[发明专利]一种基于双目视觉技术的无人机实时避障方法

权利要求书

1.一种基于双目视觉技术的无人机实时避障方法，其特征在于，双目视觉实时避障系统包括无人机本体、遥控器和设置在无人机本体上控制器、计算单元、双目相机，双目相机与控制器之间电连接，遥控器与控制器之间通过无线通信模块进行通讯；

基于该系统进行无人机实时避障的方法，包括如下步骤：

步骤一、无人机在飞行过程中，通过双目相机采集视差图，并进行三维重构，计算深度；

步骤二、设置无人机避障阈值Zmax，识别小于避障阈值Zmax范围内的障碍物；所述设置无人机避障阈值Zmax包括如下过程：

1)、设定障碍物到相机光心连线的垂直的距离Z，

上式中，b为两个相机光心之间的距离，d为两个光心与障碍物连线与焦距所在平面的交点间距，f为相机的焦距，设定两个相机的焦距相同，b、f由标定获得，为定值；

2)、在测量障碍物到相机光心连线的垂直的距离时，会存在测量误差：

2.1)、确定绝对误差ΔZ：

绝对误差ΔZ和相机光心连线的垂直的距离Z的平方成正比，Δd为视差的测量误差，认定为1个像素；

因此，障碍物到相机的距离在双目测距中的测量结果为

所以最极端的情况为无人机距离障碍物的测量距离为设定飞行速度为v，那么无人机与障碍物碰撞发生的时间将为：

设定处理一帧深度图像的耗时为t_f，且暂时不考虑数据传输与指令执行时间，则要保证无人机避障安全则必须满足：

t≥t_f (1.4)，

由此，计算出t＝t_f、且v为无人机最大飞行速度时，无人机与障碍物之间的距离Z₁；

2.2)、相对测量误差约束

由公式(1.3)和(1.4)已经可以直接计算飞行速度与避障距离的对应关系，在理论上保证飞行安全，但还应该考虑相对测量误差——当相对测量误差过大时，测量结果本身的可信度较低，仅依靠公式(1.4)的约束不足以保证安全，还需要考虑相对测量误差，相对测量误差S的计算公式如式：

由上式可知当距离增加时测量误差随之增大，设定相对测量误差门限设为C，由此计算出S＝C时的距离Z₂；

比较Z₁、Z₂，选取数值较小者作为障碍物的判断阈值Zmax；

步骤三、对视差图进行阈值截断之后，则获取了包含Zmax距离内物信息的图像，将该图像分成n行、m列的小格单元，遍历每个单元小格中的像素，计算单元计算每个像素点被障碍物覆盖的情况，然后计算出每个小格单元内的障碍物填充率δ_i，i＝1,2,...,n*m，n2，m2为正整数，设置两个不同的填充率门限值a和b，ab；

1)、如果δ_ia，则认为该小格单元区域不能飞行，存在障碍物；

2)、如果bδ_ia，则认为该小格单元区域暂定为不确定区域，存在风险；

3)、如果δ_ib，则认为该小格单元没有障碍物，属于安全区域；

将所有δ_ia的区域填充一种颜色，将所有bδ_ia的区域填充另一种颜色，将所有δ_ia的区域填充第三种颜色，统计当前帧视差图的安全区域情况；

步骤四、分析安全区域的尺寸大小和分布情况，结合无人机当前在上下、左右、前后三个方向上的角度和偏航方向，控制器控制无人机前后、左右、上下的运动速度，以及旋转角速率，引导无人机至安全区域飞行；

步骤五、进行双目视觉自动避障的同时，允许用户通过操纵遥控器控制无人机，遥控无人机额外的前后、左右、上下的运动速度v，以及旋转角速率ω；在双目视觉的避障判断与主动操纵遥控器的避障指令间选取时，通过优先级进行决策，决策方法如下：

1)、当通过双目视觉判断无人机处于安全阈值范围内时，可允许用户通过遥控器发送的避障指令发挥作用，同时根据安全距离情况对遥控避障值做阈值限制；

2)、当通过双目视觉判断无人机处于危险阈值区域内时，则遥控指令无效；

步骤六、在地面站中即时显示填充率和指令具体情况，以及避障策略。