[发明专利]一种无人机球体感知与捕捉装置及方法

说明书

本发明涉及无人机捕捉飞行物领域，公开了一种无人机球体感知与捕捉装置及方法。该无人机装置与方法与其他无人机最大的不同在于搭载了深度相机和机载主机，控制指令均由部署在机载主机上的感知与捕捉球体的智能方法计算得出。智能方法包括基于HSV分割的球体识别、基于风阻系数优化物理模型的球体轨迹预测、基于最优控制的无人机轨迹规划三大模块。本发明解决了现有无人机球体捕捉系统依赖于外部动捕设备，因而无法在其他场景实现球体感知与捕捉的问题。本发明的无人机具有自主感知能力，仅依靠自身搭载的传感器即可实现球体的识别、轨迹预测与无人机的轨迹规划，使得无人机可在任何场景下实现快速感知与捕捉球体。

技术领域

本发明属于无人机捕捉飞行物技术领域，尤其涉及一种无人机球体感知与捕捉装置及方法。

背景技术

四旋翼机具有很强的灵活性，通常具有较高的推质比，拥有较大的角加速度，这使他们能够执行复杂且高机动性的任务，例如空中杂技、拦截飞行物等。其中，使用无人机接球、打球极具观赏性。目前，苏黎世联邦理工学院研发的无人机接球系统是世界上较为知名的无人机杂耍系统，它能够快速识别球体并捕捉。但是，此类系统的感知依赖于外部动作捕捉设备，外部设备必须花费较大成本部署在固定场地下，无人机本体不具备定位与感知能力，因而很难在其他场景下实现球体捕捉，设备迁移成本也较高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的无人机接球系统依赖于外部动捕设备因而无法在其他场景实现球体感知与捕捉的问题，提出了一种无人机球体感知与捕捉装置及方法，其特征在于无人机具有自主感知能力，仅依靠自身搭载的传感器即可实现球体的识别、轨迹预测与无人机的轨迹规划，使得无人机可在任何场景下实现快速感知与捕捉球体。具体的技术方案如下：

一种无人机球体感知与捕捉装置，包括机载主机，机载主机为十字形支架结构，十字形支架中间上表面具有飞控和深度相机，所述飞控通过串口与机载主机相连，每个支架末端具有电调，所述电调的信号输入线与飞控连接，每个支架末端延伸连接有无刷电机，所述电调的输出端通过导线与无刷电机连接，所述无刷电机的转子轴上安装螺旋桨，网兜架固定安装在机架上，所述机载主机获取深度相机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，由飞控控制电调，电调控制无刷电机的位置和转速从而控制无人机运动。

进一步的，所述机载主机包括三大模块：球体识别模块，球体轨迹预测模块，无人机轨迹规划模块。

本发明还公开了一种无人机球体感知与捕捉方法，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。

进一步地，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；