[发明专利]一种利用单目视觉和机载传感器旋翼无人机自主抓取方法

说明书

本发明涉及旋翼无人机的技术领域，更具体地，涉及一种利用单目视觉和机载传感器旋翼无人机自主抓取方法。该方法包括：被抓取目标的检测及跟踪，目标和飞行器的相对位置估计，飞行器的飞行控制，目标抓取点检测，抓取策略及机械臂的控制。由于本发明的实施实例将非机器学习方法和机器学习方法融合并应用于目标检测，跟踪，抓取点检测中，提高了飞行器自主检测的鲁棒性，同时使用策略的方式将视觉，位置估计，控制等方法进行集成，也提高了飞行器自主抓取物体的成功率。所提出的方法计算量小，实时性高，可在机载嵌入式系统TK1实现。

技术领域

本发明涉及旋翼无人机的技术领域，更具体地，涉及一种利用单目视觉和机载传感器旋翼无人机自主抓取方法。

背景技术

旋翼飞行器由于其相对固定翼飞行器具有可垂直起落、低空悬停、机动转向快速的优点，目前已经广泛应用在军事、农业、航空拍摄等领域，而旋翼飞行器对一般物体进行自主抓取等一系列和物理世界实现自主交互的技术近年来已成为研究的热点，这类技术在利用旋翼飞行器进行高空作业，物品配送等方面具有广阔的应用前景。

旋翼飞行器自主抓取系统主要通过设计飞行器的视觉检测算法，定位算法，飞行器和机载机械臂控制算法以及相应的抓取策略来实现，根据视觉算法和定位算法检测得到目标物体相对于飞行器的位置，结合抓取策略，调整云台摄像机的角度以及飞行器的飞行方向和速度，机械臂各个关节的转动角度进而使飞行器能有效的实现自主抓取一般物体。

国内外众多研究院所，高校也同样在旋翼飞行器自主抓取方面做了大量的探索。目前的技术方案主要集中于人工远程遥控抓取和基于特定物体的视觉伺服的自主抓取。前者需要通过人工调整来改变飞行器及机械臂的状态，主要研究的是飞行器与负载结合的动力学模型，力求在任务执行的过程中保持飞行器的稳定，继而实现整个抓取过程，这种技术方案相对容易实现，但在实际操作中仍需要经验丰富的操作人员。后者主要是将视觉检测，视觉定位和控制算法结合起来，能够在带有标识的特定物体和特定环境的情况下的实现快速、高效地抓取，但是该方案实现的前提条件比较严格，在现实中场景中难以灵活运用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种利用单目视觉和机载传感器旋翼无人机自主抓取方法，其将机器学习方法引入到系统的视觉模块，降低视觉伺服方案中对特定物体，特定环境的依赖程度的方法。同时提供了将检测，定位和控制集于一体的决策策略，从而提高旋翼飞行器实现完全自主的物体抓取任务的成功率。

本发明的技术方案是：一种利用单目视觉和机载传感器旋翼无人机自主抓取方法，其中，包括以下步骤：

S1.飞行器起飞，通过云台摄像机回传的图像，飞行器在预设高度检测视野范围内检测被抓取目标在图像中的位置；

S2.若飞行器检测到目标，飞行器进入抵近阶段；飞行器终止目标检测模块，启用视觉跟踪模块持续跟踪目标，同时根据机载惯性测量单元，超声波，气压计等传感器回传的信息，实时计算飞行器和目标之间的相对位置，控制飞行器向目标所在位置运动；

S3.当飞行器抵近目标，飞行器进入抓取阶段；飞行器维持悬停状态，同时启用抓取点检测模块，实时检测被抓取目标合适的抓取位置，计算抓取位置和飞行器之间的相对距离，控制机械臂实施抓取任务；

S4.飞行器完成抓取任务，终止视觉跟踪模块和抓取点检测模块，飞行器上升至安全高度，完成自主抓取任务。

所述的目标检测和跟踪分别采用Edge Boxes和KCF算法。