[发明专利]一种基于视觉定位的四旋翼无人机自主降落方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉定位的四旋翼无人机自主降落方法，为了使四旋翼无人机自主精准的降落在地面起落平台上，以对其进行固定保护、充电续航以及移动运载，设计一个由正三角形和同心圆环组成的视觉识别标志，并基于该识别标志提出一种基于视觉的四旋翼无人机自主降落新方法。本方法的第一阶段通过识别标志的正三角形解算出无人机与识别标志中心的位置参数；第二阶段利用同心圆环及其内部的航向参考线确定无人机与识别标志中心的位置偏差和偏航角，最终完成无人机的姿态调整和自主降落。通过无人机的降落实验得以验证，该方法能够准确的提取标志特征，实时计算出无人机相对于识别标志的位置信息和角度信息，实现精准降落。

技术领域

本发明应用于电力巡检、医疗救援、环境监控、灾情监测和农业感知等领域。在这些应用中，关键的技术就是无人机的自主着陆，要实现无人机的自主着陆，首要解决的就是标志检测与姿态估计，而本发明正是基于此给出了一种精确地无人机自主降落方法，属于机器学习和图像处理技术领域。

背景技术

随着智能技术、微电子技术、数字通信技术、传感技术和虚拟现实技术等的蓬勃发展，四旋翼无人机在军事上和民用领域都得到大力发展。四旋翼无人机涉及到导航、计算机视觉、控制理论、嵌入式电子等多方面的知识，具有体积小、成本低、机动性灵活、可垂直起降等特点，不仅被应用于医疗救援、环境监控、灾情监测、远程遥感等领域，而且也越来越多地应用于农业感知和电力检修等特殊领域。而在无人机的应用中最具挑战的任务之一就是无人机的自主飞行，要实现自主飞行就要实现无人机的精确自主着陆。传统的无人机自主着陆导航方法主要有惯性导航、GPS导航和INS/GPS组合导航等方式。惯性导航由于要进行积分运算，随着运行时间的增加，其累积误差越来越大，甚至发散，而民用领域的GPS精度有限且高精度GPS成本较高，因此，传统的导航方法很难实现无人机的精确降落。

随着计算机视觉(CV)技术的大力发展，利用视觉获得的图像信息实现无人机的姿态估计被广泛应用于无人机自主控制。

无人机的视觉定位与导航技术是一种多学科交叉发展而兴起的前沿方式，通过摄像机等成像装置获取图像，对得到的图像进行处理分析，从而获取运动目标位置和姿态信息。视觉定位与导航方法无需依靠地面和空中导航设备，能够通过摄像机实时获取的图像提取丰富的信息，使无人机具有较好的自主运动性能。视觉定位与导航在无人机上的应用前景十分广阔，也是未来无人机自主控制领域研究的重要方向，因此，开展对视觉定位的系统关键技术研究意义重大。

1、视觉定位具有以下技术特点和优势：(1)自成体系，无需地面和空中导航设备辅助；(2)成本低、功耗小、抗干扰能力强。主要依靠机载相机获取信息，不受电磁等影响；(3)交互能力强，与周围环境信息相互补充、协调；(4)实现自主定位与跟踪，通过计算相邻帧影像位置关系来得到载体的位姿、运动速度等导航参数，实现载体的避障、路径规划与场景的实时三维重构等任务，进而实现定位的自主性以及目标跟踪。

2、目前无人机视觉定位主要存在问题：

(1)无人机视觉定位的实时性有待进一步提高

无人机精确定位时对算法的实时性要求很高，视觉定位中主要涉及到图像的获取、识别与处理，位姿的解算等内容，由于算法处理方面的不足以及硬件处理设备的限制，导致图像处理时间损耗较大，对于无人机实现实时精确定位十分不利。因此在算法优化等方面需要做大量的研究工作。

(2)基于视觉的无人机定位的位姿解算精度有待提高

受限于像机设备的客观不足、图像特征提取精度的不高以及外部环境的复杂性，在位姿解算中需要的图像特征信息不能够很好的被利用，造成位姿解算结果有一定的局限性。另外在不同时刻、不同天气状况下飞机处于不同高度的状态时，拍摄的图像质量都对位姿解算结果影响较大，因此还需要对此类问题进行深入的分析研究。

发明内容

本发明设计了一个由正三角形和同心圆环组成的视觉识别标志，并基于该识别标志提出一种基于视觉的四旋翼无人机自主降落方法，来完成无人机的姿态调整和自主精准降落。