[发明专利]一种无人机球体感知与捕捉装置及方法

权利要求书

1.一种无人机球体感知与捕捉装置，包括机载主机(5)，机载主机(5)为十字形支架结构，其特征在于，十字形支架中间上表面具有飞控(4)和深度相机(6)，所述飞控(4)通过串口与机载主机(5)相连，每个支架末端具有电调(3)，所述电调(3)的信号输入线与飞控(4)连接，每个支架末端延伸连接有无刷电机(2)，所述电调(3)的输出端通过导线与无刷电机(2)连接，所述无刷电机(2)的转子轴上安装螺旋桨(1)，网兜架(7)固定安装在机架(8)上，所述机载主机(5)获取深度相机(6)的传感器信息并计算，将感知与捕捉球体的智能方法计算所得的无人机的控制量信息通过串口发送至飞控(4)，由飞控(4)控制电调(3)，电调(3)控制无刷电机(2)的位置和转速从而控制无人机运动。

2.根据权利要求1所述的无人机球体感知与捕捉装置，其特征在于，所述机载主机(5)包括三大模块：球体识别模块(10)，球体轨迹预测模块(11)，无人机轨迹规划模块(12)。

3.一种利用如权利要求1-2任一项所述的无人机球体感知与捕捉装置进行无人机球体感知与捕捉的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：球体识别；

步骤2：球体轨迹预测；

步骤3：无人机轨迹规划。

4.根据权利要求3所述的无人机球体感知与捕捉方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤20，获取深度相机的RGB图像及深度信息；

步骤21，对RGB图像进行预处理；

步骤22，HSV彩色图像分割；

步骤23，形态学滤波；

步骤24，二值化处理，轮廓检测，并通过位与运算提取图像中轮廓选定的区域；

步骤25，对图像进行霍夫圆检测，同时提取步骤24中检测到的每一个轮廓的最小覆盖圆，如检测到的霍夫圆与最小覆盖圆面积差不超过阈值，且霍夫圆圆心在该轮廓内，则取该霍夫圆为目标球体的外轮廓，其圆心记为(x_h,y_h)，半径记为r_h；如不满足，则跳过并进入下一个循环；

步骤26，从深度相机的深度信息中获取圆心(x_h,y_h)处的深度值z；

步骤27，对圆心(x_h,y_h)进行相机内参转换，获取相机坐标系下的目标球体平面中心坐标为(x,y)；

步骤28，将识别到的目标球体中心坐标观测值(x,y,z)及发出消息的时间t发送至球体轨迹预测模块；

重复执行步骤20-28即可实现球体的实时识别。

5.根据权利要求3所述的无人机球体感知与捕捉方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：

步骤30：构建球体动力学模型；在自由落体方程中加入风阻，并优化动力学方程；

步骤31：球体初速度获取；利用视觉采样的前后两帧图像中球体的位置进求球体初速度；

步骤32：基于卡尔曼滤波的球体位姿估计；利用卡尔曼滤波估计球体姿态；

步骤33：基于物理模型的球体轨迹预测；根据球体动力学模型计算出在未来t时刻球体的位置；

步骤34：阻力系数优化；在基于卡尔曼滤波的球体位姿估计和基于物理模型的球体轨迹预测的同时，用非线性最小二乘法优化阻力系数；

步骤32、33、34在球体识别的一帧至下一帧采样之间完成，每一次循环过程中优化读取的球体坐标点以及阻力系数，当误差值小于阈值时，即得到最后预测的t时刻的小球坐标p_f＝(x_f,y_f,z_f)T，将其发送给无人机轨迹规划模块。