[发明专利]一种无人机视觉编队飞行控制系统

说明书

本发明公开了一种无人机视觉编队飞行控制系统，属于无人机控制领域。本发明的无人机视觉编队飞行控制系统，图像处理系统基于适应性处理方法，能够通过探测标志物体计算出每架无人机的实时三维位置，并推导出实时的移动速度，在标志物体探测失败的情况下也能正常运行。编队飞行智能控制系统根据图像处理算法得到的飞机的位置信息、速度和姿态信息，结合编队系统的运动学模型和分离饱和非线性控制方法，实时计算无人机所需的控制量并传给作动机构，作动机构驱使无人机编队系统在编队队形不变的前提进行碰撞规避。本发明能够在保持编队队形不变的前提下实现碰撞规避，提高了编队飞行的安全性。

技术领域

本发明属于无人机控制领域，尤其是一种无人机视觉编队飞行控制系统。

背景技术

受限于单架无人机的负载能力以及续航能力，完成复杂的飞行任务对于单架无人机尤其是微小型无人机而言是个巨大挑战，这也是无人机编队飞行越来越受到重视的原因。通常情况下，为了避免不必要的电量消耗以及增加无人机的飞行机动能力，无人机对载荷有着严格的要求。标准的无人机搭载的惯导单元是陀螺仪和加速度计，其中陀螺仪用于估计无人机实时的三轴角速度，而加速度计用于测量无人机实时的三轴加速度值，再配合GPS获取的位置信息使得无人机能够实时地获取到用于控制的所有必需状态信息。但是只有无人机处于室外且远离市区这些状态信息才是可靠的。对于无人机编队飞行控制而言，准确可靠的状态信息是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服无人机处于室外且远离市区时状态信息才准确可靠的缺点，提供一种无人机视觉编队飞行控制系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种无人机视觉编队飞行控制系统，包括硬件系统和软件系统；

硬件系统包括无人机系统、地面站系统和单目成像系统；

无人机系统由n架无人机组成，每架无人机上均搭载有飞控电路板、惯性传感器、气压传感器、电池电压测量模块以及通信模块；

地面站系统由移动计算机、飞行操纵杆、无线电调制解调器和视频接收系统组成，用于向无人机发送指令并且实时监视飞机状态信息；

单目成像系统用于拍摄图像并将拍摄的每一帧图像发送给软件系统；

软件系统包括图像处理系统和编队飞行智能控制系统；

图像处理系统，用于基于探测标志物体计算出每架无人机的实时三维位置，并推导出实时的移动速度；当标志物体探测失败时，基于搭载的光流传感器的光流数据，结合光流计算公式，实时估计平移速度；

编队飞行智能控制系统，用于根据飞机的位置信息、速度和姿态信息，结合编队系统的运动学模型和分离饱和非线性控制方法，实时计算无人机所需的控制量，并将所述控制量发送给无人机的作动机构。

进一步的，所述图像处理系统的工作流程为：

采用适应性处理算法在每帧视觉图像的基础上对摄像头的外部参数进行处理；

对标志性物体的检测，设标志性物体是四边形物体，以四边形物体的四个顶点为圆心构造半径不相同的虚拟圆，对每个虚拟圆进行探测，根据虚拟圆大小进行分类，从而辨识出标志性物体的地理方位；

基于四边形的对边斜率差在预设范围内，对标志性物体的检测结果进行检验，通过检验则为有效的标志性物体的地理方位；

利用初始时四个圆心的地理位置坐标和方位计算适应性矩阵，基于所述适应性矩阵和摄像矩阵计算出摄像头参数，由此计算得到无人机相对标志物体的位置；其中，摄像矩阵由摄像头的安装位置确定；

基于视觉系统对无人机运动速度进行估计。

进一步的，适应性处理算法的计算过程为：