一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，更具体地说是一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法。

背景技术：

无人机在使用视觉引导着陆的时候，是由高空向地下降落，由于定位精度要求较高，而常规gps的定位精度无法满足要求，而视觉定位技术可以满足精度与成本的要求。由于无人机着陆的初始高度较高，一般是5-10米，而着陆末端的高度只有不到1米，因此需要摄像头的视野越来越小，对摄像头分辨率以及地标的设计有一定的要求。

现有的技术都是使用单一二维码，或者二维码过于复杂，单位面积的有效的信息不够多，容易选择丢失目标，识别的高度范围比较小，不能覆盖无人机的整个降落高度范围。特别是在降落到比较靠近二维码时，超出机载摄像头的视觉范围，不能准确降落在需要降落的区域，避免不了降落误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法，

嵌入式二维码设置于降落区域；无人飞机设有用于识别嵌入式二维码的机载相机；

机载相机识别降落区域的嵌入式二维码；

无人飞机后解码嵌入式二维码；

判断嵌入式二维码的合法性；

根据合法的嵌入式二维码构造以该嵌入式二维码为基准的坐标系，并提取出该嵌入式二维码的四个角坐标；

根据嵌入式二维码的四个角坐标计算出无人飞机在坐标系中的实际坐标和姿态信息；

无人飞机根据自身的空间坐标与坐标系原点的相对位置引导无人飞机移动，并降落于坐标系原点。

其进一步技术方案为：所述嵌入式二维码为n*n个识别单体组合的网格，设为母嵌入式二维码；所述嵌入式二维码的第[(n+1)/2]*[(n+1)/2]识别单体为中心识别单体；

所述中心识别单体嵌入有子嵌入式二维码；所述子嵌入式二维码为n*n个识别单体组合的网格；所述子嵌入式二维码的第[(n+1)/2]*[(n+1)/2]识别单体为子中心识别单体；所述子中心识别单体设置有n*n个识别单体组合的网格；

其中，识别单体为二值化设置，n为大于或等于3的奇数。

其进一步技术方案为：所述识别单体为黑色或白色；其中，所述识别单体的黑色定义为1，白色定义为0；或，所述识别单体的黑色定义为0，白色定义为1。

其进一步技术方案为：所述n*n网格的第1*1识别单体、第1*n识别单体、第n*1识别单体、第n*n识别单体分别为黑色、黑色、黑色、白色；

或，

所述n*n网格的第1*1识别单体、第1*n识别单体、第n*1识别单体、第n*n识别单体分别为白色、黑色、黑色、黑色。

其进一步技术方案为：所述机载相机对降落区域的嵌入式二维码识别是通过无人飞机处于降落区域的上空时，机载相机获取降落区域图像；无人飞机的内部程序对图像进行滤波、二值化处理；从处理后的图像识别出嵌入式二维码。

其进一步技术方案为：无人飞机的机载相机从n*n网格识别出网格线交点上的像素及交点周围设定范围内的像素，并根据二值化进行颜色判断，判断出识别单体的区域；根据图像二值化的定义解码出嵌入式二维码的编码值；根据解码出的嵌入式二维码的编码值与无人飞机中数据库储存的二维码编码值进行对比，以判断嵌入式二维码的合法性。

其进一步技术方案为：嵌入式二维码的四个角实际物理坐标所在的坐标系是根据嵌入式二维码的中心为原点，x轴平行于嵌入式二维码一条边，方向为任意方向；z轴垂直于嵌入式二维码平面向下，y轴垂直于x、z轴构成的平面；通过嵌入式二维码实际尺寸计算出四个角的实际物理坐标。

其进一步技术方案为：根据嵌入式二维码的四个角在坐标系中的xy平面的二维坐标和坐标系中的空间坐标，通过pnp算法计算出无人飞机的空间坐标和姿态信息。

其进一步技术方案为：无人飞机的空间坐标与坐标系原点相对位置的引导是通过pid控制算法来控制无人飞机的位移；在无人飞机引导过程中，机载相机的视野范围以母嵌入式二维码的四个角作为识别点，并以母嵌入式二维码的坐标系引导降落；如果超出机载相机的视野范围，机载相机再以子嵌入式二维码的四个角作为识别点，以子嵌入式二维码的坐标系引导降落，直至降落至坐标系的原点。

其进一步技术方案为：无人飞机的坐标的确定，根据机载相机设定的内部坐标参数与嵌入式二维码的四个角的xy平面坐标和空间坐标的比较，利用最小化重投影误差的算法来求解机载相机的外部坐标参数，且机载相机的外部坐标参数就是无人飞机在坐标系的位置坐标，并以此识别出无人飞机的姿态信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过嵌入式二维码引导无人飞机自动降落，在一定高度范围内，以母嵌入式二维码为基准下降，下降到一定的高度后，母嵌入式二维码不在机载相机的视觉范围内时，启用子嵌入式二维码，确保整个下降过程都具有下降目标。其中，嵌入式二维码较为简单，在无人飞机降落的过程中，单位面积的有效的信息丰富，不容易丢失目标，识别的高度范围比较宽，能覆盖无人飞机的整个降落高度，降落准确度高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法的3*3网格的嵌入式二维码；

图2为本发明的一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法的3*3网格的嵌入式二维码；

图3为本发明的一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法的5*5网格的嵌入式二维码；

图4为本发明的一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不是限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚的指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

图纸1至4为本发明的图纸。

本实施例提供了一种基于嵌入式二维码的无人飞机降落方法，特别是用在无人飞机的自动降落。将带有嵌入二维码的降落平台设置在适当的降落位置，无人飞机通过自动或人工飞行至降落的区域和适当的高度。

其中，嵌入式二维码为n*n个识别单体组合的网格，设为母嵌入式二维码。嵌入式二维码的第[(n+1)/2]*[(n+1)/2]识别单体为中心识别单体。

中心识别单体嵌入有子嵌入式二维码。子嵌入式二维码为n*n个识别单体组合的网格。子嵌入式二维码的第[(n+1)/2]*[(n+1)/2]识别单体为子中心识别单体。子中心识别单体设置有n*n个识别单体组合的网格；其中，n为大于或等于3的奇数。n*n个识别单体组合的网格外部设有一个外框。

具体的，请参阅图1、2，以3*3个识别单体组合的网格为例子，在母嵌入式二维码的第2*2的识别单体(即中间识别单体)中再设置一个子嵌入式二维码。在无人飞机降落过程中，无人飞机的机载相机首先对母嵌入式二维码(3*3个识别单体组合的网格)进行识别，在降落到一定的高度时，母嵌入式二维码会超出机载相机视觉范围，那么无人飞机的机载相机就会对子嵌入式二维码进行识别，重新以子嵌入式二维码为降落基准，继续降落。

为了降落的准确度，可以在子嵌入式二维码的第[(n+1)/2]*[(n+1)/2]识别单体再设置子子嵌入式二维码，降落的原理与上述相同。

在理论上可以设置无穷个子嵌入式二维码，嵌入式二维码包括一母嵌入式二维码，n个嵌入式二维码，其中,n大于等于1；其中，第n个嵌入式二维码设置于第n-1个嵌入式二维码的第[(n+1)/2]*[(n+1)/2]识别单体为中心识别单体。

子嵌入式二维码设置得越多，降落的准确度越高，一般的都是设置三重嵌入式二维码(母嵌入式二维码，子嵌入式二维码，子子嵌入式二维码)。

识别单体为二值化设置，识别单体为黑色或白色；其中，所述识别单体的黑色定义为1，白色定义为0；或，所述识别单体的黑色定义为0，白色定义为1。二值化设置有利于机载相机的识别和解码。

具体的，为了能够在不同的角度拍摄得到正确的顺序，n*n网格的第1*1识别单体、第1*n识别单体、第n*1识别单体、第n*n识别单体分别为黑色、黑色、黑色、白色；或，所述n*n网格的第1*1识别单体、第1*n识别单体、第n*1识别单体、第n*n识别单体分别为白色、黑色、黑色、黑色。

例如，请参阅图1、2，3*3个识别单体组合的网格，框里面包括3x3网格，一共9个小方块的识别单体，每个识别单体可以为黑色和白色两种，为了能够让在不同的角度拍摄得到正确的顺序，规定左上角，右上角，左下角，右下角四个小方块分别是黑色、黑色、黑色、白色；也可以反过来白色、黑色、黑色、黑色，可以自定义黑白两种颜色。黑色规定为1，白色规定为0，也可以反过来，黑色规定为0，白色规定为1。

为了可以让二维码嵌入另一个二维码，中间的小方块(即中间识别单体)由另一个小尺寸的二维码(即子嵌入式二维码)替代。剩下4个小方块识别单体的排列顺序为从上到下，从左到右，颜色为黑色或者白色，二维码的码值由该4个小方块确定，此编码方式支持16(2的四次方)个二维码码值。

请参阅图3，可以增大嵌入式二维码的网格数量(如5x5)来增大二维码的编码数量。中间识别单体嵌入小尺寸的子嵌入式二维码编码，功能与母嵌入式二维码是一样的。如果有必要的话，在子嵌入式二维码的中间识别单体还可以嵌入更下一级的嵌入式二维码编码。母嵌入式二维码和子嵌入式二维码的编码值根据需要改动。

请参阅图4，嵌入式二维码设置在降落区域后，无人飞机在飞行至预定的降落区域，根据以下步骤进行降落：

步骤s10，嵌入式二维码设置于降落区域；无人飞机设有用于识别嵌入式二维码的机载相机；机载相机识别降落区域的嵌入式二维码。

机载相机对降落区域的嵌入式二维码识别是通过无人飞机处于降落区域的上空时，机载相机获取降落区域图像；无人飞机的内部程序对图像进行滤波、二值化处理；从处理后的图像识别出嵌入式二维码。机载相机安装在无人飞机的底部，以60hz的速率获取降落点的图像，并且传送至无人飞机内部的处理单元进行处理。

无人飞机在一定高度对降落点的周围进行拍照，可以通过矩阵形式的扫描拍照，以确定嵌入式二维码所在大概的位置，再进行缩小范围进行搜索，最终确定嵌入式二维码的准确位置，进而拍照识别。

一般的，嵌入式二维码设置在一个平整的降落面上，嵌入式二维码的外周是四边形、圆形等比较规则的图形，以方便于机载相机的识别。

步骤s20，无人飞机识别后解码嵌入式二维码，并判断嵌入式二维码的合法性。

无人飞机从拍照的图像中识别出嵌入式二维码的范围，并且确定具体嵌入式二维码的位置，机载相机可以对嵌入式二维码进行解码。无人飞机的机载相机从n*n网格识别出网格线交点上的像素及交点周围设定范围内的像素，并根据二值化进行颜色判断，判断出识别单体的区域。根据图像二值化的定义解码出嵌入式二维码的编码值。

步骤s30，判断嵌入式二维码的合法性。根据解码出的嵌入式二维码的编码值与无人飞机数据库中储存的二维码编码值进行对比，以判断嵌入式二维码的合法性。如果解码出的嵌入式二维码的编码值与无人飞机数据库中存储的二维码编码值相符合，则为合法的嵌入式二维码；如果解码出的嵌入式二维码的编码值与无人飞机数据库中存储的二维码编码值不相符合，则为不合法的嵌入式二维码，返回步骤s10继续识别和解码嵌入式二维码。

步骤s40，根据解码后合法的嵌入式二维码构造以该嵌入式二维码为基准的坐标系，并提取出该嵌入式二维码的四个角坐标。

嵌入式二维码四个角实际物理坐标所在的坐标系是根据嵌入式二维码的中心为原点，x轴平行于嵌入式二维码一个边，方向为任意方向；z轴垂直于二维码平面向下，y轴垂直于x、z轴构成的平面。通过嵌入式二维码实际尺寸计算出四个角的实际物理坐标。

优选的，y轴垂直于x、z轴构成的平面构建右手坐标系。

步骤s50，根据嵌入式二维码的四个角坐标计算出无人飞机在坐标系中的实际坐标和姿态信息。

根据嵌入式二维码的四个角在坐标系中的xy平面的二维坐标和坐标系中的空间坐标，通过pnp算法计算出无人飞机的空间坐标和姿态信息。

其中，通过多对空间坐标与平面坐标的匹配点，在已知或者未知机载相机内部参数的情况下，利用最小化重投影误差来求解机载相机外部参数的算法，机载相机外部参数就是机载相机在坐标系的位置和姿态信息。

具体的，无人飞机的坐标的确定，根据机载相机设定的内部坐标参数与嵌入式二维码的四个角的xy平面坐标和空间坐标的比较，利用最小化重投影误差的算法来求解机载相机的外部坐标参数，且机载相机的外部坐标参数就是无人飞机在坐标系的位置坐标，并以此识别出无人飞机的姿态信息。

步骤s60，无人飞机根据自身的空间坐标与坐标系原点的相对位置引导无人飞机移动，并降落于坐标系原点。

无人飞机的空间坐标与坐标系原点相对位置的引导是通过pid控制算法来控制无人飞机的位移；在无人飞机引导过程，机载相机的视野范围以母嵌入式二维码的四个角作为识别点，并以母嵌入式二维码的坐标系引导降落；超出机载相机的视野范围，机载相机再以子嵌入式二维码的四个角作为识别点，以子嵌入式二维码的坐标系引导降落，直至降落至坐标系的原点。

步骤s70，判断是否为坐标原点，如果降落的位置是原点，则结束控制；如果否，则返回步骤s10继续执行。

在其它实施例中，步骤s50，根据嵌入式二维码的四个角坐标计算出无人飞机在坐标系中的实际坐标，并通过实际坐标与机载相机的内部参数，计算出姿态信息。通过无人飞机自身的姿态信息，并调整降落姿态。在无人飞机中设定降落姿态，从而可以根据无人飞机自身的空间坐标、机载相机内部坐标参数之间的关系，不断调整无人飞机的正确降落姿态。

由于机载相机是固连在无人飞机上的，可以由机载相机在嵌入式二维码坐标系的坐标得到无人飞机的坐标(可近似等于)。根据无人飞机与嵌入式二维码的相对位置引导(通过pid控制算法，进行位置控制)无人飞机的移动，使无人飞机的坐标为(0,0,0)，从而准确的降落到二维码上。在嵌入式二维码引导降落开始阶段，使用母嵌入式二维码四个角作为识别点，在无人飞机高度持续下降过程中，母嵌入式二维码四个角会超出摄像头视野，这时使用内嵌的小二维码(即子嵌入式二维码)进行定位，从而保证降落过程的连续可靠。

与现有技术相比，本发明通过嵌入式二维码引导无人飞机自动降落，在一定高度范围内，以母嵌入式二维码为基准下降，下降到一定的高度后，母嵌入式二维码不在机载相机的视觉范围内时，启用子嵌入式二维码，确保整个下降过程都具有下降目标。其中，嵌入式二维码较为简单，在无人飞机降落的过程中，单位面积的有效的信息丰富，不容易丢失目标，识别的高度范围比较宽，能覆盖无人飞机的整个降落高度范围，降落准确度高。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。