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CN114104310A - 一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备与方法 - Google Patents

一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备与方法 Download PDF

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CN114104310A
CN114104310A CN202111675993.9A CN202111675993A CN114104310A CN 114104310 A CN114104310 A CN 114104310A CN 202111675993 A CN202111675993 A CN 202111675993A CN 114104310 A CN114104310 A CN 114104310A
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刘朝勋
戴小东
陈渡
黄丹
蔡克
任萍
胡志鹏
芦天祥
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Chongqing High Tech Zone Feima Innovation Research Institute
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    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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Abstract

本发明涉及无人飞行设备运动控制技术领域，尤其涉及一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备与方法，由地面定位设备循环检测自身的位置和向飞行控制设备发送地面定位设备的信息，飞行控制设备实时接收地面定位设备信息，执行速度、位置串联PID控制策略，当靠近目标时，摄像头实时检测视野内是否有AprilTag靶标，若出现AprilTag靶标，执行视觉与GPS融合控制策略，控制无人机按预定的位姿降落，若无AprilTag靶标出现，则根据地面定位设备的位置信息寻找AprilTag靶标，本发明采用GPS定位与视觉识别定位两种定位方式结合，实现远、近距离的精确定位，充分互补二者的缺陷，对无人机进行精确导航。

Description

一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备与 方法
技术领域
本发明涉及无人飞行设备运动控制技术领域，尤其涉及一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备与方法。
背景技术
随着无人机的应用越来越普及，对无人机的操作朝着自动化、智能化、简单化方向发展。GPS定位和视觉识别定位技术日渐成熟，如何将GPS定位与视觉识别定位技术引入无人机的精准降落控制中，是无人机控制的难题。
单一的GPS定位具有全球定位的优势，但精度误差大；视觉识别的优点是精度高，但是视觉识别距离受环境的影响较大，本发明为实现将GPS定位和视觉识别定位的优点结合，充分互补二者的缺陷，为达到远、近距离全覆盖的精确定位的效果提供有效技术方案。
发明内容
针对上述现有无人机只能依靠单一的定位降落方式，定位的全过程中始终纯在弊端问题，提供能够同时进行远、近距离精确定位的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备与方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备，包括：
地面定位设备，所述地面定位设备安装在车辆顶部，用于接收地面定位设备的北斗定位信息；用于计算地面定位设备自身的速度及加速度；用于向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位、速度及加速度信息；
AprilTag靶标，所述AprilTag靶标与地面定位设备相邻布置，用于向空中提供指定的视觉辅助坐标；
飞行控制设备，所述飞行控制设备安装在无人机的底部，用于接收所述地面定位设备的信息；用于对飞行控制设备自身进行运动状态的数据检测；用于对飞行控制设备自身的方位进行定位；用于收集地面的图像信息并与地面定位设备的信息结合处理，进行融合导航。
进一步的，所述地面定位设备包括：
地面主控模块，所述地面主控模块用于对接收到的数据进行处理；
地面GPS接收机，所述地面GPS接收机用于接收地面定位设备的北斗定位信息，并向地面主控模块发送北斗定位信息；
地面无线数据传输模块，所述地面无线数据传输模块用于向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位、速度及加速度信息。
进一步的，所述飞行控制设备包括：
飞行主控模块，所述飞行主控模块用于对接收到的数据进行处理；
飞行GPS接收机，所述飞行GPS接收机用于接收飞行控制设备的北斗定位信息，并向飞行无线数据传输模块发送北斗定位信息；
飞行无线数据传输模块，所述飞行无线数据传输模块用于接收地面定位设备发送的信息；
IMU，所述IMU用于为飞行控制设备提供飞行控制设备的即时运动状态，检测飞行路线偏移，对飞行控制设备的纵向及横向的摆动角速度，纵向、横向及垂直加速度信号进行采集；
磁力计，所述磁力计用于对飞行控制设备所处环境的磁场强度和方向进行检测，对飞行控制设备的方位进行定位；
图像处理板卡，所述图像处理板卡用于实时检测接收到的视频数据图像，判断是否存在AprilTag靶标；
云台摄像头，所述云台摄像头位于飞行控制设备的底面，用于对地面上的图像信息进行录入，并传送给图像处理板卡进行处理。
一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，包括以下步骤：
S1、地面定位设备接收自身的北斗定位信息，并计算自身的速度及加速度；
S2、地面定位设备向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位信息、速度及加速度；
S3、飞行控制设备接收自身的北斗定位信息，对自身的运动状态数据进行检测，对自身的方位进行定位，接收地面定位设备的信息；
S4、飞行控制设备通过自身的运动状态数据及自身的方位进行定位，进行对无人机的姿态解算及速度控制；
S5、飞行控制设备收集地面的图像信息，判断是否存在AprilTag靶标；
S6、飞行控制设备对图像信息进行处理，将步骤S4与图像信息的处理结果结合，进行融合导航，完成对无人机向地面定位设备方向运动的精确导航。
进一步的，所述步骤S4中，飞行控制设备通过IMU及磁力计对无人机进行姿态解算，并控制无人机向地面定位设备的方向飞行。
进一步的，飞行控制设备在控制无人机飞行的过程中，采用地面定位设备的位置、速度、加速度数据作为PID反馈，PID反馈、IMU及磁力计的采集数据结合处理，将位置PID和速度PID串联控制，控制无人机飞行。
进一步的，以无人机的机体重心为原点定义机体坐标系：0，x，y，z，无人机正前方为x方向，左边为y方向，z方向满足笛卡尔坐标系朝上；以AprilTag靶标中心为原点0，定义AprilTag靶标坐标系：0，x1，y1；云台摄像头垂直机体朝下安装，定义云台摄像头视觉坐标系x2，y2，z2；
其中视觉坐标系x2，y2与机体坐标系x，y重合，z2与z反向朝下，x与x1的夹角为无人机与AprilTag靶标之间的夹角为θ。
进一步的，所述步骤S5-S6中，判断结果若存在AprilTag靶标，飞行控制设备的图像处理板卡内置AprilTag算法程序，可计算出AprilTag靶标相对于无人机和云台摄像头的x和y方向的位置偏差值以及无人机与AprilTag靶标之间运动的夹角θ；判断结果若不存在AprilTag靶标，则不输出位置偏差值及夹角θ。
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：本发明采用GPS定位与视觉识别定位两种定位方式结合，实现远、近距离的精确定位，充分互补二者的缺陷，对无人机进行精确导航。
附图说明
图1为本发明的信号传输示意图；
图2为本发明中AprilTag靶标图；
图3为本发明中地面定位设备的工作流程示意图；
图4位本发明中飞行控制设备的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明需两套电子设备：地面定位设备和飞行控制设备，地面定位设备的功能为对自身进行定位和向飞行控制设备发送自身的位置；飞行控制设备安装在无人机上，接收地面定位设备发送的降落位置、移动速度、加速度等信息，负责控制无人机飞行到地面定位设备的位置，实现精确导航定位与降落。飞行控制设备的PID控制采用地面定位设备的位置，速度，加速度信息作为反馈；飞行控制设备的摄像头垂直于机身朝下安装，图像处理板卡可识别AprilTag靶标，图像处理板卡实时检测摄像头视野范围内是否出现AprilTag靶标，若出现AprilTag靶标则执行GPS与视觉融合策略控制无人机飞行到AprilTag靶标的正上方，然后自动降落；若视野范围无AprilTag靶标，则仅依赖地面定位设备发送的GPS位置、移动速度和加速度反馈控制。
如图1所示，一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备，包括：
地面定位设备，地面定位设备安装在车辆顶部，用于接收地面定位设备的北斗定位信息；用于计算地面定位设备自身的速度及加速度；用于向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位、速度及加速度信息；
AprilTag靶标，AprilTag靶标与地面定位设备相邻布置，用于向空中提供指定的视觉辅助坐标；
飞行控制设备，飞行控制设备安装在无人机的底部，用于接收地面定位设备的信息；用于对飞行控制设备自身进行运动状态的数据检测；用于对飞行控制设备自身的方位进行定位；用于收集地面的图像信息并与地面定位设备的信息结合处理，进行融合导航。
具体的，地面定位设备包括：
地面主控模块，地面主控模块用于对接收到的数据进行处理；
地面GPS接收机，地面GPS接收机用于接收地面定位设备的北斗定位信息，并向地面主控模块发送北斗定位信息；
地面无线数据传输模块，地面无线数据传输模块用于向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位、速度及加速度信息。
具体的，飞行控制设备包括：
飞行主控模块，飞行主控模块用于对接收到的数据进行处理；
飞行GPS接收机，飞行GPS接收机用于接收飞行控制设备的北斗定位信息，并向飞行无线数据传输模块发送北斗定位信息；
飞行无线数据传输模块，飞行无线数据传输模块用于接收地面定位设备发送的信息；
IMU，IMU用于为飞行控制设备提供飞行控制设备的即时运动状态，检测飞行路线偏移，对飞行控制设备的纵向及横向的摆动角速度，纵向、横向及垂直加速度信号进行采集；
磁力计，磁力计用于对飞行控制设备所处环境的磁场强度和方向进行检测，对飞行控制设备的方位进行定位；
图像处理板卡，图像处理板卡用于实时检测接收到的视频数据图像，判断是否存在AprilTag靶标；
云台摄像头，云台摄像头位于飞行控制设备的底面，用于对地面上的图像信息进行录入，并传送给图像处理板卡进行处理。
如图3-4所示，一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，包括以下步骤：
S1、地面定位设备接收自身的北斗定位信息，并计算自身的速度及加速度；
S2、地面定位设备向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位信息、速度及加速度；
S3、飞行控制设备接收自身的北斗定位信息，对自身的运动状态数据进行检测，对自身的方位进行定位，接收地面定位设备的信息；
S4、飞行控制设备通过自身的运动状态数据及自身的方位进行定位，进行对无人机的姿态解算及速度控制；
S5、飞行控制设备收集地面的图像信息，判断是否存在AprilTag靶标；
S6、飞行控制设备对图像信息进行处理，将步骤S4与图像信息的处理结果结合，进行融合导航，完成对无人机向地面定位设备方向运动的精确导航。
具体的，步骤S4中，飞行控制设备通过IMU及磁力计对无人机进行姿态解算，并控制无人机向地面定位设备的方向飞行。
具体的，飞行控制设备在控制无人机飞行的过程中，采用地面定位设备的位置、速度、加速度数据作为PID反馈，PID反馈、IMU及磁力计的采集数据结合处理，将位置PID和速度PID串联控制，控制无人机飞行。
具体的，以无人机的机体重心为原点定义机体坐标系：0，x，y，z，无人机正前方为x方向，左边为y方向，z方向满足笛卡尔坐标系朝上；以AprilTag靶标中心为原点0，定义AprilTag靶标坐标系：0，x1，y1；云台摄像头垂直机体朝下安装，定义云台摄像头视觉坐标系x2，y2，z2；
其中视觉坐标系x2，y2与机体坐标系x，y重合，z2与z反向朝下，x与x1的夹角为无人机与AprilTag靶标之间的夹角为θ。
具体的，步骤S5-S6中，判断结果若存在AprilTag靶标，飞行控制设备的图像处理板卡内置AprilTag算法程序，可计算出AprilTag靶标相对于无人机和云台摄像头的x和y方向的位置偏差值以及无人机与AprilTag靶标之间运动的夹角θ；判断结果若不存在AprilTag靶标，则不输出位置偏差值及夹角θ。
如图2所示，为本发明的AprilTag靶标，该AprilTag靶标即为无人机的精确降落点；如图3-4所示，为本发明的视觉辅助无人机降落方法的工作流程示意图，AprilTag靶标和地面定位设备安装在装甲车顶同一位置，且地面定位设备的安装不能遮挡AprilTag靶标，地面定位设备安装有地面GPS接收机，负责装甲车的定位以及向无人机发送装甲车的位置；无人机安装有飞行GPS接收机，可实时定位，同时飞行无线数据传输模块实时接收装甲车上地面定位设备传来的装甲车位置、速度、加速度信息。无人机飞行控制系统根据地面定位设备的信息控制无人机飞向装甲车，当距离装甲车较远时，采用采用GPS为主的导航方式，当无人机靠近装甲车时，垂直朝下的摄像头开始寻找到AprilTag靶标后，采取视觉与GPS融合控制策略，采用视觉为主、GPS为辅的方式，控制无人机飞行到AprilTag靶标的正上方，并将无人机的x方向调整为与AprilTag靶标的x1重合，保证无人机的航向与装甲车的前进方向相同，然后执行自动降落流程。
由地面定位设备循环检测自身的位置和向飞行控制设备发送地面定位设备的信息，飞行控制设备实时接收地面定位设备信息，执行速度、位置串联PID控制策略，当靠近目标时，摄像头实时检测视野内是否有AprilTag靶标，若出现AprilTag靶标，执行视觉与GPS融合控制策略，控制无人机按预定的位姿降落，若无AprilTag靶标出现，则根据地面定位设备的位置信息寻找AprilTag靶标。
从以上技术方案可以看出，本实施例公开的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落方法，需要地面定位设备和飞行控制设备配合完成，必须保证地面定位设备与飞行控制设备的无线信号畅通，该方法远距离采用GPS引导，近距离采用与视觉GPS融合控制策略，可保障无人机精确降落到AprilTag靶标位置。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的具体详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备，其特征在于，包括：
地面定位设备，所述地面定位设备安装在车辆顶部，用于接收地面定位设备的北斗定位信息；用于计算地面定位设备自身的速度及加速度；用于向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位、速度及加速度信息；
AprilTag靶标，所述AprilTag靶标与地面定位设备相邻布置，用于向空中提供指定的视觉辅助坐标；
飞行控制设备，所述飞行控制设备安装在无人机的底部，用于接收所述地面定位设备的信息；用于对飞行控制设备自身进行运动状态的数据检测；用于对飞行控制设备自身的方位进行定位；用于收集地面的图像信息并与地面定位设备的信息结合处理，进行融合导航。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备，其特征在于，所述地面定位设备包括：
地面主控模块，所述地面主控模块用于对接收到的数据进行处理；
地面GPS接收机，所述地面GPS接收机用于接收地面定位设备的北斗定位信息，并向地面主控模块发送北斗定位信息；
地面无线数据传输模块，所述地面无线数据传输模块用于向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位、速度及加速度信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的设备，其特征在于，所述飞行控制设备包括：
飞行主控模块，所述飞行主控模块用于对接收到的数据进行处理；
飞行GPS接收机，所述飞行GPS接收机用于接收飞行控制设备的北斗定位信息，并向飞行无线数据传输模块发送北斗定位信息；
飞行无线数据传输模块，所述飞行无线数据传输模块用于接收地面定位设备发送的信息；
IMU，所述IMU用于为飞行控制设备提供飞行控制设备的即时运动状态，检测飞行路线偏移，对飞行控制设备的纵向及横向的摆动角速度，纵向、横向及垂直加速度信号进行采集；
磁力计，所述磁力计用于对飞行控制设备所处环境的磁场强度和方向进行检测，对飞行控制设备的方位进行定位；
图像处理板卡，所述图像处理板卡用于实时检测接收到的视频数据图像，判断是否存在AprilTag靶标；
云台摄像头，所述云台摄像头位于飞行控制设备的底面，用于对地面上的图像信息进行录入，并传送给图像处理板卡进行处理。
4.一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、地面定位设备接收自身的北斗定位信息，并计算自身的速度及加速度；
S2、地面定位设备向飞行控制设备发送地面定位设备的北斗定位信息、速度及加速度；
S3、飞行控制设备接收自身的北斗定位信息，对自身的运动状态数据进行检测，对自身的方位进行定位，接收地面定位设备的信息；
S4、飞行控制设备通过自身的运动状态数据及自身的方位进行定位，进行对无人机的姿态解算及速度控制；
S5、飞行控制设备收集地面的图像信息，判断是否存在AprilTag靶标；
S6、飞行控制设备对图像信息进行处理，将步骤S4与图像信息的处理结果结合，进行融合导航，完成对无人机向地面定位设备方向运动的精确导航。
5.根据权利要求4所述的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，其特征在于：所述步骤S4中，飞行控制设备通过IMU及磁力计对无人机进行姿态解算，并控制无人机向地面定位设备的方向飞行。
6.根据权利要求5所述的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，其特征在于：飞行控制设备在控制无人机飞行的过程中，采用地面定位设备的位置、速度、加速度数据作为PID反馈，PID反馈、IMU及磁力计的采集数据结合处理，将位置PID和速度PID串联控制，控制无人机飞行。
7.根据权利要求4所述的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，其特征在于：以无人机的机体重心为原点定义机体坐标系：0，x，y，z，无人机正前方为x方向，左边为y方向，z方向满足笛卡尔坐标系朝上；以AprilTag靶标中心为原点0，定义AprilTag靶标坐标系：0，x1，y1；云台摄像头垂直机体朝下安装，定义云台摄像头视觉坐标系x2，y2，z2；
其中视觉坐标系x2，y2与机体坐标系x，y重合，z2与z反向朝下，x与x1的夹角为无人机与AprilTag靶标之间的夹角为θ。
8.根据权利要求7所述的一种基于GPS和AprilTag的视觉辅助无人机降落的方法，其特征在于：所述步骤S5-S6中，判断结果若存在AprilTag靶标，飞行控制设备的图像处理板卡内置AprilTag算法程序，可计算出AprilTag靶标相对于无人机和云台摄像头的x和y方向的位置偏差值以及无人机与AprilTag靶标之间运动的夹角θ；判断结果若不存在AprilTag靶标，则不输出位置偏差值及夹角θ。
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