[发明专利]一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法

权利要求书

1.一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，生成ArUcoMarker：每一个ArUco Marker都是一个二进制平方标记，它由一个宽的黑边和一个内部的二进制矩阵组成；ArUcoMarker为ArUco标志板；

步骤2，接收解析飞控指令：飞控和视觉算法之间通过串口通信，而串口端口和波特率信息记录在配置文件中，算法流程从配置文件中打开对应端口并创建接收解析飞控指令的线程；

步骤3，执行视觉降落算法：视觉算法处理端根据读取到的视频帧和预先标定的相机参数，采用ArUco算法库对视频帧中的Marker进行检测，并估算得到当前时刻无人机相对于Marker的位置和姿态；当接收到飞控发送的视觉着陆启动信号时，视觉降落算法进入跟随状态；

步骤4，发送结果至飞控：在完成每一个视频帧的处理后，将处理结果发送至飞控；

步骤5，飞控动作响应：当飞控接收到视觉算法的数据包后，如果定位状态为1，则说明此时算法数据可信任，飞控将根据当前相机相对于Marker中心的偏移量以及偏航角对飞机位姿进行反向补偿和降落策略的控制，从而实现无人机的准确着陆。

2.根据权利要求1所述的一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，其特征在于，步骤1具体为：黑色边界用于快速检测到图像，二进制编码用于决定Marker的ID；Marker存在多种表现形式，而Marker的字典就是各个形式的集合，其主要性质是字典大小和Marker大小，其中，字典大小是组成字典的Marker数量，而Marker大小则是二进制位的个数；

采用多个Marker嵌套的模式确保无人机在降落阶段的不同高度都能看到完整的Marker，从而实现姿态估计，每组嵌套Marker内部二进制编码均不同且有特定的对应关系，能够实现机场扩展。

3.根据权利要求1所述的一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，其特征在于，步骤2中具体为：飞控按照包的形式发送数据，主要的信息包括机场ID号以及开关命令，其中，机场ID号用于确保无人机降落到指定机场，而开关命令用于切换引导控制权，当算法读取到开始指令时则启动视觉引导着陆任务。

4.根据权利要求1所述的一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，其特征在于，步骤3中具体为：

1)连接相机，以获取视频图像信息；如果相机连接失败，则发送错误信号给飞控；

2)读取相机参数、机场信息和Marker信息；其中，相机参数通过标定相机所得，用于记录相机内参和畸变参数等固有属性；机场信息用于记录降落区域的机场个数及编号，采用外大里小两层Marker嵌套的方式，每个机场包含了两个Marker ID；而Marker信息用于记录Marker隶属的字典以及对应的边长，单位为米；

3)调用ArUco库中的检测函数，用于标记画面中出现的指定ID的Marker；具体地，检测算法先通过灰度化将图像由RGB通道转为Gray通道，再使用中值滤波去除噪声干扰，并利用自适应阈值Otsu的方式将灰度图进行二值化，随后提取轮廓，并找出所有可能的凸四边形作为候选，最后通过ID值和Marker内部矩阵比对筛选出指定Marker进行框选，且优先选择大Marker；

4)调用ArUco库中的位姿估算函数，得到Marker相对于相机的位置和姿态；具体地，根据相机坐标系和Marker坐标系的对应关系，根据PnP方式建立二者的旋转和平移关系，得到Marker相对于相机的变换矩阵；

5)对上一步的变换矩阵求逆得到相机相对于Marker的旋转和平移矩阵，确保所有估算得到的相机位姿都相对于同一个坐标系。

5.根据权利要求1所述的一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，其特征在于，步骤4中视觉算法发送给飞控的数据包括定位状态、X方向偏移量、Y方向偏移量、Z方向偏移量以及偏航角；该数据同样采用数据包的形式发送，数据发送频率和视频帧率保持一致。

6.根据权利要求1所述的一种基于ArUco标签的无人机视觉引导降落方法，其特征在于，步骤5中进一步的，在修正无人机在水平方向上不断居中的同时，还需控制其在垂直方向的高度；在降落过程中Marker偏出相机视野时，需要拉高飞机至一定高度以使Marker重新出现在画面中。