CN113050667A - 一种无人机采样控制方法、控制器及其系统 - Google Patents

一种无人机采样控制方法、控制器及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机采样控制方法、控制器及其系统，通过接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过连接装置与采样平台连接；接收用户发送的第一移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的方向数据；发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。通过采样平台实现灵活控制的方式，使得无人机控制采样过程中，可以实现在复杂环境下安全采样，保证了采样设备的安全，并实现了高精度采样。

Description

一种无人机采样控制方法、控制器及其系统
技术领域
本发明涉及无人机采样领域，尤其涉及一种无人机采样控制方法、控制器及其系统。
背景技术
随着科技、农业与生态环保领域的发展，无人机作为具有高度适应数据采集优势的科技工具，已普遍应用于大气环境监测、水体抽样监测、生态监测、生态应急预警及现场指挥等多个重要领域。
无人机采样能代替传统人工采样，不受地理环境约束，精确的到达采样点进行采样，极大的提高了采样效率。然而，目前无人机采样，常采用无人机携带机械臂或悬挂采样装置两种方式。其中，采用机械臂方式采样控制具有精度高的优势，但需要无人机近距离靠近采样目标，而在复杂环境下，无人机容易与周围物体发生触碰，容易造成无人机坠落或损坏。同时，采用悬挂采样装置方式，虽然无人机不必靠近目标，但是悬挂装置受环境影响，容易摆动旋转，当取样点上方存在障碍物的时候，采样装置很难躲避，容易发生缠绕，从而造成无人机被困，甚至掉落。
因此，在生态环境采样作业时，为实现在复杂环境下或遇障碍物的情况下，无人机的高效稳定采样，现有的无人机采样过程需要一套控制更精准的无人机采样控制方法。
发明内容
本发明实施例提出一种无人机采样控制方法、控制器及其系统，能提高无人机采样过程的采样设备控制能力，并提高采样精准度，从而保障无人机在复杂环境下实现稳定精确的生态环境样本采样。
本发明实施例提供一种无人机采样控制方法，包括：
接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过所述连接装置与所述采样平台连接；
接收用户发送的第一移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的方向数据；
发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。
进一步的，在发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：
接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制所述连接装置上升，以使所述采样平台上升；
接收用户发送的第二移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的第二方向数据；
发送所述第二移动指令和所述第二方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第二移动指令和所述第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。
进一步的，其特征在于，所述接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降，具体为：
接收用户发送的第一下降指令后，计算当前时刻所述采样平台的标靶图像的角度数据及像素位置，并根据单目测距原理计算出采样平台与所述预设目标位置的距离，以使所述采样平台按所述距离下降。
相应的，本发明实施例还提供一种控制器，所述控制器设置在无人机上；所述控制器包括：下降控制模块、标靶数据模块和解析控制模块；
其中，所述下降控制模块用于接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过所述连接装置与所述采样平台连接；
所述标靶数据模块用于接收用户发送的第一移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的方向数据；
所述解析控制模块用于发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。
进一步的，在发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：
接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制所述连接装置上升，以使所述采样平台上升；
接收用户发送的第二移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的第二方向数据；
发送所述第二移动指令和所述第二方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第二移动指令和所述第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。
进一步的，所述下降控制模块还包括下降距离计算模块：
所述下降距离计算模块用于接收用户发送的第一下降指令后，计算当前时刻所述采样平台的标靶图像的角度数据及像素位置，并根据单目测距原理计算出采样平台与所述预设目标位置的距离，以使所述采样平台按所述距离下降。
相应的，本发明实施例还提供一种无人机采样系统，所述无人机采样系统包括：无人机、连接装置和采样平台；其中，所述无人机上设置有如上述任一项所述的控制器。
进一步的，所述无人机设置有直流电机和第一相机；所述连接装置设置有张力监测装置；所述采样平台设置有标靶、若干个超声测距模块和若干第二相机。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的一种无人机采样控制方法、控制器及其系统，通过接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过连接装置与采样平台连接；接收用户发送的第一移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的方向数据；发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。通过采样平台实现灵活控制的方式，使得无人机控制采样过程中，可以实现在复杂环境下安全取样，即保证了取样设备的安全，又实现了高精度采样。
进一步的，在发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制连接装置上升，以使采样平台上升；接收用户发送的第二移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的第二方向数据；发送第二移动指令和第二方向数据到采样平台，以使采样平台根据第二移动指令和第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。通过本实施例，可以控制平台灵活的避开障碍物，顺利的回到回收点位置，更进一步的提高整个采样平台控制的稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的无人机采样控制方法的一种实施例的流程示意图；
图2是本发明提供的控制器的一种实施例的结构示意图；
图3是本发明提供的无人机采样系统的一种实施例的结构示意图；
图4是本发明提供的无人机采样系统的一种实施例的具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1是本发明提供的无人机采样控制方法的一种实施例的流程示意图；如图1所示，无人机采样控制方法的具体步骤包括步骤101至步骤103：
步骤101：接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过连接装置与采样平台连接；
在本实施例中，优选多旋翼无人机，且其中无人机优选设置有位置控制器、收放绳控制器和下视相机。无人机通过连接装置与采样平台连接，可优选绳子方式连接。在无人机根据周围情况选择悬停在离采样点附近较高的地方，在接收到用户发送的放绳信号后，通过放绳控制器，同时在下视相机图像中设定采样平台的目标像素点坐标，并从下视摄像头读取采样平台的图像，识别图像中的十字靶标，计算出靶标的方向及图像中的像素位置，并根据单目测距原理估算出采样平台的距离，并根据距离开始下降采样平台。同时，收放绳控制器控制多旋翼飞行器和采样台之间连接绳子的长度，来实现采样平台的上升和下降。放绳控制器比较位置控制器读取的采样台距离和从采样台遥控控制器设定的距离，判定是收绳还是放绳，协助采样台保持在设定位置。同时配有拉力传感器，当拉力过小时，立刻卷绕绳子，防止绳子过长和采样平台螺旋发生缠绕，只有拉力不小于最小拉力是才会放绳通过这种方式，可以更准确的定位到绳索下放位置。
作为本实施例的一种举例，接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降，具体为：接收用户发送的第一下降指令后，计算当前时刻采样平台的标靶图像的角度数据及像素位置，并根据单目测距原理计算出采样平台与预设目标位置的距离，以使采样平台按距离下降。
在本实施例中，在接收到用户发送的放绳信号后，通过放绳控制器，同时在下视相机图像中设定采样平台的目标像素点坐标，并从下视摄像头读取采样平台的图像，识别图像中的十字靶标，计算出靶标的方向及图像中的像素位置，并根据单目测距原理估算出采样平台的距离。根据计算出的距离，可以判断距离采样点水平面或障碍物避让路线的最佳高度，并根据高度即可准确控制采样平台的下降位置。
步骤102：接收用户发送的第一移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的方向数据；
在本实施例中，无人机中优选设置有十字标靶。操作员以下视摄像头图像水平和垂直方向为参照系，发出采样平台水平或垂直运动指令。当采样平台的控制器接收到操作员发出的指令后，首先从位置控制器读取十字靶标的角度，然后将水平或垂直移动指令和靶标角度发送给采样台姿态控制系统。通过这种方式，可以实时修正采样平台的位置，可以控制采用平台按标靶角度和运动距离进行移动，增加了采样平台的灵活性。
步骤103：发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。
在本实施例中，当采样台的控制器接收到操作员发出的指令后，首先从位置控制器读取十字靶标的角度，然后将水平或垂直移动指令和靶标角度发送给采样台姿态控制系统。姿态控制系统根据靶标角度和移动指令，解算出实际移动方向，并执行移动命令。识别标靶方向，即可定位采样平台的方向，根据图像处理，根据成像的像素区域映射到实际环境的真实距离，从而计算出移动指令和方向的实际移动距离。此外，无人机可依据按重新设定的移动点和当前标靶方向，计算出图像像素距离，进而使得采样平台进行移动。当采样平台移动到采样点后，即可自动实现采样过程。通过本实施例方式，可以精准控制无人机的移动方位，从图像中即可设定采样装置的移动路线，增加了采样的准确性和灵活度。
作为本实施例的一种举例，在发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制连接装置上升，以使采样平台上升；接收用户发送的第二移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的第二方向数据；发送第二移动指令和第二方向数据到采样平台，以使采样平台根据第二移动指令和第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。
在本实施例中，在采样完毕后，在接收到用户发送的收绳信号后，通过放绳控制器，同时在下视相机图像中设定采样平台的目标像素点坐标，并从下视摄像头读取采样平台的图像，识别图像中的十字靶标，计算出靶标的方向及图像中的像素位置，并根据单目测距原理估算出采样平台的距离。根据计算出的距离，可以判断距离采样点水平面或障碍物避让路线的最佳高度，并根据高度即可准确控制采样平台的上升位置。此外，在上升过程中，还可以持续解释移动指令，使得采样平台可以控制上升时期的位置，以灵活避开障碍物，使得采样后的回收过程效率得到提高。
相应的，请参见图2，是本发明提供的控制器的一种实施例的结构示意图；如图2所示，控制器设置在无人机上；控制器包括：下降控制模块201、标靶数据模块202和解析控制模块203；本实施例更详细的各步骤说明可以但不限于参见上述实施例的说明。
其中，下降控制模块201用于接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过连接装置与采样平台连接；
标靶数据模块202用于接收用户发送的第一移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的方向数据；
解析控制模块203用于发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。
在本实施例中，在发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制连接装置上升，以使采样平台上升；接收用户发送的第二移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的第二方向数据；发送第二移动指令和第二方向数据到采样平台，以使采样平台根据第二移动指令和第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。
在本实施例中，下降控制模块201还包括下降距离计算模块：下降距离计算模块用于接收用户发送的第一下降指令后，计算当前时刻采样平台的标靶图像的角度数据及像素位置，并根据单目测距原理计算出采样平台与预设目标位置的距离，以使采样平台按距离下降。
相应的，请参见图3和图4，图3是本发明提供的无人机采样系统的结构示意图；图4是本发明提供的无人机采样系统的一种实施例的具体结构示意图；如图3所示，所述无人机采样系统包括：无人机301、连接装置302和采样平台303；其中，所述无人机上设置有如上述的控制器；本实施例更详细的各步骤说明可以但不限于参见上述实施例的说明。
在本实施例中，所述无人机采样系统包括：无人机301、连接装置302和采样平台303；其中，所述无人机上设置有如上述的控制器。通过本实施例，可以实现灵活控制无人机的采样方位，实现高效稳定的无人机控制，以进行无人机精准采样。
作为本实施例的一种举例，如图4所示，所述无人机设置有直流电机3和第一相机2；所述连接装置设置有张力监测装置；所述采样平台设置有标靶5、若干个超声测距模块和若干第二相机。
在本实施例中，优选无人机、绳索与采样平台的连接方式如图4所示。无人机中优选设置有直流电机3、拉力传感器4、下视相机2和螺旋桨1；直流电3机与拉力传感器4结合控制绳索的升降。下视相机2持续拍摄包括圆形标靶5在内的图像。采样平台优选设置有圆形标靶5、垂直方向螺旋桨6、若干个超声测距模块、若干下视摄像头、水平方向螺旋桨7和采样装置安装平台8。圆形标靶5提供方向指示。垂直方向螺旋桨6和水平方向螺旋桨7使得采样平台亦可进行独立移动，增加采样过程的控制灵活性。连接装置具有张力监测装置，防止连接装置或连接线过于松弛，从而避免与马达或螺旋桨发生缠绕。此外，连接装置还设置有紧急剪线器，在采样平台被困住无法摆脱时，剪断绳索以保障无人机安全。采样平台下方多个下视摄像头进行摄影，并将多个下视摄像头所拍摄的图像和无人机上的下视摄像头所拍摄的图像进行融合，形成一张具有透视采样平台的图像，避免采样平台遮挡视线。采样平台水平方向和下方安装超声测距模块，并将测量距离反馈给无人机，辅助操作员避障和控制采样平台保持与下方采样点的安全距离。
由上可见，本发明实施例提供的一种无人机采样控制方法、控制器及其系统，通过接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过连接装置与采样平台连接；接收用户发送的第一移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的方向数据；发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。通过采样平台实现灵活控制的方式，使得无人机控制采样过程中，可以实现在复杂环境下安全取样，即保证了取样设备的安全，并实现了高精度采样。
进一步的，在发送第一移动指令和方向数据到采样平台，以使采样平台根据第一移动指令和方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制连接装置上升，以使采样平台上升；接收用户发送的第二移动指令后，根据采样平台的标靶图像数据，读取采样平台的第二方向数据；发送第二移动指令和第二方向数据到采样平台，以使采样平台根据第二移动指令和第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。通过本实施例，可以控制平台灵活的避开障碍物，顺利的回到回收点位置，更进一步的提高整个采样过程控制的稳定性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无人机采样控制方法，其特征在于，包括：
接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过所述连接装置与所述采样平台连接；
接收用户发送的第一移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的方向数据；
发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。
2.根据权利要求1所述的无人机采样控制方法，其特征在于，在发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：
接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制所述连接装置上升，以使所述采样平台上升；
接收用户发送的第二移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的第二方向数据；
发送所述第二移动指令和所述第二方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第二移动指令和所述第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。
3.根据权利要求1所述的无人机采样控制方法，其特征在于，所述接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降，具体为：
接收用户发送的第一下降指令后，计算当前时刻所述采样平台的标靶图像的角度数据及像素位置，并根据单目测距原理计算出采样平台与所述预设目标位置的距离，以使所述采样平台按所述距离下降。
4.一种控制器，其特征在于，所述控制器设置在无人机上；所述控制器包括：下降控制模块、标靶数据模块和解析控制模块；
其中，所述下降控制模块用于接收用户发送的第一下降指令后，控制连接装置下降，以使采样平台下降；其中，无人机通过所述连接装置与所述采样平台连接；
所述标靶数据模块用于接收用户发送的第一移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的方向数据；
所述解析控制模块用于发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样。
5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，在发送所述第一移动指令和所述方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第一移动指令和所述方向数据解析的实际移动方向和距离，移动到预设的采样点位置进行采样之后，还包括：
接收用户发送的第一采样完毕指令后，控制所述连接装置上升，以使所述采样平台上升；
接收用户发送的第二移动指令后，根据所述采样平台的标靶图像数据，读取所述采样平台的第二方向数据；
发送所述第二移动指令和所述第二方向数据到所述采样平台，以使所述采样平台根据所述第二移动指令和所述第二方向数据解析的实际移动方向和距离，并移动到预设的采样平台回收位置。
6.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述下降控制模块还包括下降距离计算模块：
所述下降距离计算模块用于接收用户发送的第一下降指令后，计算当前时刻所述采样平台的标靶图像的角度数据及像素位置，并根据单目测距原理计算出采样平台与所述预设目标位置的距离，以使所述采样平台按所述距离下降。
7.一种无人机采样系统，其特征在于，所述无人机采样系统包括：无人机、连接装置和采样平台；其中，所述无人机上设置有如权利要求4至6任一项所述的控制器。
8.根据权利要求7所述的无人机采样系统，其特征在于，所述无人机设置有直流电机和第一相机；所述连接装置设置有张力监测装置；所述采样平台设置有标靶、若干个超声测距模块和若干第二相机。
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