CN111897359B - 利用复合传感器回收车载无人机的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，属于无人机领域，包括设置有无人机降落点的车载、搭载在无人机上的复合传感器；复合传感器获取车载与无人机间的相对位置，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态；直至无人机与车载相对静止，且飞行至降落点位置；与传统的GPS卫星定位相比，传统的GPS定位精度低，且无人机降落过程中车载在不断的移动，导致传统的GPS定位几乎无法实现无人机精准降落；本发明通过无人机自身的传感器对无人机和车载间的相对位置进行定位；定位精度高，可以保证无人机精准落在车载的降落点上。

Description

利用复合传感器回收车载无人机的定位方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种利用复合传感器回收车载无人机的定位方法。

背景技术

近几年，无人机在信息采集方面快速发展，然而现有的无人机起降大多都是在静止的地面上进行的；如今，只能在静止地面上起降的无人机已经不能满足广大用户的需求，特别是自然灾害或者户外工作时，无人机的降落位置很难设置在某一个定点，而是设置在车上；无人机需要降落至的车载上，由于无人机降落时车载仍在不断的移动，这就大大增加了无人机降落至车载上的难度；申请号为201710153890.3的在先申请公开了一种无人机车载起降系统、可车载起降无人机及降落方法；利用GPS导引操无人机降落至车载上，这种利用GPS定位回收无人机的方式，定位精度低，在实际应用过程中很难将无人机精准降落至车载上。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，该复合传感器搭载在无人机上，并分别通过光流传感器和超声波传感器分别对无人机与车载间的水平方向和垂直方向定位得到无人机与车载间的精准距离，从而控制无人机精准落在车载的降落点上。

为实现上述目的，本发明提供一种利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，包括设置有无人机降落点的车载、搭载在无人机上的复合传感器；复合传感器获取车载与无人机间的相对位置，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态；直至无人机与车载相对静止，且飞行至降落点位置。

具体的，复合传感器获取车载与无人机间的相对位置之前还包括靠近车载的过程，车载上设有自组网和GPS模块，无人机根据自组网信号和GPS定位信号靠近车载，直至无人机与车载间距离小于100m。

具体的，复合传感器包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；复合传感器获取车载与无人机间的相对位置时，光流传感器用于获取无人机与车载间水平面上的相对距离，超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与车载间垂直面上的相对距离。

具体的，光流传感器用于获取无人机与车载间水平面上的相对距离时，先通过摄像头采集车载上降落点的图像数据，然后采用光流算法计算图像数据中两帧图像中降落点的位移，从而得无人机与车载在水平面上的间距。

具体的，车载上设有至少两个超声波接收器/激光接收器，至少一个收发一体的超声波接收器/激光接收器，超声波传感器和激光传感器获取无人机与声波接收器/激光接收器、收发一体的超声波接收器/激光接收器间的距离后，得到无人机与车载在垂直面内的距离。

具体的，超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与车载间垂直面上的相对位置时，先通过激光传感器获取无人机与车载间的距离，当车载与无人机的距离小于3m后，再通过超声波传感器获取无人机与车载间的距离。

优选的，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态时，先控制无人机与车载的垂直距离小于第一阈值，再控制无人机与车载的水平方向的距离小于第二阈值，最后减少无人机与车载间的垂直距离，直至飞行至降落点位置。

具体的，车载上的无人机降落点设有视觉识别标记。

具体的，车载上设有机械臂，无人机以与车载相对静止的速度飞行至降落点时，机械臂挂住无人机；无人机在被机械臂挂住后飞行减速至零。

具体的，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态时，接收车载发送的通讯信号，通讯信号中包括车载的速度矢量，加速度矢量信息；并根据车载的速度矢量和加速度矢量调整飞行速度。

本发明的有益效果是：本发明提供的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，包括设置有无人机降落点的车载、搭载在无人机上的复合传感器；复合传感器获取车载与无人机间的相对位置，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态；直至无人机与车载相对静止，且飞行至降落点位置；与传统的GPS卫星定位相比，传统的GPS定位精度低，且无人机降落过程中车载在不断的移动，导致传统的GPS定位几乎无法实现无人机精准降落；本发明通过无人机自身的传感器对无人机和车载间的相对位置进行定位；定位精度高，可以保证无人机精准落在车载的降落点上。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明利用反射定位获取无人机与车载间垂直距离坐标图。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如背景技术所述，随着无人机的应用范围越来越广，传统的无人机在静止的地面上起飞或者降落的形式已经无法满足无人机户外工作的需求，特别是战争或者自然灾害发生时；更多的形式是利用车辆直接搭载无人机到户外进行各类数据采集后，再将无人机回收至车载；但是在无人机在户外检测各种数据的过程中，车辆也需火速赶往下一个点的途中，常用的卫星定位进度不高，难以对采集完数据后无人机进行精准回收。

基于上述问题，本发明提供了一种利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，请参阅图1，其包括设置有无人机降落点的车载、搭载在无人机上的复合传感器；

复合传感器获取车载与无人机间的相对位置；

无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态；直至无人机与车载相对静止，且飞行至降落点位置。

无人机户外作业中利用车辆搭载无人机，需要动态放飞及动态回收无人机，但是现有技术中GPS或者北斗等卫星定位通常定位误差达到有10m，且车辆在不断移动过程中，无人机很难准确获取到车辆的实时位置，这也就导致无人机在车辆移动过程中不能准确降落至车辆上；本发明采用无人机搭载复合传感器的形式，给无人机本身装上一对“眼睛”，当无人机距离车辆一定距离时，无人机自身可以“看见”车辆，从而实现对车辆实时位置的精准定位，保证无人机可降落至静止或者移动中的车辆上。

在本实施例中，复合传感器获取车载与无人机间的相对位置之前还包括靠近车载的过程；开始无人机距离车载较远，可以利用GPS导航和车辆上的发射的自组网控制无人机靠近车载，直至无人机上复合传感器的信号能发送至车载或者能接收车载上反馈的传感信号后，再利用复合传感器获取车载与无人机的相对位置具体的，当无人机与车载间距离小于100m时，复合传感器开始发挥作用。

在本实施例中，无人机通过GPS定位时，车载的位置通过卫星传达至无人机，获得的是车载的绝对位置，卫星定位不仅本身的定位精度低，而且车载的绝对位置在不断变化，这种卫星“转达”位置的形式很难让无人机实时精确定位到车载上；而利用复合传感器获取车载位置时，无人机直接获取其与车载间的相对位置；不仅传感器本身的定位精度高于卫星的定位精度，而且无人机能自己实时得知其与车载的相对位置，从而实现精准降落。

在本实施例中，复合传感器包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；复合传感器获取车载与无人机间的相对位置时，光流传感器用于获取无人机与车载间水平面上的相对位置，超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与车载间垂直面上的相对距离；通过水平面的相对位置和垂直距离两个量，可以确定无人机和车载在空间中的位移位置关系。

其中，无人机与车载在水平面上的相对位置，是指无人机与车载实际相对位置在水平面上的投影。

其中，车载上设有无人机降落区域，且的无人机降落区域设有视觉识别标记；该标识可以为“H”或者“十”标识；本申请中所说无人机与车载间的距离或者相对位置，是指无人机与降落区域中心点的距离或者相对位置。

其中，车载与车辆为同一含义；车辆可以为大巴车、皮卡车，越野车，军用车等等，但不限于此。

在本实施例中，光流传感器用于获取无人机与车载间水平面上的相对距离时，先通过摄像头采集车载上降落点的图像数据，然后采用光流算法计算图像数据中两帧图像中降落点的位移，从而得无人机与车载在水平面上的相对位置。

具体的，无人机先通过摄像头获取多张车载上降落点的图像，在拍摄过程中无人机和车载均在运动过程中；采集得到多张图像后，相邻两帧图像之间具有两个特点，第一是两者的灰度值不变，第二是相邻的两帧像素具有相对运动；基于上述两个特点可以得下述关系式：

I(x，y，t)=I(x+dx，y+dy，t+dt); 其中 I(x，y，t）表示在时间dt后移动到第二帧图像（x+dx,y+dy）的位置，经过变换后并微分后就可以得到灰度值在X方向、Y方向上的梯度；但是上述方法是无法得到（无人机在X方向上的速度u和在Y方向上的速度v，为了解决这个问题，进一步我们可以采用经典的lucas-Kanade方法来进行求解；得到U和V的值；最后利用积分定位得到无人机车载降落点之间的相对位置，由于U和V均是无人机相对车载在水平面上的速度分量，最终得到的相对位置也就是无人机与车载在水平面上的相对位置。

虽然光流定位的方向仅限于水平面，但是定位精度高，特别是对于运动中的物体，可以准确的获取无人机与车载间在水平面上的实时相对位置关系。

在本实施例中，车载上设有至少两个超声波接收器/激光接收器，至少一个收发一体的超声波接收器/激光接收器，超声波传感器和激光传感器获取无人机与声波接收器/激光接收器、收发一体的超声波接收器/激光接收器间的距离后，得到无人机与车载的垂直距离。

具体的，参阅图2，超声定位和和激光定位法的基本原理均是采用反射定位法，为了准确获取无人机相对与车载降落区域之间的垂直距离；采用了下述的设计，其中定义收发一体的超声波接收器/激光接收器为3号传感器，两个超声波接收器/激光接收器分别为2号传感器和4号传感器，其中2号传感器的坐标为(x2,y2)，3号传感器的坐标点为（x3，y3）；4号传感器的坐标点为（x4，y4）；且2、3、4号传感器测得的实际距离为D2、D3、D4；3号传感器与4号传感器之间的距离为L1，2号传感器与3号传感器之间的距离为L2，L1相对于X轴旋转的角度为α1，L2相对于X轴旋转的角度为α2，D3与L1的夹角为β1；D2与L2的夹角为β2。3号传感器发射完超声波后，和2、4号传感器一样都处于接收状态，等待超声波的回波信号，分别产生3个飞行时间，分别为T2、T3 T4；假设声速或光速为VT，则可以得到距离关系式：

D2+D3=VT*T2；D3+D3=VT*T3；D4+D3=VT*T4

进一步得到D3=VT*T3/2;D3=VT*T3/2; D4=VT*T4/2;

而2、3、4传感器的位置都是已知的，可以的到

α1=arctan(（y4-y3）/(x4-x3)); α2=arctan(（y3-y2）/(x3-x2))

β1=arccos((D3+L1-D4)/(2*D3*L1));

β2=arccos((D2+L2-D3)/(2*D2*L2));

从而得出无人机与降落点之间的垂直距离y=y3+D3*sin（α1+β1）；

或者y= y2+D2*sin（α2+β2）；两次计算的差值即为测得的误差值；通过设置两个超声波接收器/激光接收器接收传感器以及一个收发一体的超声波接收器/激光接收器，可以利用反射定位方式获取高精度的垂直方向的值；进一步提高无人机对车载的定位精度；虽然该方式也可获得无人机与车载在水平方向的距离，但是这种方式测得的水平方向距离精度低于光流传感器的测量精度，且受到需要距离车载较近的限制。

在本实施例中，超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与车载间垂直距离时，先通过激光传感器获取无人机与车载间的距离，当车载与无人机的距离小于3m后，再通过超声波传感器获取无人机与车载间的距离；由于超声波定位在较长距离的定位精度低于激光的定位精度，故先用激光定位，再用超声波定位；两者均是定位远离相同，但应用在不同的距离阶段，既能做到足够便捷，又能获取精准的定位信息。

在本实施例中，为了提高定位精度复合传感器分别在水平面和垂直面对车载和无人机的间距进行定位，故无人机靠近车载后；靠近的含义为无人机的复合传感器能获取与车载的相对位置时；无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态，具体的先控制无人机与车载的垂直距离小于第一阈值，再控制无人机与车载的水平方向的距离小于第二阈值，最后减少无人机与车载间的垂直距离，直至飞行至降落点位置；之所以先控制无人机的垂直距离降低，因为垂直方向主要利用反射原理的定位，距离越小定位精度越高；故得到无人机与车载间的相对位置越精准；控制垂直水平方向的距离和垂直方向的距离足够近后，无人机与车载的相对速度降低为零，再相对车载垂直降落。

在本实施例中，车载上设有机械臂，无人机以与车载相对静止的速度飞行至降落点时，机械臂挂住无人机；无人机在被机械臂挂住后在逐渐降低无人机本身在水平方向上的力，由于挂臂的作用使飞行减速至零。

在本实施例中，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态时，接收车载发送的通讯信号，通讯信号中包括车载的速度矢量信息；并根据车载的速度矢量调整飞行速度。

例如，车载的速度为V车，车载将该信息传输至无人机，无人机本身此时在水平方向的速度为Vt，垂直方向的速度为Vz；若此时，无人机与车载的相对位置的垂直距离大于第一阈值，则无人机控制自身速度在垂直方向的速度靠近车载速度，以降低两者将的距离，直至两者间距小于第一阈值；再控制无人机相对车载在水平方向的速度大于车载，直至无人机飞行至降落点上方；再控制无人机在水平方向的速度和方向均与车载相同后，最后控制无人机在垂直方向的速度，使得无人机降落在降落区域中，无人机在垂直方向的速度降为零；待挂壁挂住无人机后，无人机在水平方向的速度开始降低，直至降为零；此时无人机成功回收。

在上述实例中，除最后降落过程为无人机相对车载垂直降落，其他阶段，无人机相对与车载的距离在可以同时在水平和垂直方向发生变化；即无人机为相对车载的运动为靠近降落区域的曲线运动。

本发明的优势在于：

1、本发明采用无人机搭载复合传感器的形式，给无人机本身装上一对“眼睛”，当无人机距离车辆一定距离时，无人机自身可以“看见”车辆，从而实现对车辆实时位置的精准定位，保证无人机可降落至静止或者移动中的车辆上。

2、复合传感器对水平和垂直两个方向进行定位以获得精准的无人机相对车载的相对位置；由于车载移动方向主要发生的水平方向，而垂直方向车载几乎为“静止”故水平方向采用光流定位，垂直方向采用反射定位的方式得到对车载的精准定位。

3、由于复合传感器水平方向采用光流定位，垂直方向采用反射定位；故先控制无人机与车载的垂直距离小于第一阈值，再控制无人机与车载的水平方向的距离小于第二阈值，最后减少无人机与车载间的垂直距离，直至飞行至降落点位置；这种降落方式能提高降落过程中的定位精度，从而提高最终的降落准度。

4、超声波定位在距离较长时精度低于激光定位，故在垂直方向先采用激光定位后采用超声波定位。

5、本发明的定位精度可高达5-10CM。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，包括设置有无人机降落点的车载、搭载在无人机上的复合传感器；

复合传感器获取车载与无人机间的相对位置；

无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态；直至无人机与车载相对静止，且飞行至降落点位置；

复合传感器包括光流传感器、超声波传感器和激光传感器；复合传感器获取车载与无人机间的相对位置时，光流传感器用于获取无人机与车载间水平面上的相对距离，超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与车载间垂直面上的相对距离；

光流传感器用于获取无人机与车载间水平面上的相对距离时，先通过摄像头采集车载上降落点的图像数据，然后采用光流算法计算图像数据中两帧图像中降落点的位移，从而得无人机与车载在水平面上的相对位置。

2.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，复合传感器获取车载与无人机间的相对位置之前还包括靠近车载的过程，车载上设有自组网和GPS模块，无人机根据自组网信号和GPS定位信号靠近车载，直至无人机与车载间距离小于100m。

3.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，车载上设有至少两个超声波接收器/激光接收器，至少一个收发一体的超声波接收器/激光接收器，超声波传感器和激光传感器获取无人机与声波接收器/激光接收器、收发一体的超声波接收器/激光接收器间的距离后，得到无人机与车载的垂直距离。

4.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，超声波传感器和激光传感器用于获取无人机与车载间垂直距离时，先通过激光传感器获取无人机与车载间的距离，当车载与无人机的距离小于3m后，再通过超声波传感器获取无人机与车载间的距离。

5.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态时，先控制无人机与车载的垂直距离小于第一阈值，再控制无人机与车载的水平方向的距离小于第二阈值，最后减少无人机与车载间的垂直距离，直至飞行至降落点位置。

6.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，车载上的无人机降落点设有视觉识别标记。

7.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，车载上设有机械臂，无人机以与车载相对静止的速度飞行至降落点时，机械臂挂住无人机；无人机在被机械臂挂住后飞行减速至零。

8.根据权利要求1所述的利用复合传感器回收车载无人机的定位方法，其特征在于，无人机根据与车载的相对位置控制飞行状态时，接收车载发送的通讯信号，通讯信号中包括车载的速度矢量，加速度矢量信息；并根据车载的速度矢量和加速度矢量调整飞行速度。