CN113900446A - 基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法，其通过超声测距和双目拍摄相结合的方式，对无人机在水文监测过程中快速和准确地识别障碍物的存在情况，以此使无人机能够自动躲避障碍物，从而提高无人机在水文监测过程中的避障准确性、缩短水文监测的周期和降低监测成本。

Description

基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机水文监测的技术领域，特别涉及基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法。

背景技术

目前，已经采用无人机对河流或者湖泊等大面积水体区域进行水文监测，通过无人机在相应水体区域上空进行巡查拍摄，能够在节省大量人力物力的情况下，对水体区域进行全面和快速的水文监测。但是，对于实际的水文监测操作，无人机在飞行或者降落过程中会不可避免地遇到障碍物，为了有效地躲避这些障碍物，现有技术通常在无人机上安装专门的自主避障设备控制无人机的飞行，但是这种自主避障设备不仅价格昂贵，并且是裸露在无人机的外部，若长时间不适用则容易造成自主避障设备的损坏，从而降低无人机在水文监测过程中的避障准确性和增大水文监测的周期和成本。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法，在无人机机体飞行或者降落过程中，利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号和双目摄像模块对无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄而得到双目影像，分析超声回波信号和双目影像，确定无人机机体在飞行或者降落过程中的障碍物的存在位置和形状尺寸，以此调整无人机机体的飞行状态，从而使无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式，其通过超声测距和双目拍摄相结合的方式，对无人机在水文监测过程中快速和准确地识别障碍物的存在情况，以此使无人机能够自动躲避障碍物，从而提高无人机在水文监测过程中的避障准确性、缩短水文监测的周期和降低监测成本。

本发明提供基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统，其特征在于，其包括无人机机体、超声波测距模块、双目摄像模块、数据处理模块和飞行控制模块；其中，

所述无人机机体用于对目标水体区域进行水文摄像监测；

所述无人机机体的下方设置有所述超声波测距模块和所述双目摄像模块；

所述超声波测距模块用于在所述无人机机体飞行或者降落过程中，向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号；

所述数据处理模块用于分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物；

所述双目摄像模块用于在确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时，对所述无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄，从而采集得到相应的双目影像；

所述数据处理模块还用于分析所述双目影像，以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸；

所述飞行控制模块用于根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式；

进一步，所述无人机机体包括无人机机身、力臂、旋翼、旋翼电机、脚架、浮筒、电子调速器、水流传感器和挂载机构；

所述力臂与所述无人机机身铰接；

所述旋翼电机设置在所述力臂的尾端，所述旋翼电机的旋转轴与所述旋翼连接；

所述脚架设置在所述无人机机身的下部，所述浮筒设置在所述脚架上；

所述飞行控制模块通过所述电子调速器与所述旋翼电机连接，从而驱动所述旋翼电机运转以改变旋翼的旋转速度；

所述浮筒上设置有所述水流传感器；

所述超声波测距模块和所述双目摄像模块通过所述挂载机构插接在所述无人机机体的下方；

进一步，所述力臂的数量为四个，四个力臂沿周向均匀铰接在所述无人机机身上；

所述旋翼电机的数量为四个，每个旋翼电机一一对应设置在所述力臂上；

所述旋翼的数量为四个，每个旋翼一一对应地与所述旋翼电机的旋转轴连接；

所述脚架的数量为两个，两个脚架对称设置在所述无人机机身的下部，每个脚架通过螺钉连接在所述无人机机身的下部；

所述无人机机身内部还设置有锂电池，所述锂电池与每个旋翼电机供电连接；

进一步，所述数据处理模块还用于分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体是否降落在水面上；

当确定所述无人机机体降落在水面上，则通过所述水流传感器检测降落区域在所述无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量；其中，所述水流流速矢量包括水流速率和水流方向；

所述数据处理模块用于根据所述水流流速矢量，确定所述无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；

所述飞行控制模块用于根据所述航行阻力，调整所述旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度，从而使所述无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行；

进一步，所述飞行控制模块根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括：

根据所述障碍物的存在位置，确定所述无人机机体与所述障碍物之间的实际距离；

将所述实际距离与预设距离阈值进行比对；

若所述实际距离大于或等于预设距离阈值，则保持所述无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变；

若所述实际距离小于预设距离阈值，则将减小所述无人机机体的飞行速度，同时根据所述障碍物的形状尺寸，确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠；

若所述无人机机体当前的飞行路径不与所述障碍物存在重叠，则增大所述无人机机体的飞行速度；

若所述无人机机体当前的飞行路径与所述障碍物存在重叠，则改变所述无人机机体的飞行方向，从而使所述无人机机体的飞行路径远离所述障碍物。

本发明还提供基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法，其特征在于，其包括：

当无人机机体对目标水体区域进行水文摄像监测时，在所述无人机机体飞行或者降落过程中，利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号；分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物；

当确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时，利用双目摄像模块对所述无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄，从而采集得到相应的双目影像；分析所述双目影像，以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸；

根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整所述无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式；

进一步，所述无人机水文监测自主避障方法还包括：

分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体是否降落在水面上；

当确定所述无人机机体降落在水面上，则利用水流传感器检测降落区域在所述无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量；其中，所述水流流速矢量包括水流速率和水流方向；

根据所述水流流速矢量，确定所述无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；

根据所述航行阻力，调整所述无人机机体的旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度，从而使所述无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行；

进一步，根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整所述无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括：

根据所述障碍物的存在位置，确定所述无人机机体与所述障碍物之间的实际距离；

将所述实际距离与预设距离阈值进行比对；

若所述实际距离大于或等于预设距离阈值，则保持所述无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变；

若所述实际距离小于预设距离阈值，则将减小所述无人机机体的飞行速度，同时根据所述障碍物的形状尺寸，确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠；

若所述无人机机体当前的飞行路径不与所述障碍物存在重叠，则增大所述无人机机体的飞行速度；

若所述无人机机体当前的飞行路径与所述障碍物存在重叠，则改变所述无人机机体的飞行方向，从而使所述无人机机体的飞行路径远离所述障碍物；

进一步，分析所述双目影像，以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸具体包括：

对所述双目影像进行灰度化与二值化转换处理后，得到关于所述障碍物的二值化双目影像；对所述二值化双目影像包含的两个影像进行比对，以此得到两个影像中关于障碍物的匹配像素点；根据关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离；再将关于障碍物的匹配像素点对所述二值化双目影像进行合并，根据合并后的二值化双目影像，以此确定所述障碍物的形状尺寸，其具体包括：

步骤S1，由于无人机的双目摄像模块包含的两个摄像头对于无人机而言是左右放置的，故在对所述二值化双目影像包含的两个影像进行比对时，需要保证两个摄像头各自拍摄的左右影像的行像素一一对应，在保证左影像不动的情况下，使右影像的列像素从以开始与左影像重叠起依次向右移动一列，并利用下面公式(1)，确定右影像在依次向右移动过程中与左影像之间重叠像素的百分比，当所述百分比具有最大值时，表明右影像与左影像之间的重叠像素最多，此时左右影像重叠部分对应的像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点，

在上述公式(1)中，K(a)表示右影像向右移动a列后与左影像之间重叠像素的百分比；D_r(i,j)表示二值化双目影像中右影像的第i行第j列像素点的像素值；D_l(i,j+a)表示二值化双目影像中左影像的第i行第j+a列像素点的像素值；n表示二值化双目影像中左右影像的每一列像素包含的像素点总数；m表示二值化双目影像中左右影像的每一行像素包含的像素点总数；

将a的值从1取到m-1代入到上述公式(1)中，并确定K(a)具有最大值时，a对应的取值；再将右影像向右移动对应的a值的列数，此时右影像与左影像之间的重叠像素最多，相应地右影像与左影像之间重叠部位的重叠像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点；

步骤S2，利用下面公式(2)，根据关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离，

在上述公式(2)中，H表示无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离；f表示双目摄像模块中摄像头的焦距；T表示双目摄像模块中左右两个摄像头各自的中心位置之间的距离；d表示双目影像中相邻两个像素点之间的横向距离值；j_l(e)表示第e个匹配像素点在左影像中对应的列数值；j_r(e)表示第e个匹配像素点在右影像中对应的列数值；

利用上述公式(2)，即可根据无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离，得到所述障碍物的位置；

进一步，根据所述障碍物的形状尺寸，确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠具体包括：

利用下面公式(3)，将关于障碍物的匹配像素点对所述二值化双目影像进行合并，根据合并后的二值化双目影像，以此确定所述障碍物对应的像素面积，以此作为所述障碍物的形状尺寸，

在上述公式(3)中，S表示所述障碍物对应的像素面积；a_max表示将a的值从1取到m-1代入到上述公式(1)中，并确定K(a)具有最大值时，a对应的取值；

当上述公式(3)计算得到的像素面积S不等于0，表明所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠；

当上述公式(3)计算得到的像素面积S等于0，表明所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物不存在重叠。

相比于现有技术，该基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法，在无人机机体飞行或者降落过程中，利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号和双目摄像模块对无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄而得到双目影像，分析超声回波信号和双目影像，确定无人机机体在飞行或者降落过程中的障碍物的存在位置和形状尺寸，以此调整无人机机体的飞行状态，从而使无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式，其通过超声测距和双目拍摄相结合的方式，对无人机在水文监测过程中快速和准确地识别障碍物的存在情况，以此使无人机能够自动躲避障碍物，从而提高无人机在水文监测过程中的避障准确性、缩短水文监测的周期和降低监测成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统的结构示意图。

图2为本发明提供的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法的流程示意图。

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。

参阅图1，为本发明实施例提供的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统的结构示意图。该基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统包括无人机机体、超声波测距模块、双目摄像模块、数据处理模块和飞行控制模块；其中，

该无人机机体用于对目标水体区域进行水文摄像监测；

该无人机机体的下方设置有该超声波测距模块和该双目摄像模块；

该超声波测距模块用于在该无人机机体飞行或者降落过程中，向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号；

该数据处理模块用于分析该超声回波信号，以此确定该无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物；

该双目摄像模块用于在确定该无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时，对该无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄，从而采集得到相应的双目影像；

该数据处理模块还用于分析该双目影像，以此确定该障碍物的存在位置和形状尺寸；

该飞行控制模块用于根据该障碍物的存在位置和形状尺寸，调整无人机机体的飞行状态，从而使该无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式。

上述技术方案的有益效果为：该基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统以无人机机体作为水文监测的主体，通过控制该无人机机体在目标水体区域上方进行飞行巡查与拍摄，即可实现对目标水体区域的水文摄像监测。而在无人机机体进行飞行或者降落的过程中，会无可避免地存在相应的障碍物，这些障碍物不仅影响无人机机体的巡查拍摄的准确性，还会影响无人机机体的正常飞行。通过在无人机机体上设置超声波测距模块和双目摄像模块，将超声测距和双目摄像测量两个方式结合在一起，以此确定无人机机体在飞行或者降落过程中障碍物的存在情况，针对障碍物的存在位置和形状尺寸，将无人机机体切换至避障飞行模式，以使无人机机体能够快速及时地躲避障碍物，从而在飞行或者降落期间始终保持顺利平稳的航行和提高无人机机体在水文监测过程中的避障准确性。

优选地，该无人机机体包括无人机机身、力臂、旋翼、旋翼电机、脚架、浮筒、电子调速器、水流传感器和挂载机构；

该力臂与该无人机机身铰接；

该旋翼电机设置在该力臂的尾端，该旋翼电机的旋转轴与该旋翼连接；

该脚架设置在该无人机机身的下部，该浮筒设置在该脚架上；

该飞行控制模块通过该电子调速器与该旋翼电机连接，从而驱动该旋翼电机运转以改变旋翼的旋转速度；

该浮筒上设置有该水流传感器；

该超声波测距模块和该双目摄像模块通过该挂载机构插接在该无人机机体的下方。

上述技术方案的有益效果为：该无人机机体包括无人机机身、力臂、旋翼、旋翼电机、脚架、浮筒、电子调速器、水流传感器和挂载机构。其中，无人机机身为无人机机体的主体机械部分，其内部设置有无人机机体的电路结构。该力臂作为自由活动机械支撑；该脚架作为支撑结构设置在该无人机机体上，这样能够保证无人机机体在降落过程中能够平稳落地。该旋翼电机、该旋翼和该电子调速器共同作为动力系统，其用于驱动无人机机体进行飞行，该旋翼电机与该旋翼连接，其能够驱动该旋翼转动，而该电子调速器能够调整该旋翼电机的运转速度，从而间接调整该旋翼的转动速度。该挂载机构可为但不限于是挂载框架，其用于承载超声波测距模块和双目摄像模块。该浮筒则是在该无人机机体降落在水体区域时，能够漂浮在水面上继续进行航行。该水流传感器则是当无人机机体在水面上进行航行的过程中，实时检测相应水体的水流速率和水流方向，以便于后续准确地确定无人机机体在水面上进行航行的过程中受到的水流阻力。

优选地，该力臂的数量为四个，四个力臂沿周向均匀铰接在该无人机机身上；

该旋翼电机的数量为四个，每个旋翼电机一一对应设置在该力臂上；

该旋翼的数量为四个，每个旋翼一一对应地与该旋翼电机的旋转轴连接；

该脚架的数量为两个，两个脚架对称设置在该无人机机身的下部，每个脚架通过螺钉连接在该无人机机身的下部；

该无人机机身内部还设置有锂电池，该锂电池与每个旋翼电机供电连接。

上述技术方案的有益效果为：将该力臂、该旋翼电机和该旋翼的数量设为四个，这样能够使无人机机体能够在四个方位上进行动力驱动，从而保证无人机机体能够平稳地进行飞行和升降。在该无人机机身内部设置锂电池，则能够为无人机机体的动力系统提供电能，以最大限度延长无人机机体的续航时间。

优选地，该数据处理模块还用于分析该超声回波信号，以此确定该无人机机体是否降落在水面上；

当确定该无人机机体降落在水面上，则通过该水流传感器检测降落区域在该无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量；其中，该水流流速矢量包括水流速率和水流方向；

该数据处理模块用于根据该水流流速矢量，确定该无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；

该飞行控制模块用于根据该航行阻力，调整该旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度，从而使该无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行。

上述技术方案的有益效果为：超声波测距模块向外界扫描发射超声波信号，当该超声波信号在传输过程中遇到障碍物或者水面时，该超声波信号会被障碍物或者水面反射，从而形成相应的超声回波信号。不同形状的障碍物或者水面形成的超声回波信号的信号强度分布是不同的，通过分析该超声回波信号的信号强度分布，能够判断无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物或者是否降落在水面上，该对超声回波信号的信号强度分布处理属于本领域的常规方式，这里不做详细的累述。此外，当无人机机体降落在水面上时，无人机机体的浮筒会受到水流的作用，即无人机机体在水面上航行过程中会受到相应的水流阻力，通过设置在浮筒上的水流传感器检测降落区域在该无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量，并结合相应的水流力学计算过程，能够得到该无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；其中，该水流力学计算过程属于流体力学计算的常规方式，这里不做详细的累述。随后，当确定该航行阻力后，能够适应性地增大该旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼加快自身的旋转速度，从而使对该无人机机体额外施加的驱动力能够抵消该航行阻力，从而使该无人机机体能够沿着指定路径在水面上平稳航行。

优选地，该飞行控制模块根据该障碍物的存在位置和形状尺寸，调整无人机机体的飞行状态，从而使该无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括：

根据该障碍物的存在位置，确定该无人机机体与该障碍物之间的实际距离；

将该实际距离与预设距离阈值进行比对；

若该实际距离大于或等于预设距离阈值，则保持该无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变；

若该实际距离小于预设距离阈值，则将减小该无人机机体的飞行速度，同时根据该障碍物的形状尺寸，确定该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物存在重叠；

若该无人机机体当前的飞行路径不与该障碍物存在重叠，则增大该无人机机体的飞行速度；

若该无人机机体当前的飞行路径与该障碍物存在重叠，则改变该无人机机体的飞行方向，从而使该无人机机体的飞行路径远离该障碍物。

上述技术方案的有益效果为：当该无人机机体与该障碍物之间的实际距离大于或者等于预设距离阈值，则表明该无人机机体与该障碍物的距离足够远，其并不存在无人机机体与障碍物发生相撞的危险，此时可保持该无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变，以保证无人机机体的正常飞行。当该该无人机机体与该障碍物之间的实际距离小于预设距离阈值，则表明该无人机机体与该障碍物的距离较近，其存在无人机机体与障碍物发生相撞的危险，此时需要控制该无人机机体进行减速；同时，根据该障碍物的形状尺寸，确定该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物存在重叠，即判断该无人机机体当前的飞行路径是否穿过该障碍物。若该无人机机体当前的飞行路径不与该障碍物存在重叠，表明该无人机机体按照当前的飞行路径飞行并不会与该障碍物发生碰撞，此时重新增大该无人机机体的飞行速度，这样能够提高该无人机机体的水文监测巡查效率。若该无人机机体当前的飞行路径与该障碍物存在重叠，表明该无人机机体按照当前的飞行路径飞行会与该障碍物发生碰撞，此时改变该无人机机体的飞行方向(比如指示该无人机机体进行向上爬升等)，这样能够使该无人机机体的实际飞行路径远离该障碍物。

参阅图2，为本发明实施例提供的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法的流程示意图。该基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法包括：

当无人机机体对目标水体区域进行水文摄像监测时，在该无人机机体飞行或者降落过程中，利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号；分析该超声回波信号，以此确定该无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物；

当确定该无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时，利用双目摄像模块对该无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄，从而采集得到相应的双目影像；分析该双目影像，以此确定该障碍物的存在位置和形状尺寸；

根据该障碍物的存在位置和形状尺寸，调整该无人机机体的飞行状态，从而使该无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式。

上述技术方案的有益效果为：该基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法以无人机机体作为水文监测的主体，通过控制该无人机机体在目标水体区域上方进行飞行巡查与拍摄，即可实现对目标水体区域的水文摄像监测。而在无人机机体进行飞行或者降落的过程中，会无可避免地存在相应的障碍物，这些障碍物不仅影响无人机机体的巡查拍摄的准确性，还会影响无人机机体的正常飞行。通过在无人机机体上设置超声波测距模块和双目摄像模块，将超声测距和双目摄像测量两个方式结合在一起，以此确定无人机机体在飞行或者降落过程中障碍物的存在情况，针对障碍物的存在位置和形状尺寸，将无人机机体切换至避障飞行模式，以使无人机机体能够快速及时地躲避障碍物，从而在飞行或者降落期间始终保持顺利平稳的航行和提高无人机机体在水文监测过程中的避障准确性。

优选地，该无人机水文监测自主避障方法还包括：

分析该超声回波信号，以此确定该无人机机体是否降落在水面上；

当确定该无人机机体降落在水面上，则利用水流传感器检测降落区域在该无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量；其中，该水流流速矢量包括水流速率和水流方向；

根据该水流流速矢量，确定该无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；

根据该航行阻力，调整该无人机机体的旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度，从而使该无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行。

上述技术方案的有益效果为：超声波测距模块向外界扫描发射超声波信号，当该超声波信号在传输过程中遇到障碍物或者水面时，该超声波信号会被障碍物或者水面反射，从而形成相应的超声回波信号。不同形状的障碍物或者水面形成的超声回波信号的信号强度分布是不同的，通过分析该超声回波信号的信号强度分布，能够判断无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物或者是否降落在水面上，该对超声回波信号的信号强度分布处理属于本领域的常规方式，这里不做详细的累述。此外，当无人机机体降落在水面上时，无人机机体的浮筒会受到水流的作用，即无人机机体在水面上航行过程中会受到相应的水流阻力，通过设置在浮筒上的水流传感器检测降落区域在该无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量，并结合相应的水流力学计算过程，能够得到该无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；其中，该水流力学计算过程属于流体力学计算的常规方式，这里不做详细的累述。随后，当确定该航行阻力后，能够适应性地增大该旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼加快自身的旋转速度，从而使对该无人机机体额外施加的驱动力能够抵消该航行阻力，从而使该无人机机体能够沿着指定路径在水面上平稳航行。

优选地，根据该障碍物的存在位置和形状尺寸，调整该无人机机体的飞行状态，从而使该无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括：

根据该障碍物的存在位置，确定该无人机机体与该障碍物之间的实际距离；

将该实际距离与预设距离阈值进行比对；

若该实际距离大于或等于预设距离阈值，则保持该无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变；

若该实际距离小于预设距离阈值，则将减小该无人机机体的飞行速度，同时根据该障碍物的形状尺寸，确定该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物存在重叠；

若该无人机机体当前的飞行路径不与该障碍物存在重叠，则增大该无人机机体的飞行速度；

若该无人机机体当前的飞行路径与该障碍物存在重叠，则改变该无人机机体的飞行方向，从而使该无人机机体的飞行路径远离该障碍物。

上述技术方案的有益效果为：当该无人机机体与该障碍物之间的实际距离大于或者等于预设距离阈值，则表明该无人机机体与该障碍物的距离足够远，其并不存在无人机机体与障碍物发生相撞的危险，此时可保持该无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变，以保证无人机机体的正常飞行。当该该无人机机体与该障碍物之间的实际距离小于预设距离阈值，则表明该无人机机体与该障碍物的距离较近，其存在无人机机体与障碍物发生相撞的危险，此时需要控制该无人机机体进行减速；同时，根据该障碍物的形状尺寸，确定该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物存在重叠，即判断该无人机机体当前的飞行路径是否穿过该障碍物。若该无人机机体当前的飞行路径不与该障碍物存在重叠，表明该无人机机体按照当前的飞行路径飞行并不会与该障碍物发生碰撞，此时重新增大该无人机机体的飞行速度，这样能够提高该无人机机体的水文监测巡查效率。若该无人机机体当前的飞行路径与该障碍物存在重叠，表明该无人机机体按照当前的飞行路径飞行会与该障碍物发生碰撞，此时改变该无人机机体的飞行方向(比如指示该无人机机体进行向上爬升等)，这样能够使该无人机机体的实际飞行路径远离该障碍物。

优选地，分析该双目影像，以此确定该障碍物的存在位置和形状尺寸具体包括：

对该双目影像进行灰度化与二值化转换处理后，得到关于该障碍物的二值化双目影像；对该二值化双目影像包含的两个影像进行比对，以此得到两个影像中关于障碍物的匹配像素点；根据关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与该障碍物之间的距离；再将关于障碍物的匹配像素点对该二值化双目影像进行合并，根据合并后的二值化双目影像，以此确定该障碍物的形状尺寸，其具体包括：

步骤S1，由于无人机的双目摄像模块包含的两个摄像头对于无人机而言是左右放置的，故在对该二值化双目影像包含的两个影像进行比对时，需要保证两个摄像头各自拍摄的左右影像的行像素一一对应，在保证左影像不动的情况下，使右影像的列像素从以开始与左影像重叠起依次向右移动一列，并利用下面公式(1)，确定右影像在依次向右移动过程中与左影像之间重叠像素的百分比，当该百分比具有最大值时，表明右影像与左影像之间的重叠像素最多，此时左右影像重叠部分对应的像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点，

在上述公式(1)中，K(a)表示右影像向右移动a列后与左影像之间重叠像素的百分比；D_r(i,j)表示二值化双目影像中右影像的第i行第j列像素点的像素值；D_l(i,j+a)表示二值化双目影像中左影像的第i行第j+a列像素点的像素值；n表示二值化双目影像中左右影像的每一列像素包含的像素点总数；m表示二值化双目影像中左右影像的每一行像素包含的像素点总数；

将a的值从1取到m-1代入到上述公式(1)中，并确定K(a)具有最大值时，a对应的取值；再将右影像向右移动对应的a值的列数，此时右影像与左影像之间的重叠像素最多，相应地右影像与左影像之间重叠部位的重叠像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点；

步骤S2，利用下面公式(2)，根据关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与该障碍物之间的距离，

在上述公式(2)中，H表示无人机的双目摄像模块与该障碍物之间的距离；f表示双目摄像模块中摄像头的焦距；T表示双目摄像模块中左右两个摄像头各自的中心位置之间的距离；d表示双目影像中相邻两个像素点之间的横向距离值；j_l(e)表示第e个匹配像素点在左影像中对应的列数值；j_r(e)表示第e个匹配像素点在右影像中对应的列数值；

利用上述公式(2)，即可根据无人机的双目摄像模块与该障碍物之间的距离，得到该障碍物的位置。

优选地，根据该障碍物的形状尺寸，确定该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物存在重叠具体包括：

利用下面公式(3)，将关于障碍物的匹配像素点对该二值化双目影像进行合并，根据合并后的二值化双目影像，以此确定该障碍物对应的像素面积，以此作为该障碍物的形状尺寸，

在上述公式(3)中，S表示该障碍物对应的像素面积；a_max表示将a的值从1取到m-1代入到上述公式(1)中，并确定K(a)具有最大值时，a对应的取值；

当上述公式(3)计算得到的像素面积S不等于0，表明该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物存在重叠；

当上述公式(3)计算得到的像素面积S等于0，表明该无人机机体当前的飞行路径是否与该障碍物不存在重叠。

上述技术方案的有益效果为：利用上述公式(1)计算出在右影像依次向右移动的过程中重叠像素的百分比，进而得到最大百分比，此时右影像与左影像的重叠像素最多，从而将所述双目影像准确的匹配成功；再利用上述公式(2)根据两个影像中关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与障碍物之间的距离，进而根据无人机的双目摄像模块与障碍物之间的距离知晓所述障碍物的位置，从而保证后续避障的可靠性；最后利用上述公式(3)根据两个影像中关于障碍物的匹配像素点对双目影像进行合并，根据合并后的二值化影像得到障碍物的像素面积，根据障碍物的像素面积以及合并后的二值化影像即可知晓障碍物的形状尺寸，进而保证无人机可以可靠准确的进行避障控制。

从上述实施例的内容可知，该基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统和方法在无人机机体飞行或者降落过程中，利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号和双目摄像模块对无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄而得到双目影像，分析超声回波信号和双目影像，确定无人机机体在飞行或者降落过程中的障碍物的存在位置和形状尺寸，以此调整无人机机体的飞行状态，从而使无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式，其通过超声测距和双目拍摄相结合的方式，对无人机在水文监测过程中快速和准确地识别障碍物的存在情况，以此使无人机能够自动躲避障碍物，从而提高无人机在水文监测过程中的避障准确性、缩短水文监测的周期和降低监测成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统，其特征在于，其包括无人机机体、超声波测距模块、双目摄像模块、数据处理模块和飞行控制模块；其中，

所述无人机机体用于对目标水体区域进行水文摄像监测；

所述无人机机体的下方设置有所述超声波测距模块和所述双目摄像模块；

所述超声波测距模块用于在所述无人机机体飞行或者降落过程中，向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号；

所述数据处理模块用于分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物；

所述双目摄像模块用于在确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时，对所述无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄，从而采集得到相应的双目影像；

所述数据处理模块还用于分析所述双目影像，以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸；

所述飞行控制模块用于根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式。

2.如权利要求1所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统，其特征在于：

所述无人机机体包括无人机机身、力臂、旋翼、旋翼电机、脚架、浮筒、电子调速器、水流传感器和挂载机构；

所述力臂与所述无人机机身铰接；

所述旋翼电机设置在所述力臂的尾端，所述旋翼电机的旋转轴与所述旋翼连接；

所述脚架设置在所述无人机机身的下部，所述浮筒设置在所述脚架上；

所述飞行控制模块通过所述电子调速器与所述旋翼电机连接，从而驱动所述旋翼电机运转以改变旋翼的旋转速度；

所述浮筒上设置有所述水流传感器；

所述超声波测距模块和所述双目摄像模块通过所述挂载机构插接在所述无人机机体的下方。

3.如权利要求2所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统，其特征在于：

所述力臂的数量为四个，四个力臂沿周向均匀铰接在所述无人机机身上；

所述旋翼电机的数量为四个，每个旋翼电机一一对应设置在所述力臂上；

所述旋翼的数量为四个，每个旋翼一一对应地与所述旋翼电机的旋转轴连接；

所述脚架的数量为两个，两个脚架对称设置在所述无人机机身的下部，每个脚架通过螺钉连接在所述无人机机身的下部；

所述无人机机身内部还设置有锂电池，所述锂电池与每个旋翼电机供电连接。

4.如权利要求2或3所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统，其特征在于：

所述数据处理模块还用于分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体是否降落在水面上；

当确定所述无人机机体降落在水面上，则通过所述水流传感器检测降落区域在所述无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量；其中，所述水流流速矢量包括水流速率和水流方向；

所述数据处理模块用于根据所述水流流速矢量，确定所述无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；

所述飞行控制模块用于根据所述航行阻力，调整所述旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度，从而使所述无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行。

5.如权利要求2或3所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统，其特征在于：

所述飞行控制模块根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括：

根据所述障碍物的存在位置，确定所述无人机机体与所述障碍物之间的实际距离；

将所述实际距离与预设距离阈值进行比对；

若所述实际距离大于或等于预设距离阈值，则保持所述无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变；

若所述实际距离小于预设距离阈值，则将减小所述无人机机体的飞行速度，同时根据所述障碍物的形状尺寸，确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠；

若所述无人机机体当前的飞行路径不与所述障碍物存在重叠，则增大所述无人机机体的飞行速度；

若所述无人机机体当前的飞行路径与所述障碍物存在重叠，则改变所述无人机机体的飞行方向，从而使所述无人机机体的飞行路径远离所述障碍物。

6.基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法，其特征在于，其包括：

当无人机机体对目标水体区域进行水文摄像监测时，在所述无人机机体飞行或者降落过程中，利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号；分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物；

当确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时，利用双目摄像模块对所述无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄，从而采集得到相应的双目影像；分析所述双目影像，以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸；

根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整所述无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式。

7.如权利要求6所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法，其特征在于：

所述无人机水文监测自主避障方法还包括：

分析所述超声回波信号，以此确定所述无人机机体是否降落在水面上；

当确定所述无人机机体降落在水面上，则利用水流传感器检测降落区域在所述无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量；其中，所述水流流速矢量包括水流速率和水流方向；

根据所述水流流速矢量，确定所述无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力；

根据所述航行阻力，调整所述无人机机体的旋翼电机的转速，以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度，从而使所述无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行。

8.如权利要求6所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法，其特征在于：

根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸，调整所述无人机机体的飞行状态，从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括：

根据所述障碍物的存在位置，确定所述无人机机体与所述障碍物之间的实际距离；

将所述实际距离与预设距离阈值进行比对；

若所述实际距离大于或等于预设距离阈值，则保持所述无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变；

若所述实际距离小于预设距离阈值，则将减小所述无人机机体的飞行速度，同时根据所述障碍物的形状尺寸，确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠；

若所述无人机机体当前的飞行路径不与所述障碍物存在重叠，则增大所述无人机机体的飞行速度；

若所述无人机机体当前的飞行路径与所述障碍物存在重叠，则改变所述无人机机体的飞行方向，从而使所述无人机机体的飞行路径远离所述障碍物。

9.如权利要求8所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法，其特征在于：

分析所述双目影像，以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸具体包括：

对所述双目影像进行灰度化与二值化转换处理后，得到关于所述障碍物的二值化双目影像；对所述二值化双目影像包含的两个影像进行比对，以此得到两个影像中关于障碍物的匹配像素点；根据关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离；再将关于障碍物的匹配像素点对所述二值化双目影像进行合并，根据合并后的二值化双目影像，以此确定所述障碍物的形状尺寸，其具体包括：

步骤S1，由于无人机的双目摄像模块包含的两个摄像头对于无人机而言是左右放置的，故在对所述二值化双目影像包含的两个影像进行比对时，需要保证两个摄像头各自拍摄的左右影像的行像素一一对应，在保证左影像不动的情况下，使右影像的列像素从以开始与左影像重叠起依次向右移动一列，并利用下面公式(1)，确定右影像在依次向右移动过程中与左影像之间重叠像素的百分比，当所述百分比具有最大值时，表明右影像与左影像之间的重叠像素最多，此时左右影像重叠部分对应的像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点，

在上述公式(1)中，K(a)表示右影像向右移动a列后与左影像之间重叠像素的百分比；D_r(i,j)表示二值化双目影像中右影像的第i行第j列像素点的像素值；D_l(i,j+a)表示二值化双目影像中左影像的第i行第j+a列像素点的像素值；n表示二值化双目影像中左右影像的每一列像素包含的像素点总数；m表示二值化双目影像中左右影像的每一行像素包含的像素点总数；

将a的值从1取到m-1代入到上述公式(1)中，并确定K(a)具有最大值时，a对应的取值；再将右影像向右移动对应的a值的列数，此时右影像与左影像之间的重叠像素最多，相应地右影像与左影像之间重叠部位的重叠像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点；

步骤S2，利用下面公式(2)，根据关于障碍物的匹配像素点，得到无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离，

在上述公式(2)中，H表示无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离；f表示双目摄像模块中摄像头的焦距；T表示双目摄像模块中左右两个摄像头各自的中心位置之间的距离；d表示双目影像中相邻两个像素点之间的横向距离值；j_l(e)表示第e个匹配像素点在左影像中对应的列数值；j_r(e)表示第e个匹配像素点在右影像中对应的列数值；

利用上述公式(2)，即可根据无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离，得到所述障碍物的位置。

10.如权利要求9所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法，其特征在于：

根据所述障碍物的形状尺寸，确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠具体包括：

利用下面公式(3)，将关于障碍物的匹配像素点对所述二值化双目影像进行合并，根据合并后的二值化双目影像，以此确定所述障碍物对应的像素面积，以此作为所述障碍物的形状尺寸，

在上述公式(3)中，S表示所述障碍物对应的像素面积；a_max表示将a的值从1取到m-1代入到上述公式(1)中，并确定K(a)具有最大值时，a对应的取值；

当上述公式(3)计算得到的像素面积S不等于0，表明所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠；

当上述公式(3)计算得到的像素面积S等于0，表明所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物不存在重叠。

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