基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法和装置与流程

本申请涉及航空技术领域，具体的涉及基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法和装置。

背景技术

随着无人机技术的不断成熟，消费级无人机产品近年来进入了普通大众的视野。外观小巧，操作简便的小型无人机受到市场欢迎。

目前测量无人机的飞行高度通常采用如下方法：(1)利用气压高度计测试大气压力，然后换算成飞行高度的方法，但这种测量方法的精度差、响应速度低。(2)采用超声波测距仪测距的方法，但该方法探测范围十分有限，通常不足10m。(3)基于飞行时间的激光测距方法，但该方法易受激光散射、不均的空气密度、热空气气团、地面温度等影响，精度差。

目前通常陀螺仪测量无人机的姿态即俯仰角和横滚角，由于从陀螺仪的角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。申请号201410528527.1和201711203612.0的专利中都有提到在无人机的不同部位安装至少3个激光测距传感器用于测量无人机各个部位相对地面的高度信息，进而计算无人机的姿态信息。但该方法需要的激光测距传感器的个数较多。

技术实现要素：

本申请的目的在于提出一种改进的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法和装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法，所述方法包括：向地面发射十字激光；获取包含所述十字激光的一帧地面图像；识别所述地面图像中的所述十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度；根据所述四个方向的激光线的长度，计算所述无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角。

在一些实施例中，所述方法中无人机水平飞行时，发射的十字激光的相对方向的激光线长度相等，相邻激光线的长度可以相等也可以不相等。

在一些实施例中，所述方法还包括：预先测量十字激光发射器的出光张角度。

在一些实施例中，所述根据所述四个方向的长度，计算无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角，包括：根据线性几何，通过所述出光张角度、所述十字激光四个方向的激光线的长度，计算所述无人机的横滚角、俯仰角、飞行高度。

在一些实施例中，所述方法还包括：预先标定十字激光的长度与无人机的飞行高度之间的曲线。

在一些实施例中，所述根据所述四个方向的长度，计算无人机的飞行高度，包括：将所述十字激光四个方向的长度，代入十字激光的长度与无人机的飞行高度之间的曲线，计算得到无人机的飞行高度。

在一些实施例中，所述方法还包括：根据前一帧地面图像对应的前横滚角、前俯仰角及两帧图像的时间间隔，计算横滚角的角速度、俯仰角的角速度。

第二方面，本申请提供了一种基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量装置，所述装置包括十字激光发射器、摄像机、计算模块，其中，所述十字激光发射器与所述摄像机被安装在所述无人机的底部且垂直于所述无人机，具体的：十字激光发射器，用于向地面发射十字激光；摄像机，用于获取包含所述十字激光的一帧地面图像；计算模块，用于识别所述地面图像中的所述十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度，然后，根据所述十字激光四个方向的激光线的长度，计算无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角。

在一些实施例中，所述计算模块具体配置用于：识别所述地面图像中的所述十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度；根据线性几何，通过预先测量的所述十字激光发射器的出光张角度、所述十字激光四个方向的激光线的长度，计算所述无人机的横滚角、俯仰角、飞行高度。

在一些实施例中，所述计算模块还具体配置用于：识别所述地面图像中的所述十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度；将所述十字激光四个方向的激光线的长度，代入预先标定的十字激光的长度与无人机的高度之间的曲线，计算得到无人机的飞行高度。

在一些实施例中，所述计算模块还具体配置用于：根据前一帧地面图像对应的前横滚角、前俯仰角及两帧图像的时间间隔，计算横滚角的角速度、俯仰角的角速度。

本申请提供的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法和装置，通过向地方发射十字型的激光，然后测量十字激光四个方向的长度，进而计算出无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角，该算法简单，精确度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法的一个实施例的流程图；

图2是根据本申请的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法的一个实施例中十字激光的示意图；

图3是根据本申请的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法的一个实施例中四轴飞行器的示意图；

图4是根据本申请的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法的一个原理图；

图5是根据本申请的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量装置的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了根据本申请的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法的一个实施例的流程图100。所述的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量方法，包括以下步骤：

步骤101，向地面发射十字激光。

在本实施例中，无人机的底部安装有十字激光发射器和摄像机，且垂直于无人机。如果无人机是双翼无人机，则可以将十字激光发射器、摄像机安装在双翼无人机的纵轴上。且保证十字激光中的一条激光线与无人机的纵轴平行。如果无人机是四轴飞行器，可以将十字激光器发射器、摄像机安装在四轴飞行器的中心位置。十字激光的一条激光线与四轴飞行器的纵轴平行，另外一条激光线与四轴飞行器的横轴平行，保证无人机的机体坐标系与地理坐标系一致。

在本实施例中，无人机水平飞行时，发射的十字激光的相对方向的激光线长度相等，相邻激光线的长度可以相等也可以不相等。如图2所示，其中，图2(a)四个方向的激光线长度相等；2(b)相对方向的激光线长度相等，相邻激光线的长度不相等。

在本实施例中，定义无人机的右、前、上三个方向构成右手系，绕向前的轴旋转就是横滚角，绕向右的轴旋转就是俯仰角，绕向上的轴旋转就是航向角。以图3中的四轴飞行器为例，如果四轴飞行器绕x轴旋转是横滚角，绕y轴旋转是俯仰角，绕z轴旋转是航向角。

图3中，四个圆圈代表4个电机，圆圈上箭头的方向代表电机转动的方向，当四轴飞行器处于悬停状态时，电机1、2、3、4的转速相等，保持电机1、3的转速不变，电机4的转速上升，电机2的转速下降，且转速改变量大小相等时，产生不平衡力矩使机身绕x轴旋转，而产生横滚角。与四轴飞行器水平飞行时相比，十字激光中与x轴平行的两条激光线的1：1的比例关系保持不变(没有示出)，但与y轴平行的两条激光线的比例关系发生改变，如图4所示。o表示十字激光发射器，d表示十字激光的交叉点，a、b分别表示激光线的端点，2α表示十字激光发射器的出光张角度。y轴正方向的激光线db的长度变短，y轴负方向的激光线ad的长度变长。

步骤102，获取包含上述十字激光的一帧地面图像。

在本实施例中，摄像机可以拍摄地面上视频，其视频中包含上述十字激光的一帧地面图像。也可以实时或间隔性的拍摄包含上述十字激光的一帧地面图像。并将上述图像传送给计算模块。

步骤103，识别地面图像中的十字激光，并以十字交叉点为原点，计算十字激光四个方向激光线的长度。

在本实施例中，计算模块接收摄像机发送的包含十字激光的一帧地面图像，并利用图像识别技术识别图像中的十字激光，并以十字交叉点为原点，计算十字激光四个方向激光线的长度。以与y轴平行的激光线为例，参见图4，计算y轴正方向的激光线db的长度和y轴负方向的激光线ad的长度。

步骤104，根据四个方向的激光线的长度，计算无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角。

在本实施例中，十字激光发射器的出光张角度一般在出厂时即已经标出。

在本实施例的一些可选的实现方式中，可以预先测量十字激光发射器的出光张角度。在高度已知的情况下，测量十字激光的激光线长度，根据三角函数关系可计算出十字激光发射器的出光张角度。

在本实施例中，以图3中四轴飞行器的姿态为例，则与x轴平行的两条激光线的比例关系为1：1，则该四轴飞行器的俯仰角为零。与y轴平行的两条激光线的比例关系发生改变。。具体参见图4，其中，十字激光发射器的出光张角度2α已知，经计算激光线ad的长度为x即ad＝x，激光线db的长度为y即db＝y，假设ob的长度为z即ob＝z。

根据正弦定理，在三角形oab中：

根据正弦定理，在三角形odb中：

根据上述两个公式，推导出：

则四轴飞行器的横滚角为：90-θ。

则飞行高度：

在一些实施例中，无人机的横滚角、俯仰角都不为零，因无人机的机体坐标系与地理坐标系一致，则横滚角只会影响到与y轴平行的两条激光的比例关系，俯仰角只会影响到与x轴平行的两条激光的比例关系，所以可根据上面的原理及推到分别计算无人机的横滚角、俯仰角。

在本实施例的一些可选的实现方式中，预先标定十字激光的长度与无人机的飞行高度之间的曲线。具体的，保持无人机水平飞行，在一定的高度范围内，以较小的间隔，从低往高不断测量飞行高度与十字激光的长度，然后描绘成点，之后，把点连成线生成十字激光的长度与无人机的飞行高度之间的曲线。在实际的测量中，将十字激光四个方向的激光线的长度，代入十字激光的长度与无人机的飞行高度之间的曲线，计算得到无人机的飞行高度。示例1：保持无人机水平飞行，预先以0.5米的间隔，在0到20米的范围内，向地面发射十字激光；然后，拍摄包含十字激光的图像，之后，识别图像中的十字激光，并计算十字激光四个方向的激光线的总长度，最后，在以激光线的总长度为横轴，以飞行高度为纵轴的二维坐标中，描绘之前得到的总长度、飞行高度的点，并将点连成线。在实测时，先计算十字激光四个方向的激光线的总长度，然后，代入预先绘制的激光线总长度与飞行高度的曲线，得到无人机当前的飞行高度。示例2：可以分别描绘十字激光中相对方向的两个激光线的长度和与飞行高度的对应关系，得到两条曲线。在实测时，分别计算十字激光中相对方向的两个激光线的长度和，然后代入对应的曲线得到两个飞行高度值，比较这两个飞行高度值，选取其中值较小的飞行高度作为此次测量中得到的飞行高度。这样减小因姿态角的存在而引入的误差。

在本实施例的一些可选的实现方式中，根据前一帧地面图像对应的前横滚角、前俯仰角及两帧图像的时间间隔，计算横滚角的角速度、俯仰角的角速度。

本申请的上述实施例的实时方式及算法简单，且能精确的测量出无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角。

继续参考图5，作为对上述各图所示方法的实现，本申请提供了一种基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量装置的一个实施例，该装置实施例与图1所示的方法实施例相对应。

如图5所述，本实施例所述的基于十字激光的无人机姿态与飞行高度的测量装置500包括：十字激光发射器501、摄像机502、计算模块503，其中，十字激光发射器501与摄像机502被安装在无人机的底部且垂直于无人机，计算模块503被安装在无人机的内部，具体的：十字激光发射器501，用于向地面发射十字激光；摄像机502，用于获取包含所述十字激光的一帧地面图像；计算模块503，用于识别所述地面图像中的所述十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度，然后，根据所述十字激光四个方向的激光线的长度，计算无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角。

当无人机水平飞行时，十字激光发射器501发射的十字激光的相对方向的激光线长度相等，相邻激光线的长度可以相等也可以不相等。

计算模块503具体配置用于：识别地面图像中的十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度；根据线性几何，通过预先测量的所述十字激光发射器的出光张角度、所述十字激光四个方向的激光线的长度，计算所述无人机的横滚角、俯仰角、飞行高度。具体的实施方式与方法中的一致，在此不在重述。

计算模块503还具体配置用于：识别所述地面图像中的所述十字激光，并以十字交叉点为原点，计算所述十字激光四个方向的激光线的长度；将所述十字激光四个方向的激光线的长度，代入预先标定的十字激光的长度与无人机的高度之间的曲线，计算得到无人机的飞行高度。具体的实施方式与方法中的一致，在此不在重述。

计算模块503还配置用于：根据前一帧地面图像对应的前横滚角、前俯仰角及两帧图像的时间间隔，计算横滚角的角速度、俯仰角的角速度。

在本实施例中，上述计算模块503可以根据四个方向的激光线的长度，计算无人机的飞行高度、横滚角、俯仰角。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。