CN113655806B - 一种无人机群辅助降落方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机群辅助降落方法，属于无人机辅助降落技术领域。单个无人机的降落方案应用与无人机群降落时，会因无人机合作标志不统一，导致无人机群降落管理困难。在辅助降落合作标志周围设置多个辅助编码合作标志，形成具有不同特征的降落平台，采集降落平台图案存储在目标库中，在无人机群辅助降落时，无人机上的相机采集地面景象与辅助降落合作标志图案匹配检测，查找降落平台，通过检测辅助降落合作标志周围的辅助编码合作标志，确定指定降落平台，进而实现指定降落。本方法可实现无人机群按照任务需要统一管理无人机的降落，降低无人机群管理调度的难度。

Description

一种无人机群辅助降落方法

技术领域

本发明涉及一种无人机群辅助降落方法，属于无人机辅助降落技术领域。

背景技术

由于无人机具有飞行稳定、控制方便、造价低等优点，通过将其集群编组，在民营产业中可以利用无人机群监控范围大、角度多的特点，实现对生产制造环境的全方位监控，提高生产制造的安全保障能力。

无人机在进入降落回收阶段时，如果采用GPS、北斗等定位方法容易受干扰欺骗，且定位精度不能满足需求，采用视觉导航技术可以有效克服以上缺点。主要是通过安装在无人机上的相机，捕获具有特征图案的导航标志图像，然后从标志图像中提取出特征点，最后结合特征点已知的物理位置信息，来计算当前状态下无人机相对平台坐标系的姿态和位置信息，引导无人机调整姿态稳定降落。

当前，关于单个无人机辅助降落合作标志的研究较多，而对于无人机群合作标志的研究较少，如果直接将单个无人机合作标志应用于机群，由于不同种类的标志形状各异且标准不统一，将会面临标志复杂、管理调度困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机群辅助降落方法，以实现无人机群能精准降落到指定平台。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无人机群辅助降落方法，包括如下步骤：

1)在降落平台上距离辅助降落合作标志外接圆设定距离的区域内设置多个辅助编码合作标志，采集降落平台图案，存储在目标库中；

2)无人机群降落时，通过无人机上安装的相机拍摄地面景象作为待测图像，无人机将待测图像与所述辅助降落合作标志进行匹配检测，当待测图像中检测到所述辅助降落合作标志，检测该待测图像中辅助编码合作标志；当待检测图像中检测不到与指定降落平台图案中相同的辅助降落合作标志，无人机继续拍摄其他区域的地面景象进行辅助降落合作标志检测；

3)检测辅助编码合作标志时，无人机选择待测图像中辅助降落合作标志周围预设置范围内的区域作为目标区域，在目标区域内检测辅助编码合作标志，与指定降落平台图案的辅助编码合作标志匹配检测，当目标区域中的辅助编码合作标志与指定降落平台图案的辅助编码合作标志相同，引导无人机降落；当目标区域中的辅助编码合作标志与指定降落平台图案的辅助编码合作标志不同，无人机继续拍摄其他区域的地面景象进行辅助降落合作标志检测。

在辅助降落合作标志周围设置多个辅助编码合作标志，形成具有不同特征的降落平台，采集降落平台图案存储在目标库中，在无人机群辅助降落时，无人机上的相机采集地面景象与辅助降落合作标志图案匹配检测，查找降落平台，通过检测辅助降落合作标志周围的辅助编码合作标志，确定指定降落平台，进而实现指定降落。本方法可实现无人机群按照任务需要统一管理无人机的降落，降低无人机群管理调度的难度。

进一步地，在上述方法中，所述辅助降落合作标志为H型的辅助降落合作标志。

采用国际通用的H型标志，便于对现有降落平台进行改造，减少了设计新降落平台的消耗。

进一步地，在上述方法中，所述辅助编码合作标志的数量为n，4≤n≤12，n为整数。

辅助编码合作标志设计为4～12，便于根据无人机的数量进行调整，同时有利于于提高辅助降落时匹配识别的准确性，便于实现安全辅助降落。

进一步地，在上述方法中，目标库存储在无人机或地面控制设备中。

进一步地，在上述方法中，无人机对待测图像和降落平台图案进行匹配检测时，地面控制设备发送指定降落平台图案给无人机。

目标库存储于无人机中，目标库存储在无人机中，便于无人机群在野外执行任务时独自寻找降落平台，减少与其他设备的信息交互，增强了无人机的隐蔽性。目标库存储于地面控制设备，便于根据任务需要临时指定无人机降落平台，增强了无人机群控制的实时性。

进一步地，在上述方法中，所述辅助编码合作标志包括实心圆和空白图形，且多个辅助编码合作标志中至少一个包括一个实心圆。

进一步地，在上述方法中，还可对降落平台图案的辅助编码合作标志进行编码，实心圆编码为1，空白图形编码为0，以其中一个辅助编码合作标志作为起始辅助编码合作标志，沿顺时针或逆时针方向统计编码形成编码方案表，将编码方案表存储在目标库。

进一步地，在上述方法中，目标库存储于无人机中，无人机对待测图像和降落平台图案进行匹配检测时，地面控制设备发送指定降落平台图案的编码方案给无人机，无人机根据接收的编码方案在目标库中查找对应的指定降落平台图案进行匹配检测。

通过对辅助编码合作标志进行编码，将实心圆的辅助编码合作标志编码为1，空白图形的辅助编码合作标志编码为0，无人机的目标库中存储全部的降落平台图案和对应的编码方案，由地面控制设备发送编码方案制定无人机的降落平台，减少了地面控制设备与无人机交互时的信息传输量。

进一步地，在上述方法中，无人机还存储辅助降落合作标志的角点和尺度信息。

进一步地，在上述方法中，无人机能根据辅助降落合作标志的角点和尺度，结合无人机的真实地理坐标计算指定降落平台的真实地理坐标，根据指定降落平台的真实地理坐标引导无人机降落。

无人机中存储辅助降落合作标志的角点和尺度信息，在确定指定降落平台后可结合真实地理坐标，计算无人机降落的姿态变换矩阵，根据姿态变换矩阵调整无人机的姿态和速度，引导无人机安全降落。

附图说明

图1为本发明的无人机群辅助降落方法流程图；

图2为本发明中无人机群辅助降落合作标志示意图；

图3为本发明中部分降落平台图案示意图；

1、2、3、4为辅助降落合作标志的4个角点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

方法实施例：

本发明的无人机群辅助降落方法，融合了单个无人机辅助降落标志和机群辅助编码标志，利用辅助降落合作标志实现不同高度下无人机位置姿态测算，无人机获取降落平台的辅助编码合作标志信息，与存储在目标库中的指定降落平台具有的特征信息进行匹配检测，检测成功后通过调整姿态和速度引导无人机降落到指定降落平台。下面结合图1所示的辅助降落流程对无人机群辅助降落方法进一步说明：

一、对无人机群的降落平台进行设计，对无人机群中各无人机的指定降落平台进行特征设计，包括辅助降落合作标志设计和辅助编码合作标志设计，设计好的降落平台用于无人机群的指定降落。

1)辅助降落合作标志设计。在选定的无人机群降落区域，制作降落平台，在平台上设计无人机辅助降落合作标志，该标志应满足以下要求：一是信息充足，包括标志的角点信息，保证无人机可以有效识别降落标志，便于解算出无人机和降落平台的相对位置；二是标志应相对简单，便于提取标志的特征信息，减少运算量，以提高解算的实时性；第三，标志要容易识别，与其他地面特征相比具有明显的区别，防止因错误识别而导致无人机降落失败。

根据上述要求，同时考虑到国际通用性，采用H型标志作为本实施例中的辅助降落合作标志。以长宽分别为50cm的四旋翼无人机为例，则设计的H型辅助降落合作标志如图2所示，其几何中心点与降落平台的中心点重合，还包括12个角点，角点1和角点2之间的距离为50mm，角点2和角点3之间的距离为200mm，角点1和角点4之间的距离为400mm。

同时角点间的尺度信息可以用于与无人机的位置解算，计算出包含姿态信息的姿态变换矩阵，通过姿态变换矩阵调整无人机的姿态和速度，引导无人机跟踪并降落到指定降落平台。

作为其他实施例，辅助降落合作标志还可根据任务需要设计其他形状的标志，如T型、A型等，在其上选择合适的角点作为特征点，便于无人机辅助降落时的视觉匹配识别和计算降落时的姿态变换矩阵。

2)辅助编码合作标志设计。在计算机视觉领域中，通过设计编码标志，利用计算机视觉处理并匹配，可以实现多个标志的统一编码管理。

本实施例在降落平台上以H型辅助降落合作标志的几何中心点为圆心，以300mm(即H型辅助降落合作标志外接圆半径的1.2倍)为半径作圆，在这个圆上等间隔取n个标志点，4≤n≤12，且n为整数，以其中一个标志点作为起始标志点，在本实施例中以H型辅助降落合作标志右侧(图2中角点1、4所在的一侧为左侧)的标志点作为起始标志点，沿顺时针(或逆时针)方向在这n个点设计辅助编码合作标志，包括实心圆和空白图形，实心圆的圆心为标志点，直径为60mm。对实心圆编码为1，空白图形编码为0，从起始标志点开始沿顺时针(或逆时针)方向对这n个标志点根据辅助编码合作标志的图形进行编码统计，编码方式为n位的2进制编码，确定该降落平台的编码方案。

考虑到无人机群的无人机数量，对标志点的数量进行调整，下表中列出了标志点数量分别为4、8、12时的总编码方案容量(也是具有辅助降落合作标志和辅助编码合作标志的降落平台图案的最大数量)和去除重复特征后的编码方案容量(即去除具有重复特征的降落平台图案后剩余的降落平台图案数量)，具有重复特征的降落平台图案指以H型辅助降落合作标志的几何中心点为旋转中心，按一定角度旋转后可以重合的降落平台图案。

本实施例中标志点的数量为12个，对这12个标志点进行编码可形成4096种编码方案，去除因编码导致特征重复的辅助编码合作标志，剩余2079种编码方案。考虑到现有降落平台只设计有H型辅助降落合作标志，但不能用于无人机群降落时，辅助编码合作标志均为空白图形时的降落平台图案与其相同，会在无人机群降落时导致错误匹配引起无人机降落错误的问题，再去除1种编码方案和降落平台图案，剩余2078种编码方案和降落平台图案。

图3中列举了部分降落平台的图案，如第1种降落平台图案为起始辅助编码合作标志为实心圆，其余11个辅助编码合作标志为空白图形，其对应的编码方案为100000000000；第2种降落平台图案为从起始标志点出发，沿顺时针方向第一个辅助编码合作标志为实心圆，其余11个辅助编码合作标志为空白图形，其对应的编码方案为010000000000。其余降落平台图案的编码方案以此类推。

3)将这2078种降落平台图案和编码方案存入目标库，无人机群中的每一架无人机均对应一种降落平台图案和编码方案，目标库可以存储在无人机中，且只存储指定降落平台图案，方便无人机群降落时通过视觉匹配检测来实现辅助降落；还可以将存储有全部降落平台图案的目标库存储于地面控制室的控制设备中，在无人机需要降落时，由地面控制设备指定无人机的降落平台，并发送指定降落平台图案给无人机，由无人机根据其进行视觉匹配检测。

还可将存储有全部降落平台图案和编码方案的目标库存储在无人机中，由地面控制设备根据任务需要指定无人机的降落平台，发送指定降落平台的编码方案给无人机，无人机接收编码方案并根据编码方案提取目标库中对应的降落平台图案，进行视觉匹配检测，便于无人机群统一管理。

二、对无人机群中的无人机指定好降落平台后，在无人机群降落时，无人机的相机拍摄地面景象得到待测图像，本实施例中无人机相机焦距为35mm、2000万像素,设计巡航高度为100m，此时无人机飞行高度相对较高，得到的待测图像中具有辅助降落合作标志和辅助编码合作标志的降落平台成像较小，特征提取精度较低，需要快速准确地识别地面合作标志和辅助编码合作标志，以便与指定降落平台图案进行视觉匹配检测。具体检测过程如下：

1)辅助降落合作标志匹配检测。无人机的处理器首先对相机拍摄的待测图像进行图像预处理，然后与指定降落平台图案进行比对，当待测图像中没有与指定降落平台图案中H型辅助降落合作标志相同的特征，无人机继续拍摄地面其他区域进行匹配检测，当待测图像中检测到与指定降落平台图案中H型辅助降落合作标志相同的特征，进行辅助编码合作标志匹配检测。

2)辅助编码合作标志匹配检测。当待测图像中检测到指定降落平台图案中的H型辅助降落合作标志后，进入辅助编码合作标志匹配检测阶段，利用H型辅助降落合作标志的12个角点，以此H型标志的几何中心点为中心，选择此标志外接圆所在区域按照1.5倍的比例放大后的区域作为目标区域，在此目标区域内检测辅助编码合作标志，与该无人机指定降落平台图案进行比对，当检测到的辅助编码合作标志与指定降落平台图案上的辅助编码合作标志相同，则可确定当前待测图像上的降落平台为该无人机的指定降落平台；当检测到的辅助编码合作标志与该无人机指定降落平台图案上的辅助编码合作标志不同，结束匹配检测，无人机搜索地面其他区域，直至寻找到对应的指定降落平台，实现安全降落。

3)匹配检测结算。通过图像分割算法分割待测图像中的H型标志，对H型标志进行角点检测并标记位置，计算对应的角点坐标，根据角点坐标和尺度信息结合无人机的真实地理坐标计算指定降落平台的真实地理坐标，根据指定降落平台的真实地理坐标，调整无人机的姿态和速度，用于引导无人机降落。

无人机群的各无人机均可通过上述视觉匹配检测找到各自对应的指定降落平台，进而通过调整姿态和速度，实现安全降落。

本发明的无人机群辅助降落方法能够实现多数量的无人机群安全降落，便于统一管理，同时采用的H型标志位较通用的国际标准停机坪视觉标志，仅需对现有停机坪的降落平台简单改造，设计合适数量的辅助编码合作标志，即可实现大批量的无人机安全降落，实现无人机群统一管理。

Claims (10)

1.一种无人机群辅助降落方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在降落平台上距离辅助降落合作标志外接圆设定距离的区域内设置多个辅助编码合作标志，采集降落平台图案，存储在目标库中；

2）无人机群降落时，通过无人机上安装的相机拍摄地面景象作为待测图像，无人机将待测图像与所述辅助降落合作标志进行匹配检测，当待测图像中检测到所述辅助降落合作标志，检测该待测图像中辅助编码合作标志；当待检测图像中检测不到与指定降落平台图案中相同的辅助降落合作标志，无人机继续拍摄其他区域的地面景象进行辅助降落合作标志检测；

3）检测辅助编码合作标志时，无人机选择待测图像中辅助降落合作标志周围预设置范围内的区域作为目标区域，在目标区域内检测辅助编码合作标志，与指定降落平台图案的辅助编码合作标志匹配检测，当目标区域中的辅助编码合作标志与指定降落平台图案的辅助编码合作标志相同，引导无人机降落；当目标区域中的辅助编码合作标志与指定降落平台图案的辅助编码合作标志不同，无人机继续拍摄其他区域的地面景象进行辅助降落合作标志检测。

2.根据权利要求1所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，所述辅助降落合作标志为H型的辅助降落合作标志。

3.根据权利要求1所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，所述辅助编码合作标志的数量为n，4≤n≤12，n为整数。

4.根据权利要求1所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，目标库存储在无人机或地面控制设备中。

5.根据权利要求1所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，无人机对待测图像和降落平台图案进行匹配检测时，地面控制设备发送指定降落平台图案给无人机。

6.根据权利要求1所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，所述辅助编码合作标志包括实心圆和空白图形，且多个辅助编码合作标志中至少一个包括一个实心圆。

7.根据权利要求6所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，还可对降落平台图案的辅助编码合作标志进行编码，实心圆编码为1，空白图形编码为0，以其中一个辅助编码合作标志作为起始辅助编码合作标志，沿顺时针或逆时针方向统计编码形成编码方案表，将编码方案表存储在目标库。

8.根据权利要求7所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，目标库存储于无人机中，无人机对待测图像和降落平台图案进行匹配检测时，地面控制设备发送指定降落平台图案的编码方案给无人机，无人机根据接收的编码方案在目标库中查找对应的指定降落平台图案进行匹配检测。

9.根据权利要求8所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，无人机还存储辅助降落合作标志的角点和尺度信息。

10.根据权利要求9所述的无人机群辅助降落方法，其特征在于，无人机能根据辅助降落合作标志的角点和尺度，结合无人机的真实地理坐标计算指定降落平台的真实地理坐标，根据指定降落平台的真实地理坐标引导无人机降落。