CN113865579A - 无人机位姿参数的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机测量领域，公开了一种无人机位姿参数的测量方法，包括以下步骤:包括以下步骤:1)获取至少两个参照物在不同时刻下的三维空间坐标数据；2)将获取的三维空间坐标数据信息，以及与其相对应的时间数据信息相结合，获得参照物的四维空间坐标；3)将四维空间坐标进行处理，得到各时刻下的四维向量，并对比不同时刻下的四维向量的变化，从而获得无人机的三维空间坐标、向量偏转角及其变化值。本发明通过将测量得到的至少两个测量参照物的三维空间坐标引入时间参数，从而转化为四维空间坐标，再将两个四维空间坐标相连形成四维向量，从而通过四维向量的变化直观的体现出测量参照物所对应的无人机的位姿参数及其变化值。

Description

无人机位姿参数的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机测量领域，具体地涉及无人机位姿参数的测量系统及方法。

背景技术

无人机倾斜测量技术是利用无人机携带云台相机获取目标区域影像数据，并进行三维模型重构的一种技术，由于该技术效率高、价格低廉、可达性强、危险性低等优势，已广泛运用于电力巡检、河道巡检、道路边坡工程巡检、矿山测绘等诸多领域，利用该技术成功构建出的三维模型能够从整体上反映待测区域的情况，供相关从业人员判读相关区域的现状。无人机自身的位姿参数是至关重要的信息，不仅反映了无人机悬停时稳定性，而且直接决定无人机倾斜摄影图像质量。因此准确地获取无人机位参数，对于无人机在倾斜摄影测量领域的应用至关重要。

目前常用于无人机位姿参数的测量方法有GPS和机器视觉两类方法。GPS方法是利用无人机自身的GPS传感器获取无人机三维坐标序列，通过三维坐标的变化评估无人机位姿参数。然后GPS连续动态测量精度局限于厘米级范围，导致位姿测量的精度较低。而且，大部分无人机只有一套GPS坐标测量系统，不能获取无人机旋转姿态参数。

摄影测量方法机器视觉测量方法又称为摄影测量方法，是采用两台以上的地面相机连续拍摄无人机悬停时的图像，采用数字图像处理方法获取无人机的位姿参数。机器视觉方法是采用间接方法获取无人机位姿参数，其测量精度易受图像采集质量和图像处理方法影响，并且测量无人机得到的位姿参数也不准确。

发明内容

本发明第一方面所要解决的问题是提供一种无人机位姿参数的测量方法，通过该方法可以准确得到无人机的位姿参数以及变化值。

本发明第二方面所要解决的问题是提供一种无人机位姿参数的测量系统，可以准确得到无人机的位姿参数以及变化值。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机位姿参数的测量方法，包括以下步骤：1)获取至少两个参照物在不同时刻下的三维空间坐标数据；2)将获取的三维空间坐标数据信息，以及与其相对应的时间数据信息相结合，获得参照物的四维空间坐标；3)将四维空间坐标进行处理，得到各时刻下的四维向量，并对比不同时刻下的四维向量的变化，从而获得无人机的三维空间坐标、向量偏转角及其变化值。

进一步优选地，将两个所述参照物的三维空间坐标通过后方交会的方法，得到无人机在该坐标系中的具体位置参数。通过该优选技术方案，通过后方交会的方法，可以得到无人机在坐标系中所处的方位，且通过该方法取得的无人机三维坐标的准确性可以保证，并且有利于准确判断出无人机在运动时，其坐标参数的变化。

优选地，两个所述参照物的四维空间坐标为A(x_i,y_i,z_i,t_i),B(x_i,y_i,z_i,t_i)，i＝1，2，3，…，n，将两个所述四维空间坐标相连，获得的四维向量为

通过该优选技术方案，将测量得到的三维空间坐标中加入时间参数，从而得到四维坐标，以此可以准确判断出该坐标在不同时刻下所处的具体位置，将两个参照物得到的四维坐标相连，形成四维向量，从而可以更加直观的看出该向量所代表的无人机在该时刻下的变化情况。

进一步优选地，以t₁时刻的两个所述参照物的连线为基准，不同时刻下的空间三维坐标经过平移，使得不同时刻下向量中的A_i点平移至t₁时刻中的向量

中的A₁点，至此获得t₁时刻以后各时刻的向量平移姿态数据，所述向量平移姿态数据记录为(Δx_i,Δy_i,Δz_i,t_i)，i＝1，2，3，…，n。通过该优选技术方案，在坐标系中，以初始时刻下的两个参照物的连线为基准，从而得到基准坐标，使得在之后时刻的下的坐标向量有了一个明确的参照向量，起到一个参照标准的作用，另外通过将之后各时刻的向量进行平移，与该基准坐标进行对标，得到各时刻下的平移姿态数据，通过平移姿态数据可以明确看出各时刻下坐标的位移并可以推算出位移后的最终坐标方位，从而准确的表现出无人机的运动轨迹以及运动参数。

优选地，在t时刻下，所述四维向量相对于坐标系中x,y,z轴的偏转角λ_i,β_i,

计算公式如下：

通过该优选技术方案，通过计算四维向量相对于坐标系中的偏转角，可以明确该四维向量所代表的无人机在坐标系中的偏转的角度和运动的方向，从而能够准确得到该四维向量所代表的在该时刻下无人机的运动方向和偏转角度，并由此可以得到无人机的准确偏转参数。

进一步优选地，在t₁时刻下，处于该时刻的偏转角为λ₁,β₁,

在当前时刻下的向量偏转角与之后时刻下的向量偏转角的差值为：

Δλ_i＝λ_i-λ₁，i＝2,3,4,…,n；

Δβ_i＝β_i-β₁，i＝2,3,4,…,n；

由此得到在不同时刻t_i下的无人机位姿参数为

并且基于该参数所得到的位姿参数的变化值为

通过该优选技术方案，得到该时刻下的向量偏转角以及与之后时刻下的向量偏转角差值，并由当前时刻下的向量偏转角确定无人机在该时刻下的位姿参数，由此位姿参数可以准确确定出该无人机所处的具体方位，通过位姿参数的变化值可以表现出无人机的运动方向以及运动轨迹，从而得出无人机从当前时刻运动到下一时刻的位置变化，并由此可以推断无人机的位姿参数的变化趋势。

一种无人机位姿参数的测量系统，包括测量参照装置，测量装置和数据处理装置，所述测量参照装置包括至少两个参照物，所述测量参照装置固定安装在无人机底部，所述测量装置至少有两台，各所述测量装置分别与一个所述参照物相适配，所述数据处理装置与各所述测量装置相连。

优选地，所述测量参照装置还包括支撑结构，至少两个所述参照物固定安装在所述支撑结构上，所述支撑结构安装在所述无人机底部。通过该优选技术方案，通过支撑结构将至少两个参照物固定，从而能够便捷的调整两个参照物之间的间距，并能够方便地将参照物安装在无人机上，以便于测量参照物在不同型号的无人机上使用。

进一步优选地，所述支撑结构采用木板，所述参照物采用棱镜。通过该优选技术方案，采用木板作为支撑结构，能够方便棱镜的安装，并能够对棱镜起到稳定支撑的作用；棱镜作为参照物，能够对测量装置所发出的测量信号进行有效的反馈，从而使得测量装置能够准确快捷的得到无人机的具体坐标参数以及位姿参数。

优选地，所述测量装置采用测量机器人，所述数据处理装置采用PC。通过该技术方案，采用测量机器人对参照物进行跟踪测量，能够实时反馈出参照物的坐标的变化情况，并且采用PC对其坐标进行处理，从而得到能够准确反馈出在不同时刻下坐标的变化情况，保证了坐标数据的准确性。

通过上述技术方案，本发明提供的无人机位姿参数的测量方法，通过将测量得到的至少两个参照物的三维空间坐标引入时间参数，从而转化为四维空间坐标，再将两个四维空间坐标相连形成四维向量，从而通过四维向量的变化直观的体现出参照物所对应的无人机的位姿参数及其变化值。

本发明提供的无人机位姿参数的测量系统，能够通过测量装置对无人机进行实时监测，并通过数据处理装置将测量装置测量得到的数据进行处理后，能够准确得到无人机的位姿参数及其变化值。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的无人机位姿参数的测量方法流程图；

图2是本发明的无人机位姿参数的处理方法流程图；

图3是本发明的无人机位姿参数的测量系统示意图；

图4是本发明的测量参照装置的结构示意图；

图5是本发明的空间向量坐标平移过程的示意图。

附图标记

1 无人机 2 测量参照装置

201 参照物 202 支撑结构

3 测量装置 4 数据处理装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的无人机位姿参数的测量方法的一种实施方式，如图1至图2所示，包括以下步骤：

1)获取至少两个参照物在不同时刻下的三维空间坐标数据。

参照物的三维空间坐标数据可以通过测量装置3测量获得，该测量装置3中发出测量信号照射到参照物201上，参照物201将测量信号反射回去，测量装置3接收到反射回来的测量信号，结合测量装置发送的测量信号和接收到的反射信号，得到参照物的三维空间坐标，由于直接采用测量装置3获取的至少两个参照物201的三维空间坐标是相对于两个测量装置3的相对坐标，因此需要将两个测量装置3所测得的三维空间坐标进行转化，从而使得测得的三维空间坐标处于绝对坐标系中，即将两个相对坐标系转化为绝对坐标系，由于该转化过程为本领域的常规技术手段，本说明书中不再赘述，经过转化后，获取的至少两个参照物201的三维空间坐标处于同一坐标系中，并将获取的两个参照物201的三维空间坐标通过后方交会的方法进行处理，可以得到无人机1在该坐标系中的具体位置参数，且通过该方法取得的无人机1的三维空间坐标的准确性可以保证，有利于准确判断出无人机1所处的位置，并且便于实时观察其坐标参数的变化。

无人机1的三维空间坐标还可通过两台测量装置3来进行确定，将两台测量装置3固定在地面，并确定两台测量装置3在同一坐标系(绝对坐标系)中的具体空间坐标，通过两台测量装置3对设置在无人机1上的两个测量参照装置2进行测量，由于已知两个测量装置3的空间坐标，通过后方交会的测量方法，两个测量装置3同时对一个测量参照装置2进行测量时，可以得到该测量参照装置2的空间坐标，另一个参照物201以此类推，由此可以获得无人机1上两个测量参照装置2的三维空间坐标，再次通过后方交会法，已知两个测量参照装置2的三维空间坐标，可以推算出无人机1的具体三维空间坐标，即无人机1所处的具体位置，从而根据其变化值或测量参照装置2的变化值，便可推算出无人机1的运动。

2)将获取的三维空间坐标数据信息，以及与其相对应的时间数据信息相结合，获得参照物的四维空间坐标。

在所处的坐标系中，将测量得到的三维空间坐标中加入时间参数，从而得到四维坐标，同一时刻下，两个参照物201的四维坐标为A(x_i,y_i,z_i,t_i),B(x_i,y_i,z_i,t_i)，i＝1，2，3，…，n。以此可以准确判断出该坐标在当前时刻下所处的具体位置，当该参照物201发生运动时，通过将当前时刻下的四维坐标与相邻时刻下的四维坐标进行对比，从而可以得到该参照物201的变化情况。

3)将四维空间坐标进行处理，得到各时刻下的四维向量，对比不同时刻下的四维向量的变化，从而获得无人机的三维空间坐标、向量偏转角及其变化值。

将两个参照物201的四维坐标相连，从而构建出两个参照物201的四维向量

通过观察四维向量的变化，即可直观的看出该向量所代表的无人机1在该时刻下的变化情况，例如，当该向量发生横向或纵向位移时，则代表该无人机1在发生与向量相同运动方向上的位移，当该向量的两点在坐标系的x轴方向逐渐靠近时，则代表该无人机1的一侧在横向平面上，发生顺时针或逆时针的旋转，由此可通过向量的变化，来判断无人机1的运动变化，从而将无人机1的变化情况简化呈现出来。

本发明的无人机位姿参数的测量方法的一种实施方式，如图5所示，在同一坐标系中，以t₁时刻的两个参照物201的连线为基准，不同时刻下的空间三维坐标经过平移，使得不同时刻下向量中的A_i点平移至t₁时刻中的向量

中的A₁点，至此获得t₁时刻以后各时刻的向量平移姿态数据，该向量平移姿态数据记录为(Δx_i,Δy_i,Δz_i,t_i)，i＝1，2，3，…，n。在坐标系中，以初始时刻t₁下的两个参照物201的连线为基准，从而得到基准坐标，使得在之后时刻的下的坐标向量有了一个明确的参照向量，起到一个参照标准的作用，另外通过将之后各时刻的向量进行平移，与该基准坐标进行对标，得到各时刻下的平移姿态数据，通过平移姿态数据可以明确看出各时刻下坐标的位移并可以推算出位移后的最终坐标方位，从而准确的表现出无人机1的运动轨迹以及运动参数。

本发明的无人机位姿参数的测量方法的一种实施方式，在t时刻下，所述四维向量相对于坐标系中x,y,z轴的偏转角λ_i,β_i,

计算公式如下：

通过计算四维向量发生运动时的偏转角，即可以明确该四维向量所代表的无人机1的偏转角度，从而能够准确得到该四维向量所代表的在该时刻下无人机1的偏转角度，并由此可以得到无人机1准确的偏转角参数，通过该偏转角度，可以确定无人机1在不同时刻下的运动方向，并且可以通过偏转角度对无人机1当前的运行状态进行观察，当无人机1的偏转角度过大时，可由此对无人机1进行调整，以此来防止无人机1在飞行过程中由于偏转角过大而发生失衡，从而能够使得无人机1规避在运动过程中可能产生的风险，防止无人机1发生飞行事故。

本发明的无人机位姿参数的测量方法的一种实施方式，在t₁时刻下，处于该时刻的偏转角为λ₁,β₁,

在当前时刻下的向量偏转角与之后时刻下的向量偏转角的差值为：

Δλ_i＝λ_i-λ₁，i＝2,3,4,…,n；

Δβ_i＝β_i-β₁，i＝2,3,4,…,n；

由此得到在不同时刻t_i下的无人机1位姿参数为

并且基于该参数所得到的位姿参数的变化值为

通过得到该时刻下的向量偏转角以及与之后时刻下的向量偏转角差值，并由当前时刻下的向量偏转角确定无人机1在该时刻下的位姿参数，由此位姿参数可以准确确定出该无人机1所处的具体方位，通过位姿参数的变化值可以表现出无人机1在该时刻下的运动方向，从而得出无人机1从当前时刻运动到下一时刻后的位置变化，并由此可以准确判断出无人机1的最终位置坐标，从而通过无人机1的初始坐标至最终位置坐标，以及其中所包含的各个时刻下的空间坐标参数，可以得出无人机1的运动轨迹。

本发明的无人机位姿参数的测量系统的一种实施方式，如图3所示，该系统包括测量参照装置2，测量装置3和数据处理装置4，所述测量参照装置2固定安装在无人机1底部，在地面上固定安装有至少两台测量装置3，所述测量装置3与测量参照装置2相适配，所述数据处理装置4与至少两台所述测量装置3相连。该无人机1可选用固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台的无人机，也可采用其他小种类无人机平台，例如，伞翼无人机、扑翼无人机等，通过测量装置3实现与测量参照装置2的联动，由于测量参照装置2固定安装在无人机1上，即测量装置3对测量参照装置2进行锁定并对测量参照装置2进行跟踪，在跟踪的过程中，测量装置3不断获得与之相对应的三维空间坐标信息，并将获得三维空间坐标信息传输到与测量装置3相连的数据处理装置4中，数据处理装置4对接收到的原始数据信息进行存储备份后，再将接收到的数据进行处理，将测得的测量参照装置2的空间坐标与其相对应的时间数据相对应，以此获得测量参照装置2所代表的四维坐标和基于该四维坐标所产生的四维向量，通过PC，计算得到四维向量所代表的测量参照装置2相对于坐标系坐标轴的偏转角，通过测量参照装置2的偏转角，可以轻易判断出测量参照装置2的具体运动方向和运动轨迹，以此得到与该测量参照装置2相对应的无人机的运动方向和运动轨迹，将上述数据参数进行整理，最终获得无人机在该时刻下的三维空间坐标、向量偏转角及其变化值。

本发明的无人机位姿参数的测量系统的一种实施方式，如图4所示，测量参照装置2包括支撑结构202和至少两个参照物201，至少两个参照物201固定安装在所述支撑结构202上，支撑结构202安装在无人机1底部，参照物201采用棱镜，测量装置3采用测量机器人，数据处理装置4采用PC。测量参照装置2可采用木板和棱镜的组合结构，木板和棱镜的组合结构内包括至少两块棱镜和木板，其中木板作为支撑结构202，棱镜作为参照物201，将棱镜作为参照物201来对无人机1的位置进行定位的方式，能够简单快捷的得到无人机1的具体坐标参数以及位姿参数，并由此判断出无人机1的运动方向和运动轨迹，从而使得无人机1能够被准确定位，并且无人机1运动所产生的位姿参数能够被准确捕捉。

本发明的无人机位姿参数的测量系统的一种实施方式，测量参照装置2内还可设置三个参照物201来对无人机1进行跟踪，同样的，在地面需要设置三个测量装置3，三个测量装置3通过对三个参照物201一一对应跟踪，并采用上述测量方法，可以得到三个参照物201所对应的位姿参数，并根据得到的位姿参数，既可以看出无人机1在水平运动时位姿参数的变化，也可以看出无人机1其中的两个参照物201不动，另一个参照物201发生上下运动时位姿参数的变化。

本发明的无人机位姿参数的测量系统的一种实施方式，支撑结构202可以采用木板，塑料板等固定连接件，采用木板或塑料板等固定连接件对参照物201进行连接，能够适应不同环境的需求，在不同的环境条件下，例如雨天，采用木板进行固定连接会极大的增加无人机1的负担，从而使无人机1产生较大的能源损耗，对监测效率产生不利的影响，因此在此种环境中就需要更换支撑结构202，以此来保证无人机1的工作效率，例如在高温环境下，采用塑料板作为连接件便会容易产生变形，从而使得监测的精度降低，因此根据不同的环境采用采用不同的连接件来进行连接，能够保证无人机1检测的稳定性以及检测效率。

本发明的无人机位姿参数的测量系统的一种实施方式，测量参照装置2中的参照物201还可采用其他具有参照作用的物体，例如光面镜，凹面镜等作为参照物201，并且该测量参照装置2对称设置在无人机1中轴线两侧，从而使得无人机1相对于两个参照物201的方位不会发生变化，且测量参照装置2能够被设置在地面的测量装置3所轻易捕捉，即使是该无人机1处于能见度较低的环境中，该测量参照装置2依旧能够为测量装置3起到参照作用，从而保证测量作业正常、有序的进行。

在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”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。在本发明中，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。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机位姿参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取无人机上至少两个参照物在不同时刻下的三维空间坐标数据；

2)将获取的三维空间坐标数据信息，以及与其相对应的时间数据信息相结合，获得参照物的四维空间坐标；

3)将四维空间坐标进行处理，得到各时刻下的四维向量，并对比不同时刻下的四维向量的变化，从而获得无人机的三维空间坐标、向量偏转角及其变化值。

2.根据权利要求1所述的无人机位姿参数的测量方法，其特征在于，将获得的两个所述参照物的三维空间坐标通过后方交会的方法，得到无人机的具体位置参数。

3.根据权利要求2所述的无人机位姿参数的测量方法，其特征在于，两个所述参照物的四维空间坐标为A(x_i，y_i，z_i，t_i)，B(x_i，y_i，z_i，t_i)，i＝1，2，3，...，n，将两个所述四维空间坐标相连，获得的四维向量：

4.根据权利要求3所述的无人机位姿参数的测量方法，其特征在于，以t₁时刻的两个所述参照物的连线为基准，不同时刻下的空间三维坐标经过平移，使得不同时刻下向量中的A_i点平移至t₁时刻中的向量

中的A₁点，至此获得t₁时刻以后各时刻的向量平移姿态数据，所述向量平移姿态数据记录为(Δx_i，Δy_i，Δz_i，t_i)，i＝1，2，3，...，n。

5.根据权利要求4所述的无人机位姿参数的测量方法，其特征在于，在t时刻下，所述四维向量相对于坐标系中x，y，z轴的偏转角λ_i，β_i，

计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的无人机位姿参数的测量方法，其特征在于，在t₁时刻下，处于该时刻下的偏转角为λ₁，β₁，

在当前时刻下的向量偏转角与之后时刻下的向量偏转角的差值为：

Δλ_i＝λ_i-λ₁，i＝2，3，4，…，n；

Δβ_i＝β_i-β₁，i＝2，3，4，…，n；

由此得到在不同时刻t_i下的无人机位姿参数为

并且基于该参数所得到的位姿参数的变化值为

7.一种无人机位姿参数的测量系统，其特征在于，包括测量参照装置，测量装置和数据处理装置，所述测量参照装置包括至少两个参照物，所述测量参照装置固定安装在无人机底部，所述测量装置至少有两台，各所述测量装置分别与一个所述参照物相适配，所述数据处理装置与各所述测量装置相连。

8.根据权利要求7所述的无人机位姿参数的测量系统，其特征在于，所述测量参照装置还包括支撑结构，至少两个所述参照物固定安装在所述支撑结构上，所述支撑结构安装在所述无人机底部。

9.根据权利要求8所述的无人机位姿参数的测量系统，其特征在于，所述支撑结构采用木板，所述参照物采用棱镜。

10.根据权利要求7所述的无人机位姿参数的测量系统，其特征在于，所述测量装置采用测量机器人，所述数据处理装置采用PC。

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