一种无人机定点绕飞方法、装置以及系统与流程

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机定点绕飞方法、装置以及系统。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机这几大类。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞机的研制工作。

同时由于无人机具备上述优点，使得其在民用领域的应用也极其广泛。包括：警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。与此同时，人们也对无人机的性能提出了更高的要求。无人机定点飞行技术可以让无人机围绕目标位置进行定点跟踪和监控，极大地提升无人机的性能，是无人机技术研究中的一个热门技术点。

传统的无人机操作是指地面控制人员通过遥控器将控制指令上传至飞行控制器，或者通过地面站在GPS卫星导航地图上设定飞行路径点以完成定点巡航控制。若要实现对感兴趣区域有针对性的巡航，也只有通过以上两种方式来实现。一方面，由操作人员手动控制飞行器的飞行动作执行定点环绕飞行，因为飞行器的航向变化频繁并且变化速度快，极易造成操作失误导致无人机坠毁；另一方面，通过地面站在GPS卫星导航地图上设定对感兴趣区域的巡航，又因地图范围过大或定位信息不准确而无法实现精细化的监察和监视。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无人机定点绕飞方法、装置以及系统，无须人为进行控制，避免了人为的误操作导致无人机坠毁；同时，又能实现精确地飞行。

为解决上述技术问题，本发明提供一种无人机定点绕飞方法，包括：

获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；

根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；

根据所述飞机与目标之间偏航的夹角、所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；

通过所述飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。

可选地，所述根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角包括：

获取目标跟踪框在图像坐标系中的中心位置；

结合相机内部参数，将图像坐标系的目标跟踪框中心位置投射到相机坐标系中；

根据所述飞行姿态信息，确定飞机与相机之间的夹角，将相机坐标系中的跟踪框中心位置投射到机身坐标系中；

根据所述飞机姿态信息，将机身坐标系中的跟踪框中心位置投射到世界坐标系中；

确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角。

可选地，所述根据所述飞机与目标之间偏航的夹角、所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度包括：

根据所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，将速度分级为前后平面的方向和上下平面的方向，计算飞机上下平面内的速度和前后平面的速度。

可选地，所述根据所述飞机与目标之间偏航的夹角、所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度包括：

获取目标的角速度以及飞行的角速度；

根据公式确定飞机的线速度和/或角速度；其中，K_p、T_D为PD控制器的内部可调整的参数；e(t)目标与飞机机头在偏航方向的夹角。

本发明还提供了一种无人机定点绕飞装置，包括：

获取模块，用于获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；

确定模块，用于根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；

计算模块，用于根据所述飞机与目标之间偏航的夹角、所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；

生成模块，用于通过所述飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。

可选地，所述确定模块包括：

获取单元用于获取目标跟踪框在图像坐标系中的中心位置；

第一投射单元，用于结合相机内部参数，将图像坐标系的目标跟踪框中心位置投射到相机坐标系中；

第二投射单元，用于根据所述飞行姿态信息，确定飞机与相机之间的夹角，将相机坐标系中的跟踪框中心位置投射到机身坐标系中；

第三投射单元，用于根据所述飞机姿态信息，将机身坐标系中的跟踪框中心位置投射到世界坐标系中；

确定单元，用于确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角。

可选地，所述计算模块具体用于：根据所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，将速度分级为前后平面的方向和上下平面的方向，计算飞机上下平面内的速度和前后平面的速度。

可选地，所述计算模块包括：

速度获取单元，用于获取目标的角速度以及飞行的角速度；

速度计算单元，用于根据公式确定飞机的线速度和/或角速度；其中，K_p、T_D为PD控制器的内部可调整的参数；e(t)目标与飞机机头在偏航方向的夹角。

本发明还提供了一种无人机定点绕飞系统，包括：图像获取装置、惯性测量单元、飞行控制器、PD控制器以及处理器；

其中，所述图像获取装置用于获取目标的图像信息；所述惯性测量单元用于获取飞机的飞行姿态信息；

所述处理器分别与所述飞行控制器、所述图像获取装置以及所述惯性测量单元相连，用于根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角，并计算飞行速度；通过所述飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令；

所述飞行控制器用于根据所述控制指令生成飞行控制指令，所述PD控制器用于根据所述飞行控制指令控制飞机进行定点环绕飞行。

可选地，所述惯性测量单元包括：加速度计以及陀螺仪；所述加速度计用于将获取的加速度信息发送至所述处理器，所述陀螺仪用于将获取到的角速度信息发送至所述处理器。

本发明所提供的无人机定点绕飞方法以及装置，通过获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；根据图像信息以及飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；根据飞机与目标之间偏航的夹角、飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；通过飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。本申请实现了无人机定点绕飞的自动操控，防止了因人为误操作导致意外情况的发生，并且避免了因为卫星定位不精确无法实现精确定点绕飞的情况，大大提升了精度。此外，本发明还提供了一种具有上述技术优点的无人机定点绕飞系统。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的无人机定点绕飞方法的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明所提供的无人机定点绕飞方法的一种具体实施方式中确定目标方位的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的无人机定点绕飞装置的结构框图；

图4为本发明所提供的无人机定点绕飞系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的无人机定点绕飞方法的一种具体实施方式的流程图如图1所示，该方法适用于无人机进行定点绕飞的情况，可以具体由配置在无人机上的处理装置来执行，其中，该处理装置可以由软件和/或硬件实现，该方法具体包括：

步骤S101：获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；

具体地，可以在无人机上设置有图像获取装置，以对目标的图像信息进行采集。在无人机上设置惯性测量单元，以对飞机的飞行姿态信息进行采集，进一步地，惯性测量单元还可以具体包括：加速度计和陀螺仪；其中，加速度计用于获取飞机的加速度信息，陀螺仪用于获取飞机的角速度信息。

步骤S102：根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；

作为一种具体实施方式，参照图2，本步骤中确定目标方位的方法可以具体包括如下步骤：

步骤S1021：获取目标跟踪框在图像坐标系中的中心位置；

步骤S1022：结合相机内部参数，将图像坐标系的目标跟踪框中心位置投射到相机坐标系中；

步骤S1023：根据所述飞行姿态信息，确定飞机与相机之间的夹角，将相机坐标系中的跟踪框中心位置投射到机身坐标系中；

步骤S1024：根据所述飞机姿态信息，将机身坐标系中的跟踪框中心位置投射到世界坐标系中；

步骤S1025：确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角。

步骤S103：根据所述飞机与目标之间偏航的夹角、所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；

具体地，可以根据所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，将速度分级为前后平面的方向和上下平面的方向，计算飞机上下平面内的速度和前后平面的速度。其中，飞机上下平面内的速度与夹角的大小成正比，飞机前后平面内的速度与夹角的大小成正比。

进一步的，所述控制飞机进行环绕飞行的方法包括以下步骤：

获取目标的角速度以及飞行的角速度；

根据公式确定飞机的线速度和/或角速度；其中，K_p、T_D为PD控制器的内部可调整的参数；e(t)目标与飞机机头在偏航方向的夹角。

步骤S104：通过所述飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。

具体地，本发明实施例通过图像获取装置获取目标的图像信息；通过惯性测量单元获取飞机的姿态信息；进而，设置于飞机内部的处理器通过对两者获取的信息进行结合处理，最终确定飞机与目标之间偏航的夹角和飞机与目标在俯仰方向的夹角。设置于飞机内部的飞行处理器根据获取的飞机与目标之间偏航的夹角，发出控制命令到PD控制器，控制飞机环绕飞行。飞行控制器根据处理器获取的飞机与目标之间俯仰方向的夹角，将速度分级为前后平面的方向和上下平面的方向，计算飞机上下平面内的速度和前后平面的速度，同时设置速度上限。

本发明所提供的无人机定点绕飞方法，通过获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；根据图像信息以及飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；根据飞机与目标之间偏航的夹角、飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；通过飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。本申请实现了无人机定点绕飞的自动操控，防止了因人为误操作导致意外情况的发生，并且避免了因为卫星定位不精确无法实现精确定点绕飞的情况，大大提升了精度。

下面对本发明实施例提供的无人机定点绕飞装置进行介绍，下文描述的无人机定点绕飞装置与上文描述的无人机定点绕飞方法可相互对应参照。

图3为本发明实施例提供的无人机定点绕飞装置的结构框图，参照图3无人机定点绕飞装置可以包括：

获取模块100，用于获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；

确定模块200，用于根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；

计算模块300，用于根据所述飞机与目标之间偏航的夹角、所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；

生成模块400，用于通过所述飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。

作为一种具体实施方式，本发明所提供的无人机定点绕飞装置中，所述确定模块具体包括：

获取单元，用于获取目标跟踪框在图像坐标系中的中心位置；

第一投射单元，用于结合相机内部参数，将图像坐标系的目标跟踪框中心位置投射到相机坐标系中；

第二投射单元，用于根据所述飞行姿态信息，确定飞机与相机之间的夹角，将相机坐标系中的跟踪框中心位置投射到机身坐标系中；

第三投射单元，用于根据所述飞机姿态信息，将机身坐标系中的跟踪框中心位置投射到世界坐标系中；

确定单元，用于确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角。

在上述任一实施例的基础上，本发明所提供的无人机定点绕飞装置的计算模块可以具体用于：根据所述飞机与目标在俯仰方向的夹角，将速度分级为前后平面的方向和上下平面的方向，计算飞机上下平面内的速度和前后平面的速度。

进一步地，所述计算模块包括：

速度获取单元，用于获取目标的角速度以及飞行的角速度；

速度计算单元，用于根据公式确定飞机的线速度和/或角速度；其中，K_p、T_D为PD控制器的内部可调整的参数；e(t)目标与飞机机头在偏航方向的夹角。

本实施例的无人机定点绕飞装置用于实现前述的无人机定点绕飞方法，因此无人机定点绕飞装置中的具体实施方式可见前文中的无人机定点绕飞方法的实施例部分，例如，获取模块100，确定模块200，计算模块300，生成模块400，分别用于实现上述无人机定点绕飞方法中步骤S101，S102，S103和S104，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本发明所提供的无人机定点绕飞装置，通过获取目标的图像信息以及飞机的飞行姿态信息；根据图像信息以及飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角；根据飞机与目标之间偏航的夹角、飞机与目标在俯仰方向的夹角，计算飞行速度；通过飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令。本申请实现了无人机定点绕飞的自动操控，防止了因人为误操作导致意外情况的发生，并且避免了因为卫星定位不精确无法实现精确定点绕飞的情况，大大提升了精度。

此外，本发明还提供了一种无人机定点绕飞系统，参照图4，该系统具体包括：图像获取装置1、惯性测量单元2、飞行控制器4、PD控制器5以及处理器3；

其中，所述图像获取装置1用于获取目标的图像信息；所述惯性测量单元2用于获取飞机的飞行姿态信息；

所述处理器3分别与所述飞行控制器4、所述图像获取装置1以及所述惯性测量单元2相连，用于根据所述图像信息以及所述飞行姿态信息，确定飞机与目标之间偏航的夹角、以及飞机与目标在俯仰方向的夹角，并计算飞行速度；通过所述飞行速度，生成驱动飞机进行定点环绕飞行的控制指令；

所述飞行控制器4用于根据所述控制指令生成飞行控制指令，所述PD控制器5用于根据所述飞行控制指令控制飞机进行定点环绕飞行。

具体地，所述惯性测量单元包括：加速度计以及陀螺仪；所述加速度计用于将获取的加速度信息发送至所述处理器，所述陀螺仪用于将获取到的角速度信息发送至所述处理器。

本发明实施例通过图像获取装置获取目标的图像信息；通过惯性测量单元获取飞机的姿态信息；进而，设置于飞机内部的处理器通过对两者获取的信息进行结合处理，最终确定飞机与目标之间偏航的夹角和飞机与目标在俯仰方向的夹角。设置于飞机内部的飞行处理器根据获取的飞机与目标之间偏航的夹角，发出控制命令到PD控制器，控制飞机环绕飞行。飞行控制器根据处理器获取的飞机与目标之间俯仰方向的夹角，将速度分级为前后平面的方向和上下平面的方向，计算飞机上下平面内的速度和前后平面的速度，同时设置速度上限。

与现有技术相比，本发明所提供的系统具有如下有益效果：

1、避免人为操作失误：本发明的无人机定点绕飞系统采用PD控制器实现无人机的定点绕飞，防止了因为人为误操作导致的意外情况发生。

2、算法先进：本发明的无人机定点绕飞系统针对无人机绕飞中的具体情况，采用自制的算法进行控制，相对于现有的控制算法，能够更好地完成无人机定点绕飞。

3、精度高：本发明的无人机定点绕飞系统未采用基于卫星定位的方式进行定点绕飞，避免了因为卫星定位不精确无法实现精确定点绕飞的情况，大大提升了精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的无人机定点绕飞方法、装置以及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。