[发明专利]一种基于Opencv图像处理的四旋翼飞行器空中自主抓取作业的控制方法

说明书

本发明提出了一种基于Opencv图像处理的四旋翼飞行器空中自主抓取作业的控制方法。四旋翼飞行器作业系统由四旋翼飞行器和作业装置两部分组成，其中作业装置由对称安装于四旋翼飞行器下方的机械臂和重心平衡机构构成。本发明利用四旋翼飞行器上的摄像头获取被抓目标及人工标志的图像，利用Opencv处理图像并解算摄像头位姿信息，从而得到四旋翼飞行器的位姿信息，根据四旋翼飞行器的位姿信息分级控制四旋翼飞行器、机械臂及重心平衡机构。本发明拓宽了四旋翼飞行器的应用领域，既可在室内也可在周边建筑密集的室外环境下进行空中作业，提高了空中作业精度。

技术领域

本发明涉及空中机器人控制技术领域，特别是涉及一种基于Opencv图像处理的四旋翼飞行器空中自主抓取作业的控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器凭借机动灵活、便于携带等特点一直是军事和商业领域的研究热点,在航拍勘测、农药喷洒植保、目标跟踪定位等领域应用广泛。相对于地面移动机器人的移动作业，具有空中作业能力的无人飞行器将作业空间扩展到了三维，这拓宽了无人机的应用领域，在复杂环境下危险物体的搬运、勘测设备的放置与回收、空中目标的抓取等方面有着广阔的应用前景。

在对四旋翼飞行器的研究中，位姿估计问题即定位问题一直是研究的核心问题。四旋翼飞行器自身位姿的精确估计是四旋翼飞行器控制、避障、路径规划、暂栖、抓取等研究方向的重要基础和前提。目前四旋翼飞行器的定位主要有两类方法：一类是基于四旋翼飞行器自身视觉获得位置信息。另一类是基于外部设备提供位置信息，如全球卫星定位系统(GPS)，运动捕捉系统。但GPS易受周边环境与气候的影响，在室内或周边建筑密集的情况下，无人机难以依靠GPS获取准确位置信息。而运动捕捉系统只能用于实验室等特定的研究场所，这限制了四旋翼飞行器的应用范围。

发明内容

为了解决上述存在的问题，针对四旋翼飞行器利用自身携带的机械臂抓取物体时要求抓取精确高，作业过程稳定性强以及操作简单、灵活等特点，本发明提供一种基于Opencv图像处理的四旋翼飞行器空中自主抓取作业的控制方法，拓宽了四旋翼飞行器的应用领域，既可在室内也可在周边建筑密集的室外环境下进行空中作业，提高了空中作业精度，为达此目的，本发明提供一种基于Opencv图像处理的四旋翼飞行器空中自主抓取作业的控制方法，具体步骤如下：

步骤一：构建系统实施平台，所述系统实施平台由四旋翼飞行器和空中作业装置两部分组成，其中空中作业装置包括一个三自由度的机械臂和一个单自由度的重心平衡机构；分别对空中作业装置和四旋翼飞行器推导运动学和动力学方程；

步骤二：标定摄像头后，选用ArUco库中的任一标志，使用基于OpenCV_ArUco的识别算法识别定位标志，将标志在摄像头坐标系下的位置和姿态信息转换为摄像头在世界坐标系的位姿信息；

步骤三：整个控制系统分为三个级别，分别是飞行器控制、机械臂控制、重心平衡机构控制；设定一个空中作业范围值S，根据由图像处理得到四旋翼飞行器位姿信息判断四旋翼飞行器的分级控制，如果四旋翼飞行器未进入空中作业范围，控制四旋翼飞行器靠近或远离人工标志直至进入空中作业范围，否则，四旋翼飞行器悬停，规划机械臂各关节角度并计算出重心平衡机构关节运动角度以减小机械臂运动对四旋翼飞行器的扰动，控制机械臂自主抓取目标。

本发明的进一步改进，步骤一中对作业装置和四旋翼飞行器推导运动学和动力学方程步骤如下：