[发明专利]一种适用于无人机室内自主降落的位姿估计方法

说明书

本发明公开的一种适用于无人机室内自主降落的位姿估计方法，包括以下步骤：1)图像采集步骤；2)直线段检测步骤；3)合作标志识别步骤；4)相对滚转角估计步骤；5)相对高度估计步骤。本发明采用一种基于单目测量新型合作标志的相对位姿估计方法，可以为无人机自主降落等任务提供滚转角和相对高度等信息，并设计了一种新型合作标志，无需色彩信息，具有指向性，且适用于不同距离情况下的测量，利用一个摄像机对合作标志进行成像，降低了系统复杂度，算法求解上耗时更少，本发明可用于无人机需要定向定位的场合。

技术领域

本发明属于无人机飞行控制与机器视觉交叉融合的技术领域，具体涉及一种适用于无人机室内自主降落的位姿估计方法。

背景技术

近年来，无人机得到了快速的发展，具有飞行稳定、易操控、低噪声、安全危害性小等特点，在航空摄影、电力巡检、灾情考察、军事侦察等多个领域得到越来越广的应用。

无人机在室内进行自主起降过程中，某些场景情况下需要自动将无人机引导至指定降落点进行回收。室外经常使用的导航方式有GPS、北斗等，但其在室内均不可用。定高采用的气压计仅可用来做定高度保持；测距传感器如超声波测距仪、激光测距仪，存在测量范围有限、功耗大等问题；且以上传感器均不能实现对已设定降落点的精确识别。

利用机器视觉为无人机相对位姿估计具有诸多好处，如易实现、功耗低、价格便宜。此技术通过摄像头获取合作标志的图像，通过图像分析获得无人机相对指定坐标系的相对位姿。从而引导其逐渐平稳降落至指定点。

目前对于非GPS/IMU的无人机相对位姿估计技术，现状如下:

专利申请号为201410526631.7的中国专利申请于2015年1月21日公开了一种旋翼无人机精确视觉定位定向方法，其通过视觉分析比对当前所摄图案的几何特征与基准图案的差异，实现定位定向。该方法中使用了彩色的不规则几何图案作为合作标志，仅利用边长信息估算相对距离存在较大误差。由于仅采用了单个固定尺寸的图案，其适用于定距离测量，而无法克服变距离测量时存在的尺度变化问题。

专利申请号为201310444134.8的中国专利申请于2014年1月1日公开了一种四旋翼无人机的超声波定位装置及方法，其通过为无人机安装一组多个超声波模块，利用超声波测距获得与障碍物间的距离，并利用多个模块同时测距，从而得到无人机的相对位置信息。该方法采用超声波传感器测距，超声波传感器测距范围有限、而且容易受到干扰，该定位装置及方法应用场景有限，存在一定不足。

专利号为201210418160.9的中国专利于2013年3月13日公开了一种基于大小回字标志物的多旋翼无人机位姿获取方法，起通过识别一个指定的印有回字的标识牌，用一系列的运算获得无人机当前的位姿信息。该方法中，回字标志不具有方向特征，难以实现无人机的航向获取与定向控制。

以上文献中对于无人机定位定向的研究，对于引导无人机进行自主降落至指定点的应用中，存在一定不足之处。为此，申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有的无人机自主降落过程中相对位姿估计技术的不足，而提供一种无需人工干预、计算量小、精度较高的适用于无人机室内自主降落的位姿估计方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种适用于无人机室内自主降落的位姿估计方法，包括以下步骤：

1)图像采集步骤，当无人机飞行到合作标志正上方并开始缓慢垂直降落的过程中，固定设置在无人机下方的单目相机对包含合作标志的区域进行采集，得到图像I，图像尺寸宽度为M，高度为N，其中单目相机内参数已标定，焦距f、x和y方向单个像元物理尺寸d_x和d_y均为已知；