用于基于二维码和长直线混合定位的无人机精准降落方法与流程

1.本发明涉及无人机视觉定位技术领域，具体是用于基于二维码和长直线混合定位的无人机精准降落方法。


背景技术：

2.近年来，无人机由于灵活性高、成本低稳定性高等优点，在多个领域得到了广泛应用。
3.目前，无人机自主降落仍存在很多问题。常见的无人机自主降落方法有两种：一种是基于gps定位的自主降落，无人机根据gps定位移动到特定坐标的降落点，其缺点是，民用gps定位精度大都在0.5m以上，且很多受遮挡的环境下gps信号很弱，导致基于gps的降落并不够精准和可靠。
4.另一种是基于图像识别技术的自主降落技术，通过无人机机载电脑识别地面目标降落点，获得无人机与目标降落点的相对位置，指导无人机降落；具体应用时，降落目标一般为二维码，二维码尺寸要足够大以保证无人机在高处可以精确识别，但缺点是，无人机在降落到低处时，受相机视野影响，难以完整识别大尺寸的二维码，导致定位精度受到影响。
5.总的来说，当无人机处在高处时，期望无人机快速与降落目标对齐并快速下降；当无人机降落到一定高度，接近降落目标时，期望无人机能够精准与降落目标对齐，并缓慢下降避免炸机；因此，对于无人机的降落，需要获取无人机与降落目标的相对高度，以指导无人机在不同高度下做出不同程度的调整，但现有技术提供的解决方案并不能完美匹配上述应用场景。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供用于基于二维码和长直线混合定位的无人机精准降落方法，以解决现有技术中存在的缺陷。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
8.用于基于二维码和长直线混合定位的无人机精准降落方法，包括如下步骤：
9.(1)、制作二维码和长直线的混合标签降落板，放置于降落点，所述降落板包括大尺寸二维码和位于二维码中心的长直线；
10.(2)、无人机通过安装于无人机中心下方的相机获取下方包含降落板的图像；
11.(3)、机载电脑处理图像，获取二维码中心位置；计算图像中心与二维码中心的偏差；
12.(4)、以步骤(3)中计算得到的图像中心与二维码中心的偏差作为输入，控制无人机在x,y方向的速度，使图像中心与二维码中心基本对齐；
13.(5)、图像中心与二维码中心基本对齐之后，无人机以较大速度下降，在下降过程中，如步骤(4)所述，不断修正无人机位置；
14.(6)、当无人机下降到一定高度时，相机可以获取二维码中心的两条直线图像，机
载电脑识别出两条直线，并计算直线在图像坐标系下的倾斜角度、中心点坐标、间距；
15.(7)、根据步骤(6)中获取的直线在图像坐标系下的倾斜角度，控制无人机偏航角速度，使无人机机头方向与直线方向对齐，并根据直线中心点坐标、两直线间距，粗略估计机体坐标系下无人机与降落板中心相对位置，以机体坐标系下无人机与降落板中心相对位置为参考计算无人机在x,y方向的速度，使图像中心与两直线中心点基本对齐；
16.(8)、待无人机机头方向与直线方向基本对齐且图像中心与两直线中心点基本对齐之后，根据两直线间距计算无人机与降落板相对高度，以无人机与降落板相对高度为参考控制无人机下降速度，在下降过程中，如步骤(7)所述步骤，不断修正无人机位置；最终实现精准稳定降落。
17.本发明的有益效果是：采用二维码和长直线的混合标签作为降落板，解决了无人机高空识别降落板要求尺寸尽量大与低空无法完整识别大尺寸降落板的矛盾；实现了无人机在高空处以较快的水平速度对齐降落板并以较大速度垂直下降，在低空精准对齐引导降落线并以较小速度安全下降，提高了无人机降落的效率、精确度、可靠性。
附图说明
18.图1为本发明降落板示意图；
19.图2为本发明完整降落方法流程示意图；
20.图3为本发明二维码引导降落流程示意图；
21.图4为本发明长直线引导降落流程示意图；
22.图5为本发明高处下降阶段降落板视图及直线检测、间距计算结果示意图；
23.图6为本发明低处下降阶段降落板视图及直线检测、间距计算结果示意图；
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
25.如图1-4所示，基于二维码和长直线混合定位的无人机精准降落方法，包括如下步骤：
26.(1)、制作二维码和长直线的混合标签降落板，放置于降落点，所述降落板包括大尺寸二维码和位于二维码中心的长直线；
27.(2)、无人机通过安装于无人机中心下方的相机获取下方包含降落板的图像；
28.(3)、机载电脑处理图像，获取二维码中心位置；计算图像中心与二维码中心的偏差；
29.(4)、以步骤(3)中计算得到的图像中心与二维码中心的偏差作为输入，控制无人机在x,y方向的速度，使图像中心与二维码中心基本对齐；
30.(5)、图像中心与二维码中心基本对齐之后，无人机以较大速度下降，在下降过程中，如步骤(4)所述，不断修正无人机位置；
31.(6)、当无人机下降到一定高度时，相机可以获取二维码中心的两条直线图像，机载电脑识别出两条直线，并计算直线在图像坐标系下的倾斜角度、中心点坐标、间距；
32.(7)、根据步骤(6)中获取的直线在图像坐标系下的倾斜角度，控制无人机偏航角
速度，使无人机机头方向与直线方向对齐，并根据直线中心点坐标、两直线间距，粗略估计机体坐标系下无人机与降落板中心相对位置，以机体坐标系下无人机与降落板中心相对位置为参考计算无人机在x,y方向的速度，使图像中心与两直线中心点基本对齐；
33.(8)、待无人机机头方向与直线方向基本对齐且图像中心与两直线中心点基本对齐之后，根据两直线间距计算无人机与降落板相对高度，以无人机与降落板相对高度为参考控制无人机下降速度，在下降过程中，如步骤(7)所述步骤，不断修正无人机位置。最终实现精准稳定降落。
34.如图1所示，在一个具体实施例中，所述降落板上的二维码尺寸：1.5m*1.5m，直线位于二维码中心，尺寸为0.13m*1.5m；
35.下面以上述降落板尺寸为例，结合附图1-图,6，具体介绍该降落方法的一个具体实施例：
36.s1：制作二维码和长直线的混合标签降落板，放置于降落点。所述降落板包括大尺寸二维码和位于二维码中心的长直线；二维码尺寸：1.5m*1.5m，直线位于二维码中心，尺寸为0.13m*1.5m。
37.s2：无人机在降落板上方，安装在无人机中心上的相机获取下方包含降落板的图像；相机安装在无人机中心，自上而下采集图像。
38.s3：机载电脑处理图像：使用大津法对图像进行二值化处理；在二值化图像中识别二维码并计算二维码中心位置；计算图像中心与二维码中心的偏差e1(t)；
39.s4：以s3中计算得到的图像中心与二维码中心的偏差e1(t)作为输入，控制无人机在x,y方向的速度，使图像中心与二维码中心基本对齐；上述偏差作为pd控制器输入，经pd控制器作用输出无人机在x,y方向上的期望速度u
x,y
(t)，控制无人机以此速度移动。
[0040][0041]
s5：图像中心与二维码中心基本对齐之后，无人机以1.5m/s速度下降，在下降过程中，如s4所述步骤，不断修正无人机位置；具体过程：获取实时的二维码中心与图像中心的偏差，经pd控制器计算无人机在x,y方向上的期望速度，并执行x,y方向上的速度控制，当二维码中心与图像中心偏差小于阈值k1时，控制无人机以1.5m/s速度下降。
[0042]
s6：当无人机下降到5m左右时，相机可以获取二维码中心的两条直线图像，机载电脑识别出直线，并计算直线在图像坐标系下的倾斜角度、中心点坐标、间距；所述直线识别算法为使用大津法对图像进行二值化处理，使用hough变换在二值化图中提取直线，获取直线倾斜角度θ(t)、中心点坐标、间距w。
[0043]
s7：根据s6中获取的直线在图像坐标系下的倾斜角度，控制无人机偏航角速度ω
yaw
(t)，使无人机机头方向与直线方向对齐。并根据直线中心点坐标控制无人机在x,y方向的速度，使图像中心与两直线中心点基本对齐；具体过程：计算直线与图像垂直方向的倾斜角度，将此倾斜角度作为pd控制器输入，经pd控制器作用输出期望的无人机偏航角速度，控制无人机以此速度偏转。
[0044][0045]
当倾斜角度θ(t)小于阈值k2时，计算两直线中心点与图像中心偏差e2(t)。因直线
宽度w与无人机高度成反比，故取作为机体坐标系下无人机与两直线中心点的偏差。将此偏差作为pd控制器输入，经pd控制器作用输出无人机在x,y方向上的期望速度u
x,y
(t)，控制无人机以此速度移动。
[0046][0047]
s8：待无人机机头方向与直线方向基本对齐且图像中心与两直线中心点基本对齐之后，以v
max
＝1.5m/s为基准，根据两直线间距控制无人机下降速度，效果为在高处快速接近降落板，低处慢速接近降落板，最终实现快速稳定降落。
[0048][0049]
下降过程中，如s7所述步骤，不断修正无人机位置。最终实现精准稳定降落。具体过程：计算直线与图像垂直方向的倾斜角度，计算两直线中心点与图像中心偏差，当倾斜角度小于阈值k2，两直线中心与图像中心偏差小于k3(即x,y方向的偏差均小于k3)时，控制无人机以期望速度下降。最终实现无人机精准稳定降落。
[0050]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。