[发明专利]一种用于多旋翼飞行器的图像程控采集方法

摘要

本发明实施例公开了一种用于多旋翼飞行器的图像程控采集方法，涉及无人机技术领域，能够缓减依靠人员靠近现场再进行手动控制以完成巡检作业的问题。本发明包括：图像采集设备安装在多旋翼飞行器上，利用图像采集设备采集特定路径上的图像信息，并通过无线网络发送给地面站内的图像接收模块；地面站内的程控飞行模块根据地面站内环境构建模块的输出结果设定航路点；并将航路点信息通过无线网络发送给多旋翼飞行器；多旋翼飞行器上的飞行控制模块跟踪地面站输出的航路点。并通过运动捕捉设备获得精确的环境信息、航路点信息、飞行器的实时位置和姿态信息、采集图像的位置信息。本发明适用于卫星信号微弱的场合。

主权项

1.一种用于多旋翼飞行器的图像程控采集方法，其特征在于，所述图像程控采集方法用于一种控制系统，所述控制系统包括：多旋翼飞行器、地面站和运动捕捉设备，所述多旋翼飞行器包括驱动模块、飞行控制模块和图像采集设备；所述地面站包括：环境构建模块、程控飞行设计模块、动捕定位导航模块和图像接收模块；所述图像程控采集方法包括：根据所述运动捕捉设备发送的信号，通过所述地面站的环境构建模块获取环境信息，并将所述环境信息向所述地面站的所述动捕定位导航模块、所述程控飞行设计模块和所述图像接收模块传输；通过所述地面站的所述动捕定位导航模块，根据所述环境信息得到所述多旋翼飞行器的飞行状态信息，并根据所述飞行状态信息得到导航信息，再将所述导航信息向所述多旋翼飞行器发送，所述飞行状态信息至少包括：姿态信息和速度信息，所述导航信息至少包括：所述多旋翼飞行器的位置信息、速度信息和姿态信息；通过所述地面站的所述程控飞行设计模块，根据所述环境信息设定航路点，并将设定得到的航路点通过无线网络向所述多旋翼飞行器发送；通过所述多旋翼飞行器的所述飞行控制模块，根据多旋翼飞行器的动力学模型，控制所述多旋翼飞行器按照所述航路点对应的路径飞行；通过所述多旋翼飞行器的所述图像采集设备，实时采集图像信息，并通过无线网络向所述地面站的所述图像接收模块发送；所述根据多旋翼飞行器的动力学模型，控制所述多旋翼飞行器按照所述航路点对应的路径飞行，包括：建立所述多旋翼飞行器的动力学模型；通过所述多旋翼飞行器的所述飞行控制模块，根据所述飞行状态信息，实时更新所述多旋翼飞行器的姿态角；通过所述多旋翼飞行器的动力学模型，根据所述实时更新所述多旋翼飞行器的姿态角信息和所述位置信息，得到所述多旋翼飞行器各个旋翼的转速，并输出到所述多旋翼飞行器的所述驱动模块，由所述驱动模块驱动电机转动，驱使所述多旋翼飞行器跟踪地面站输出的航路点；所述多旋翼飞行的动力学模型，包括：其中，ω_i(i＝1,2,3,4)为第i个旋翼的转速，(x，y，z)表示飞行器的质心位置坐标，f、q、y分别为三维姿态角，分别为飞行器沿x，y，z三个轴的加速度，分别为三个欧拉角f、q、y的角加速度，分别为三个欧拉角f、q、y的角速度，I_x、I_y、I_z为飞行器绕三个机体轴的转动惯量,l为旋翼升力力臂，m为多旋翼飞行器的质量，b为升力系数，d为反扭矩系数，g为重力加速度；所述通过所述多旋翼飞行器的所述飞行控制模块，根据所述飞行状态信息，实时更新所述多旋翼飞行器的姿态角，包括：从所述姿态信息中，读取由所述地面站的所述动捕定位导航模块解算出的横滚角f_m，俯仰角q_m和偏航角y_m，并转换为姿态角四元数Q_m＝[q_m0 q_m1 q_m2 q_m3]^T，其中q_m0，q_m1，q_m2，q_m3分别为四元数Q_m的四个元素，T表示列向量的转置；从所述多旋翼飞行器的陀螺仪读取三个坐标轴x，y，z上的角速度值w_x，w_y，w_z，并转换为四元数的状态量Q_w＝[q_w0 q_w1 q_w2 q_w3]^T，其中q_w0，q_w1，q_w2，q_w3分别为四元数Q_w的四个元素，T表示列向量的转置；根据Q_m＝[q_m0 q_m1 q_m2 q_m3]^T和Q_w＝[q_w0 q_w1 q_w2 q_w3]^T，通过卡尔曼滤波估算精确四元数Q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T，并得到融合后的所述多旋翼飞行器的姿态角，融合后的所述多旋翼飞行器的姿态角包括：横滚角f，俯仰角q和偏航角y；所述运动捕捉设备为光学式运动捕捉设备，由环绕所述多旋翼飞行器的飞行场地设置的多个高速相机组成；所述多旋翼飞行器的机架的轴距为450mm，并由碳纤维材料制成；飞行控制模块初始化，包括陀螺仪，加速度计的初始化、时钟的初始化和驱动系统的初始化；图像采集设备初始化，包括图像采集系统初始化；环境构建模块初始化，包括根据运动捕捉设备的多视觉传感器仿照人类视觉系统对周围环境进行立体构建；在地面站的环境构建模块构建出类似于人类视觉感知的立体场景，并建立多旋翼飞行器刚体模型，将环境信息传输给地面站的动捕定位导航模块、程控飞行设计模块和图像接收模块；经过地面站的动捕定位导航模块得到多旋翼飞行器的姿态信息、速度信息；之后由地面站的动捕定位导航模块通过串口发送多旋翼飞行器的位置、姿态、速度给飞行器，并在飞行器的飞行控制模块进行相关数据的接收；多旋翼飞行器上的图像采集设备采集特定路径上的图像信息，并通过无线网络发送给地面站的图像接收模块，实现实时监测，同时地面站的图像接收模块，还接收来自地面站的环境构建模块构建的立体场景信息，并将上述的图像信息均保存。