一种实现无人机水陆二次定位的系统和方法与流程
本发明涉及无人机定位指挥技术，具体涉及一种实现无人机在水域和陆地之间实现二次定位的系统和方法。
背景技术：
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置进行操纵的无人驾驶飞行器。无人机不仅在军事侦察、作战等方面有所应用，近年来在危险环境如火灾、地震等灾害现场的搜查和救援领域也有广泛应用，目前更是大量应用在商业、娱乐等领域。在无人机配送方面国内外均在积极布局，研发专用配送无人机。
随着人们对无人机的需求日益增加，越来越多的研究团队将精力投入到改善无人机相关功能和稳定性，并且在许多技术上获得了很大进展。但是无人机水陆定位方向的研究上，目前仍然没有低成本、高精度和高稳定性的方案。
定位控制技术是无人机关键技术之一，目前大多数的无人机使用gps和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号定位系统，因为gps和/或北斗定位系统等其他粗略定位相关卫星数量足够多，并且分布均匀，可以确保全球全天候连续的导航定位服务，观测时间短，并且gps和/或北斗定位系统等其他粗略定位测量的自动化程度较高，仪器操作简便。gps和/或北斗定位系统等其他粗略定位的定位精度通常在几米左右，在一些对定位精度要求较高的场合，只使用gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位误差较大，无法满足要求，若要提高gps精度，相应的成本会大幅提升，环境恶劣，天气情况较差或目标较为隐蔽的情况下，gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号容易丢失或受到干扰。gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号在传递过程中如果碰到水，传递也将会受到阻碍，接收器只能接收到微弱的讯号，且信号不够稳定，因此当定位涉及到水陆时，gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号效果较差。
针对gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位存在的部分缺点，视觉辅助导航以其低成本、高可靠性得到了研究者的广泛关注，视觉辅助导航是从图像中获取有效信息，将相关信息进行处理后实现无人机的定位，但是目前研究的视觉辅助系统不够成熟，并且大部分研究基于空旷陆地定位。
尽管目前很多研究人员对于提高无人机定位精度有所研究，但是相关研究停留在仅在陆地上实现无人机精准定位，而水域上多研究无人艇定位方案，针对无人机水陆二次定位的研究尚未出现，也没有将gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位与摄像机定位相结合应用在无人机水陆二次定位的方案。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无人机在水域和陆地之间实现二次定位的系统及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有二次定位功能的无人机智能系统，包括无人机，飞行控制系统，云台摄像机，机载中央处理器，地面测控站。
所述的无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，市面上常见的无人机即可，包括螺旋桨、电机马达、机体外壳、电池等硬件组成。
所述的无人机飞行控制系统简称飞控，是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，其作用相当于无人机的大脑。飞行控制系统按照功能划分，其硬件组成部分包括主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块和舵机驱动模块。数据采集模块实时采集各个传感器测量的无人机飞行状态数据，并将这些数据通过信号调理及接口模块通过相应算法计算后传输到主控制模块，主控制模块通过对数据进行处理后输出控制指令至舵机驱动模块，相应的无人机的飞行状态有所调整。
所述的主控制模块是指无人机飞行控制器，为无人机飞行控制系统的核心部件，通常为单片机和/或dsp和/或fpga等操作系统模块，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，对无人机飞行状态进行控制，其性能决定了飞行器是否能够飞得足够稳定，灵活。
所述的信号调理及接口模块是指无人机机载中央处理器和信号输入/输出设备，机载中央处理器主要用于数据处理及发送控制指令，其处理的数据主要包括所述的无人机数据采集模块监测到的数据，所述的云台摄像头识别的目标物体的数据以及所述的地面测控站发送的数据，对相关数据进行处理后，发送飞行指令至所述无人机主控制模块，调整无人机飞行轨迹及飞行状态。
所述的数据采集模块包含陀螺仪(即角速度计，用于飞行姿态感知)、加速度计、地磁感应、气压传感器(用于粗略计算悬停高度)、超声波传感器(用于低空高度精确控制及避障)、光流传感器(用于精确测量悬停水平位置)、gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块(用于粗略定位无人机水平位置)。上述传感器可以监测无人机飞行状态所有相关数据。
所述的舵机驱动模块即执行机构，负责无人机的动作执行，对于不同的输入信号将会有不同的输出信号，作为位置反馈的伺服系统，舵机主要由伺服放大器、直流伺服电机、减速器、位置反馈电位计和输出齿条组成。
所述的云台摄像机，即为机载摄像机，云台为稳定平台，其作用是为了给相机增稳，通过传感器感知机身动作，通过电机驱动使得相机保持在原来位置，抵消机身晃动的影响，机载摄像机是为了追踪目标物体，无人机飞至目标物体附近时，gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位精度无法精确目标物体位置，这时无人机采用摄像头定位。
所述的机载中央处理器是用于协调所述无人机的数据处理及控制指令发送的工作，包括处理gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号以及所述的云台摄像机采集到的定位数据，发送飞行指令到所述的无人机飞行控制系统，控制飞行器按照预设方向轨迹飞行。接收所述地面数据处理基站发送的数据，发送飞行指令到所述无人机飞行控制器，控制无人机飞行速度。
所述的地面测控站，即地面控制中心，是一种由无线电遥控设备或对自身程序控制装置操纵，协调无人机的飞行任务，其功能是对无人机飞行全程监控、远程控制、实时获取传感器数据以及数据链路保障。无人机上的远距离数据链以及稳定的视频画面需要实时传输到地面测控站，当出现异常时，地面控制人员可以随时发出指令，对无人机下达新的任务规划。
目标船只通过手机发出信息至地面控制中心，控制中心接收信息后，发出指令给执行船只和无人机，执行船只由所述的无人机进行指挥，水域、空域协同工作，所述的无人机通过所述的水陆二次定位方法寻找目标船只，确定目标船只位置，并指挥执行船只到达目标船只附近，执行船只中安装压力传感器，压力传感器信号与所述的地面测控站之间实时传输，所述的无人机可以接收到地面测控站传输的信号，待检测到压力传感器相关信息后，指挥执行船只进行返程。
所述的实现无人机水陆二次定位的系统和方法分为两部分，在陆地范围及水域粗略定位采用gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位方法为主，gps和/或北斗定位系统等其他定位方法只能获取粗略定位，无法获得更加精确的定位，到达目标船只附近，需通过无人机摄像头定位获得精确位置。
所述的gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位为无人机常见定位方法，其基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，综合多颗卫星的数据得到接收机的具体位置。
所述的gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位方法具体步骤如下：
1)获取目标船只gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号：目标船只将信息以及gps定位信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号通过手机数据传输发送给地面控制中心。地面控制中心获取目标船只中的手机gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号后，通过串口指令形式将此信号传输至无人机机载中央处理器，机载中央处理器获得相关信号后对数据进行处理，机载中央处理器将处理好的信号传输至无人机飞行控制器。
2)获取无人机gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号：无人机包含gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块，无人机gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块直接与飞行控制器连接，获取无人机自身位置信息。
3)无人机确定位置：无人机飞控系统获取当前无人机的位置信号以及目标船只的位置信号，此时，完成对目标船只完成初步定位。
所述的摄像头定位是指无人机携带机载摄像机，识别目标物体。分为两部分，第一部分摄像头需识别执行船只在水域运动过程中的障碍物。第二部分摄像头需检测目标小船的位置。
所述的摄像头定位具体步骤为：
1)摄像头标定，获取相关参数：本文采用线性模型又称为针孔模型。获得空间某点的三维几何位置坐标和其对应在摄像头中的二维图像位置坐标，通过坐标系转换关系即可获得摄像头内外参数。各坐标系之间转换关系如图7所示。
图7中共有四个坐标系，分别为世界坐标系ow-xw,yw,zw，摄像头坐标系oc-xc,yc,zc、图像像素坐标系o-uv、图像物理坐标系o-xy，其中，摄像头坐标系原点oc为摄像头光心，z轴与光轴重合。图像像素坐标系原点为图像左上角，单位长度为图像像素数。图像物理坐标系的坐标原点为光轴和成像平面的交点，x轴、y轴分别与xc轴、yc轴平行。图中f代表焦距，p是三维世界中任意一点，设其在世界坐标系下的坐标为(xw，yw，zw)，在摄像头坐标系下的坐标为(xc，yc，zc)，在图像物理坐标系下的坐标为(x，y)，在图像像素坐标系下的坐标为(u，v)。
则(x，y)与(u，v)之间对应关系为：
式中：dx、dy分别为每个像素点对应在图像坐标系x、y轴上的物理尺寸，(u0、v0)为图像物理坐标系的原点对应的图像像素坐标系中的坐标。
(x，y)与(xc，yc，zc)之间对应关系为：
(xc，yc，zc)与(xw，yw，zw)之间对应关系为：
式中r＝r(α，β，γ)为3×3旋转矩阵，α，β，γ分别为p点在摄像头坐标系下绕xc，yc，zc轴的旋转角度，t为3×1平移向量。0t＝[0，0，0]。
由式(1)(2)(3)可以推出：
式中
由此可以看出，已知点的图像像素坐标及其和世界坐标系之间的对应关系即可得到摄像头的内参数、外参数，实现摄像头标定。
2)获取水域中障碍物位置信息，进行路径规划。无人机通过机载摄像机识别水域中的船只等障碍物，并将其参数和提取到的摄像头拍摄照片中部分点的图像像素坐标发送至无人机机载中央处理器，无人机机载中央处理器对数据进行处理之后进行路径规划，保证水域中执行船只实现避障，安全行驶。
3)到达目标船只附近，识别目标船只。gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位确定目标船只大致位置之后，到达目标船只附近，无人机通过机载中央处理器发送一段指令至地面控制中心，地面控制中心将其转化为链接发至送货船只手机中。手机打开链接，闪光灯将以一定频率及步长循环闪烁，将手机放置在露天环境下，无人机机载摄像机进行视频采集，采集过程符合采样定理，将采集到的信息传输至无人机机载中央处理器，无人机机载中央处理器通过欧拉视频放大技术识别闪烁着的闪光灯，分割视频采集到的画面，对信息进行处理，得到不同区域闪光灯循环闪烁频率解码，将所获解码与地面控制中心发送的目标编码进行比对，找到吻合的画面区域，获取目标船只的精确定位信息。若手机可发出特殊光，地面控制中心也可发送特定光编码，视频采集只需对光进行解码即可，将解码与目标编码进行比对，找到吻合的画面区域，亦可获取目标船只的精确定位信息。定位信息传输至无人机飞控系统，无人机飞行控制器进行路径规划，并发送指令至执行船只。
所述的无人机飞控系统控制方法及路径规划具体如下：
1)飞行控制器调节：无人机飞行控制器通过数据采集模块采集到的数据包含陀螺仪(即角速度计，用于飞行姿态感知)、加速度计、地磁感应、气压传感器(用于粗略计算悬停高度)、超声波传感器(用于低空高度精确控制及避障)、光流传感器(用于精确测量悬停水平位置)、gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块(用于粗略定位无人机水平位置)等数据信息，同时接收机载中央处理器传输的飞行指令，按照指令要求，无人机保障自身在空中平稳飞行且按照机载中央处理器规划的路径进行运动。
2)机载中央处理器调节：机载中央处理器通过目标船只手机发出的gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号而获得的目标船只大致位置信息、无人机自身的gps信号模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块、机载摄像机识别到的水域中障碍物位置信息，以及机载摄像机识别闪光灯频率编码而获得的目标船只具体位置信息，向无人机飞行控制器下达飞行指令，保证无人机朝向目标船只运动，执行船只与无人机保持同步运动，且执行船只运动过程中避开障碍物。机载中央处理器接收地面测控中心数据处理基站发出的数据，包括执行船只中压力传感器的数据以判断送货是否完成。
3)地面计算处理调节：向机载中央处理器发送命令，按照压力传感器输出的结果来指挥无人机返程。
附图说明
图1是本系统场景示意图；
图2是无人机机载摄像机识别障碍物流程图；
图3是本系统的完整工作流程图(手机使用普通闪光灯)；
图4是本系统的完整工作流程图(手机可发出特殊光)；
图5是无人机送货的工作流程图(手机使用普通闪光灯)；
图6是无人机送货的工作流程图(手机可发出特殊光)；
图7是各坐标系之间变换关系原理图。
本发明有益成果：
(1)本发明可实现无人机水陆二次高精确定位。
(2)本发明的无人机可实现自动规划路径及返程的功能。
(3)本发明仅使用一个无人机机载摄像机即可完成船只在水域中避障及精确识别目标船只。
(4)本发明中无人机通过gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位及摄像头定位识别水域中目标船只并指挥水域中船只到达目标船只，系统具备低成本、高自动化和高稳定性等特点。
具体实施方式
为了更详细地说明本发明的一种实现无人机水陆二次定位的系统和方法，下面根据附图详细说明本发明。
实施例1：
下面以无人机指挥执行船只(送货船只)为目标船只(西湖等景区游船)送货或外卖为例，具体说明一种实现无人机水陆二次定位的系统和方法。
步骤一，目标船只(游船)通过手机对所需货物进行下单，控制中心接收订单完成配货后，将相关货物放置执行船只(送货船只)中。
步骤二，控制中心发出指令，执行船只(送货船只)及无人机出发，执行船只的前进与无人机保持同步，由所述的无人机进行指挥，水域、空域协同工作。
无人机飞行路线规划及控制具体如下：
1)gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位方法获取大致定位信息：游客向地面控制中心发送订单时将手机gps定位信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号与地面控制中心共享，地面控制中心通过串口指令形式将游客手机的gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号传输至无人机机载中央处理器。机载中央处理器接收到游客手机gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号以及无人机gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块传输的无人机本身位置信号后对数据进行处理，将处理好的信号传输至无人机飞行控制器，对游船完成初步定位。
2)摄像头识别水域中障碍物(其他船只等)：摄像头识别水域中障碍物后进行摄像头标定，通过坐标系转换关系即可获得摄像头内外参数，摄像头内外参数及提取到的摄像头拍摄照片中部分点的图像像素坐标传输至无人机机载中央处理器，无人机机载中央处理器对数据进行处理之后进行路径规划，发送指令至无人机飞行控制系统，保证水域中执行船只实现避障，安全行驶。
3)摄像头定位方法获取精确定位信息：到达目标船只附近，无人机机载中央处理器发送已经到达目标船只附近信息给地面控制中心，地面控制中心收到信息之后，以链接形式发送至游客手机中，游客打开链接，手机闪光灯以一定频率及步长循环闪烁，同时将闪光灯频率编码发送给无人机机载中央处理器。游客接收到消息，开启闪光灯后至船头露天处，无人机机载摄像机进行视频采集，采集过程满足采样定理，将采集到的信息传输至无人机机载中央处理器，无人机机载中央处理器通过欧拉视频放大技术识别闪烁着的闪光灯，分割视频采集到的画面，对信息进行处理，得到不同区域闪光灯循环闪烁频率解码，将所获解码与地面控制中心发送的目标编码进行比对，找到吻合的画面区域，获取目标船只的精确定位信息。
若手机可发出特殊光，地面控制中心也可发送特定光编码，视频采集只需对光进行解码即可，将解码与目标编码进行比对，找到吻合的画面区域，亦可获取目标船只的精确定位信息。
4)路径规划及飞行控制：无人机机载中央处理器通过处理gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号以及摄像头采集到的信息对无人机进行路径规划，实现送货船只避障以及到达目标船只所在位置。无人机飞行控制器接收机载中央处理器传输的飞行指令，按照指令要求保持空中平稳飞行，通过数据采集模块采集到的数据包含陀螺仪(即角速度计，用于飞行姿态感知)、加速度计、地磁感应、气压传感器(用于粗略计算悬停高度)、超声波传感器(用于低空高度精确控制及避障)、光流传感器(用于精确测量悬停水平位置)、gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块(用于粗略定位无人机水平位置)等数据信息实现对无人机飞行的控制。
步骤三，无人机指挥送货船只抵达目标船只位置后，游客将货物取下，送货船只中安装压力传感器，压力传感器实时数据传输回地面控制中心，通过压力传感器传送的数据判断取货是否完成，游客取货完成后，地面控制中心将向无人机发送返航指令，无人机及送货船只返航，送货完成。
实施例2：
下面以无人机指挥执行船只(救援船只)为目标船只(被困船只)配送救援物资为例，部分船只被困时，由于被困船只较大搁浅，无法行使，可采用小型船只配送救援物资，为被困人员争取救援时间。以此为例具体说明一种实现无人机水陆二次定位的系统和方法。
步骤一，目标船只(被困船只)通过手机向地面控制中心发出求救信号，地面控制中心接收求救信息后，将相关救援物资放置执行船只(救援船只)中。
步骤二，控制中心发出指令，执行船只(救援船只)及无人机出发，执行船只的前进与无人机保持同步，由所述的无人机进行指挥，水域、空域协同工作。
无人机飞行路线规划及控制具体如下：
1)gps定位和/或北斗定位系统等其他粗略定位方法获取大致定位信息：求救者向地面控制中心发送求救信息时将手机gps定位信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号与地面控制中心共享，地面控制中心通过串口指令形式将求救者手机的gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号传输至无人机机载中央处理器。机载中央处理器接收到求救者手机gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号以及无人机gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块传输的无人机本身位置信号后对数据进行处理，将处理好的信号传输至无人机飞行控制器，对被困船只完成初步定位。
2)摄像头识别水域中障碍物(树木、石头等)：摄像头识别水域中障碍物后进行摄像头标定，通过坐标系转换关系即可获得摄像头内外参数，摄像头内外参数以及提取到的摄像头拍摄照片中部分点的图像像素坐标传输至无人机机载中央处理器，无人机机载中央处理器对数据进行处理之后进行路径规划，发送指令至无人机飞行控制系统，保证水域中救援船只实现避障，安全行驶。
3)摄像头定位方法获取精确定位信息：到达目标船只附近，无人机机载中央处理器发送到达目标船只附近信息给地面控制中心，地面控制中心收到信息之后，以链接形式发送至被困者手机中，被困者打开链接，手机闪光灯以一定频率及步长循环闪烁，同时将闪光灯频率编码发送给无人机机载中央处理器。被困者接收到消息，开启闪光灯后站至船头露天处，无人机机载摄像机识别闪光灯循环闪烁频率编码并与地面控制中心发布的频率编码进行匹配，获取目标船只的精确定位信息。若手机可发出特殊光，地面控制中心也可发送特定光编码，视频采集只需对光进行解码即可，将解码与目标编码进行比对，找到吻合的画面区域，亦可获取目标船只的精确定位信息。
4)路径规划及飞行控制：无人机机载中央处理器通过处理gps信号和/或北斗定位系统等其他粗略定位信号以及摄像头采集到的信息对无人机进行路径规划，实现救援船只避障以及到达被困船只所在位置。无人机飞行控制器接收机载中央处理器传输的飞行指令，按照指令要求保持空中平稳飞行，通过数据采集模块采集到的数据包含陀螺仪(即角速度计，用于飞行姿态感知)、加速度计、地磁感应、气压传感器(用于粗略计算悬停高度)、超声波传感器(用于低空高度精确控制及避障)、光流传感器(用于精确测量悬停水平位置)、gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块(用于粗略定位无人机水平位置)等数据信息实现对无人机飞行的控制。
步骤三，无人机指挥救援船只抵达被困船只位置后，被困者将救援物资取下，救援船只中安装压力传感器，压力传感器实时数据传输回地面控制中心，通过压力传感器传回的数据可以判断救援物资是否被取下，被取下后，地面控制中心将发送返航指令，无人机及送货船只返航，救援物资保障被困者暂时没有生命危险，为进一步救援争取时间。
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