[发明专利]一种基于视觉着陆的四旋翼飞行器及控制方法

说明书

本发明属于飞行器技术领域，公开了一种基于视觉着陆的四旋翼飞行器及控制方法，将一个区域内的所有角点转换成一个单值角点，指定四旋翼飞行器着陆进场方向和获取四旋翼飞行器空间点到像素点坐标；求解出机体系与摄像头系的变换关系后，通过视觉模式下的姿态与位置转换算法和视觉着陆控制算法解算出四旋翼飞行器的姿态和位置，使的四旋翼飞行器自主着陆。本发明减小了计算量；设计了四旋翼视觉模式下的姿态与位置转换算法，得到视觉模式下的姿态和位置；本发明以低成本商用MEMS传感器、数字摄像头、GPS和ARM‑CortexM4为内核的STM32F407、32位微处理器搭建微型四旋翼实验平台。

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，尤其涉及一种基于视觉着陆的四旋翼飞行器及控制方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

四旋翼(Quadrotor)具有体积小，成本低，适应性强等特点在民用发面快速发展，如：电影的拍摄、包裹的运输、无线网络传感器的搭建、在农业中用于喷洒农药和播种、电力的巡查、地形的测绘、气象信息的探测和火灾等灾情的救援和搜索。一般而言，四旋翼采用GPS进行导航定位，在室内、近地面或者某些GPS信号不好的环境下，四旋翼的导航精度会降低。视觉着陆是一种借用视觉导航的方法，可以实现四旋翼的辅助定位，并且能够实现四旋翼在特殊场合需求下的自动着陆。因此，研究基于视觉着陆技术的四旋翼的姿态与位置算法具有重要的理论意义和实际应用价值。

国内外的高校相继开展研究了视觉着陆，成果丰硕。南加州大学的Saripalli等人基于AVATAR直升机为实验平台，利用直升机上的摄像头对“H”型的地面标志图像中的特征角点检测，并对标志图像进行识别。由识别到的图像信息计算飞行器的位置和姿态信息，来控制直升机着陆。韩国首尔大学的D Lee等人利用基于图像的视觉伺服(Image-basedVisual Servo,IBVS)技术提出了一种基于视觉的算法，将标志图像放置在可移动的实验平台上，然后通过视觉算法让四旋翼对移动平台上的二维图像信息进行识别跟踪，最终成功完成了自主视觉着陆的实验。法国科学技术大学和美国加利福尼亚大学通过四旋翼飞行器上的摄像头来对地面移动的车辆上的二维图像识别，提出了一种位置与姿态的转换算法来估计出四旋翼飞行器与移动车辆之间相对的位置与姿态信息。电子科技大学的陈勇等人针对视觉降落与着陆中的关键问题：地面标志图像的检测识别和无人机的位置与姿态估计，提出了一种极坐标转换的姿态解算方法，并且设计了一种新型地面标志图像，成功通过Hough算法检测到标志图像的直线，快速，准确的完成了着陆。北京航空航天大学的张广军等人，设计一个双圆着陆标志图像，通过提取双圆标志图像中的21个特征点信息，设计了无人机视觉着陆算法，实时解算出相对双圆标志图像的无人机姿态与位置。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有飞行器在室内或者近地面等环境下，GPS易丢失信号而无法工作。

而且现有技术中，飞行器没有利用四旋翼视觉模式下的姿态与位置转换算法，得到视觉模式下的姿态和位置数据信息准确度差。而且在飞行器识别着陆标志以获得姿态与位置数据中，Harris角点检测算法计算量大。

解决上述技术问题的难度：研究了单目视觉的标志图像检测和识别算法的难度在于怎么样快速准确的识别出标志图像的角点信息；视觉模式下的四旋翼相对位姿转换算法的难度在于求解机体系和摄像头系的变换关系。