CN111688949B - 一种无人机悬停姿态测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无人机悬停姿态测量装置及方法，装置放置在无人机悬停姿态测试基地，包括设置在无人机悬停姿态测试基地四周的投影立壁，所述投影立壁的一侧设有测量相机组。测量方法包括以下步骤：(1)将无人机放置在无人机悬停姿态测试基地，无人机挂载轻量级激光发射器，固定悬停在离地高度15m的测试基地上空；(2)激光发射器向两端和前向发射3束激光，分别打在三面投影立壁上，形成3个激光点；(3)摄像机组分别测量3个激光点的空间坐标，并将测量结果传输给无人机定位系统；(4)无人机定位系统根据3个激光点的测量结果，并综合无人机的当前空间位置，进而解算出无人机姿态角，即俯仰角θP、横滚角θR和偏航角θY。

Description

一种无人机悬停姿态测量装置及方法
技术领域
本发明涉及无人机测量领域，特别涉及一种无人机悬停姿态测量方法。
背景技术
无人机飞行姿态在无人机控制及飞行过程中占有重要地位，如何准确测量无人机的姿态角一直是无人机姿态测量中的重点研究问题。在目前应用的无人机姿态角测量方法中，精度最高的测量方法为，香港科技大学于2017年提出的基于单目视觉和惯性系统导航的测量方法(IMU)，该方法能够实现0.2°的测量精度。但是高精度惯性系统导航系统价格昂贵，因此该方法成本较高，在实际应用中存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种平均成本低，测量精度高的无人机姿态测量装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种无人机悬停姿态测量装置，放置在无人机悬停姿态测试基地，包括设置在无人机悬停姿态测试基地四周的投影立壁，所述投影立壁的一侧设有测量相机组。
本发明提供的另一种技术方案如下：
一种无人机悬停姿态测量方法，包括以下步骤：
(1)将无人机放置在无人机悬停姿态测试基地，无人机挂载轻量级激光发射器，固定悬停在离地高度15m的测试基地上空；
(2)激光发射器向两端和前向发射3束激光，分别打在三面投影立壁上，形成3个激光点；
(3)摄像机组分别测量3个激光点的空间坐标，并将测量结果传输给无人机定位系统；
(4)无人机定位系统根据3个激光点的测量结果，并综合无人机的当前空间位置，进而解算出无人机姿态角，即俯仰角θP、横滚角θR和偏航角θY。
进一步的，步骤(4)中，
Figure BDA0002554924790000021
Figure BDA0002554924790000022
Figure BDA0002554924790000025
式中h1为无人机在第一投影立壁上的位移值，h2为无人机在第二投影立壁上的位移值，h3为无人机在第三投影立壁上的位移值，(x1，y1)为无人机在第一投影立壁的质心坐标，(x2，y2)为无人机在第二投影立壁的质心坐标，(x3，y3)为无人机在第三投影立壁的质心坐标，(x0，y0)为无人机的质心坐标。
进一步的，投影立壁可视高度h与无人机到投影立壁最大距离L之间的关系如下：
Figure BDA0002554924790000023
式中，θmax为姿态角测量范围；
对摄像机的分辨精度Δx，满足以下条件：
Δx＜L·tan(θmin)
式中θmin为姿态角测量精度；
设定测量精度θmin则有：Δx＜L·tan(θmin)；
设每个相机的独立测量视场为D，相机成面大小为M×M，则根据小孔成像模型可知：
Figure BDA0002554924790000024
式中，Z为相机到投影立壁之间的距离，f为相机焦距；
通过壁高得到相机到投影立壁之间的距离Z的取值范围，完善相机参数。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：本发明是基于多相机融合的视觉测量装置及方法；本发明所提出的无人机测量方法和装置，可标准化的，快速的测量大量无人机的姿态角，测量精度高、速度快，方法易于实现，进而降低无人机姿态测量的平均成本。
附图说明
图1示出本发明装置测量状态示意图。
图2是姿态角的测量模型示意图。
图3是多相机组合测量示意图。
附图标记：1-无人机；2-投影立壁；3-投影立壁；4-投影立壁；5-测量相机组。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
无人机在空间中可以自由旋转，它的旋转运动可以分解为三个方向的姿态角的变化：俯仰角θP、横滚角θR、偏航角θY，对于无人机来说，俯仰角对应的是无人机机头的上升或者下降，横滚角对应的是无人机左右的升降，而偏航角对应的是无人机机头的方向。
如图1至图3所示，本发明测量装置的测量方法具体实现过程如下：
第一步，安置一个20m×20m的无人机1悬停姿态测试实验基地；
第二步，无人机1挂载轻量级激光发射器，固定悬停在离地高度15m的测试场地上空；
第三步，激光发射器向两端和前向发射3束激光，分别打在三面投影立壁2、3、4上，形成3个激光点；
第四步，测量像机组5分别测量3个激光点的空间坐标；
第五步，根据3个激光点的测量结果，并综合无人机1的当前空间位置，进而可解算出无人机1姿态角，即俯仰角θP、横滚角θR、偏航角θY：
Figure BDA0002554924790000031
Figure BDA0002554924790000032
Figure BDA0002554924790000033
式中h1为无人机在投影立壁2上的位移值，h2为无人机在投影立壁3上的位移值，h3为无人机在投影立壁4上的位移值，(x1，y1)为无人机在投影立壁2的质心坐标，(x2，y2)为无人机在投影立壁3的质心坐标，(x3，y3)为无人机在投影立壁4的质心坐标，(x0，y0)为无人机1的质心坐标。
对于每个无人机1来说，其只需要按既定顺序，分别飞入测量场地，按既定规则作出既定动作，即可快速完成姿态测量，进而使得无人机1姿态平均测量时间和平均测量成本大大降低。
为满足高精度无人机1姿态角测量的精度要求，本测量方法及装置对俯仰角θP、横滚角θR、偏航角θY的测量精度应不低于0.1°。因此，第四步的测量过程和第五步的解算过程起决定性作用，其具体过程如下：
首先，根据无人机1一般飞行需求，其各姿态角一般不会超过±30°。因此，假设各姿态角测量的范围为±30°，则姿态角的测量模型如图2所示；
进一步地，投影立壁可视高度h与无人机1到投影立壁最大距离L之间的关系如下：
Figure BDA0002554924790000041
式中，θmax为姿态角测量范围。在本装置中θmax为30°，h为10m，则L为8.66m。
进一步地，对测量相机组5的分辨精度分析可知，其分辨精度Δx，应满足一下条件：
Δx＜L·tan(θmin)
式中θmin为姿态角测量精度。
进一步地，传统无人机1IMU测量精度为0.2°，本方法测量精度优于传统方法，因此在本装置中，设定测量精度为0.1°，即θmin＝0.1°，则有：
Δx＜L·tan(θmin)＝8.66×tan(0.1°)＝0.0151146m≈15.11mm
因此单个相机的分辨精度应优于15.11mm。
进一步地，为满足15.11mm的分辨精度，本发明采用多个相机组合的方式，以实现激光点偏移量的准确测量，如图3所示；
进一步地，设每个相机5的独立测量视场为D，相机成面大小即相机ccd尺寸大小为M×M，则根据小孔成像模型可知：
Figure BDA0002554924790000042
式中，Z为相机到投影立壁之间的距离，f为相机焦距。
进一步地，由上述可知，壁高为1θm，若3个相机能覆盖投影壁，则有Z≥3.33m；结合上式条件，则进一步设计相机参数，进而满足系统要求。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无人机悬停姿态测量方法，基于无人机悬停姿态测量装置，放置在无人机悬停姿态测试基地，包括设置在无人机悬停姿态测试基地四周的投影立壁，所述投影立壁的一侧设有测量相机组，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将无人机放置在无人机悬停姿态测试基地，无人机挂载轻量级激光发射器，固定悬停在离地高度15m的测试基地上空；
(2)激光发射器向两端和前向发射3束激光，分别打在三面投影立壁上，形成3个激光点；
(3)摄像机组分别测量3个激光点的空间坐标，并将测量结果传输给无人机定位系统；
(4)无人机定位系统根据3个激光点的测量结果，并综合无人机的当前空间位置，进而解算出无人机姿态角，即俯仰角θP、横滚角θR和偏航角θY，具体的：
Figure FDA0003632669880000011
Figure FDA0003632669880000012
Figure FDA0003632669880000013
式中h1为无人机在第一投影立壁上的位移值，h2为无人机在第二投影立壁上的位移值，h3为无人机在第三投影立壁上的位移值，(x1，y1)为无人机在第一投影立壁的质心坐标，(x2，y2)为无人机在第二投影立壁的质心坐标，(x3，y3)为无人机在第三投影立壁的质心坐标，(x0，y0)为无人机的质心坐标；
投影立壁可视高度h与无人机到投影立壁最大距离L之间的关系如下：
Figure FDA0003632669880000014
式中，θmax为姿态角测量范围；
摄像机的分辨精度Δx，满足以下条件：
Δx＜L·tan(θmin)
式中θmin为姿态角测量精度；
设每个相机的独立测量视场为D，相机成面大小为M×M，则根据小孔成像模型可知：
Figure FDA0003632669880000015
式中，Z为相机到投影立壁之间的距离，f为相机焦距；通过壁高得到相机到投影立壁之间的距离Z的取值范围，完善相机参数。
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