块分为多个摄像机小驱动模块，多个摄像机小驱动模块分别能实现飞行器左移，右移，前移，后移，直线上升，直线下降；

步骤8，头顶平衡飞行过程：实现飞行器处于目标上方长时间的平衡稳定飞行；该过程把水平仪检测到的飞行器的水平状态进行处理，判断出应如何调整旋翼，防止飞行器倾斜过度，再驱动旋翼执行；

步骤9，旋翼过程：由摄像机驱动模块和水平校准模块调用，通过旋翼正反转来控制飞行器状态。

3.根据权利要求2所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，所述飞行器空间实时定位系统包括飞行器、水平仪以及固定在飞行器上的多个摄像机；通过摄像机所拍摄的图像的相交区域来实时定位目标，再由水平仪使飞行器保持在目标上方。

4.根据权利要求3所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，所述飞行器为无人机，或者悬浮气球，或者悬浮伞。

5.根据权利要求2所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，所述摄像机用于位置定位和距离定位；任意两个摄像机拍摄到的画面都存在相交的区域。

6.根据权利要求2所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，所述摄像机用于分辨定位目标的颜色及形状特征。

7.根据权利要求2所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，所述水平仪还用于检测飞行器的状态，并通过旋翼控制。

8.根据权利要求2所述的一种飞行器空间实时定位系统的方法，其特征在于，步骤6-9中，摄像机的调整过程为：以摄像机1视野中的上北下南左西右东为标准；X1、X2、Y1、Y2分别为摄像机1视野中既定区域的左边、右边、下边、上边边缘坐标；X、Y则分别为目标在摄像机1视野中的X轴坐标和Y轴坐标；

1)如果Y大于Y2，则飞行器直线上升一段距离，直至在Y1～Y2之间的某一值；相反，如果Y小于Y1，则飞行器直线下降一段距离，直至在Y1～Y2之间的某一值；

2)如果X大于X2，则飞行器水平右移一段距离，直至在X1～X2之间的某一值；相反，如果X小于X1，则飞行器水平左移一段距离，直至在X1～X2之间的某一值；

3)如果摄像机1所摄取的图像中目标像素点的数量比摄像机2多的部分超过某一限度值，说明目标偏靠近摄像机1，则飞行器往摄像机1水平移动一段距离，使目标远离摄像机1一点，直至多的部分低于某一限度值的某一合适值；相反，如果摄像机1所摄取的图像中目标像素点的数量比摄像机2少的部分超过某一限度值，说明目标偏靠近摄像机2，则飞行器往摄像机2水平移动一段距离，使目标靠近摄像机1一点，直至少的部分低于某一限度值的某一合适值；

4)当出现意外时，比如正常运行一段时间后，目标突然消失，或者摄像机检测不到目标，则飞行器保持原先的飞行状态飞行一段时间，这段时间内，目标如果还没出现，或者还没被检测到，则飞行器自动直线下降落地停靠。

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