[發明專利]一種基于手機和無人機多傳感參數融合的無人機運動跟蹤方法

有效

• 申請號: 201810323707.4
• 申請日: 2018-04-12
• 公開（公告）號: CN108759826B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 陳朋;徐天宇;任金金;王海霞;劉義鵬
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種基于手機和無人機多傳感參數融合的無人機運動跟蹤方法包括以下步驟：1)設計Android應用程序，獲取手機的加速度計和陀螺儀參數，并將IMU參數制成ROS信息格式，最后通過Wi?Fi發送至無人機端；2)獲取手機和無人機的IMU參數，建立IMU狀態模型，誤差狀態模型；3)根據獲取到的圖像提取運動目標；4)使用多速率擴展卡爾曼濾波對相對位姿進行濾波。本發明提出一種基于手機和無人機多傳感參數融合的無人機運動跟蹤方法，大大提高了跟蹤的精度和魯棒性。

技術領域

本發明涉及無人飛行器航拍領域，尤其是針對旋翼飛行器的多傳感參數融合來實現的一種運動跟蹤方法。

背景技術

近年來，隨著計算機技術，自動控制理論，嵌入式開發，芯片設計以及傳感器技術的迅速發展，讓無人飛行器能夠在更加小型化的同時，擁有更強的處理能力，無人機上的相關技術也受到越來越多的關注；小型無人機擁有操控靈活，續航能力強等優勢，從而能夠在狹小環境中處理復雜任務，在軍事上能夠執行軍事打擊，惡劣環境下搜索，情報收集，等高風險環境下替代士兵的工作；在民用上，為各行各業從業人員提供航拍，遠程設備巡檢，環境監測，搶險救災等等功能；

四旋翼為常見旋翼無人飛行器，通過調節電機轉速實現飛行器的俯仰，橫滾以及偏航動作；相對于固定翼無人機，旋翼無人機擁有明顯的優勢：首先，機身結構簡單、體積小，單位體積可產生更大升力；其次，動力系統簡單，只需調整各旋翼驅動電機轉速即可完成空中姿態的控制，可實現垂直起降、空中懸停等多種特有的飛行模式，且系統智能度高，飛行器空中姿態保持能力強；

在無人機上搭載高清攝像頭，實時運行機器視覺算法已經成為近年來熱點研究領域，無人機擁有靈活的視角，能幫助人們捕獲一些地面移動攝像機難以捕捉到的圖像，如果將輕量級攝像頭嵌入到小型四旋翼無人機上，還能提供豐富并廉價的信息；目標跟蹤是指在低空飛行的無人機，通過計算相機獲得的視覺信息來得到目標與無人機間的相對位移，進而自動調整無人機的姿態和位置，使被跟蹤的地面移動目標保持在相機視野中心附近，實現無人機跟隨目標運動完成跟蹤任務，但是由于單目攝像機的技術限制，想要得到移動物體的三維坐標信息是非常困難的，因此，想要實現運動目標的跟蹤需要有一種融合手機和無人機多傳感參數的相對位姿估計方法。

發明內容

為了解決基于單目相機的無人機運動跟蹤方法存在因圖像退化帶來的錯檢和漏檢問題，可以通過APP將手機的IMU參數發送至無人機，無人機可以跟蹤手機的IMU參數和自身的IMU參數計算兩者之間的相對位姿，因為IMU會產生誤差，可以通過圖像信息對IMU誤差進行校正，基于這樣的思路，本發明提出一種基于手機和無人機多傳感參數融合的無人機運動跟蹤方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于手機和無人機多傳感參數融合的無人機運動跟蹤方法，所述方法包括以下步驟：

1)設計Android應用程序，獲取手機的加速度計和陀螺儀參數，并將IMU參數制成ROS信息格式，最后通過Wi-Fi發送至無人機端；

2)獲取手機和無人機的IMU參數，建立IMU狀態模型，誤差狀態模型，過程如下：首先需要對無人機和運動目標的運動分別進行建模，通過加速度計和陀螺儀的數據建立位置、速度、角度的狀態空間模型，然后根據IMU的誤差特性建立誤差狀態模型，最后將兩者的狀態模型聯立，獲取整個系統的狀態方程；

3)根據獲取到的圖像提取運動目標；

4)使用多速率擴展卡爾曼濾波對相對位姿進行濾波。

進一步，所述步驟2)的步驟如下：

(2.1)建立IMU狀態模型

IMU由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成，陀螺儀獲取到IMU自身的旋轉角速度，加速度計獲取到自身的線性加速度，由于測量誤差的存在，給出IMU的測量模型：