[發明專利]基于分布式地圖的無人機視覺避障方法

有效

• 申請號: 201811049054.1
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109358638B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 劉陽;王從慶;李翰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于分布式地圖的無人機視覺避障方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)通過無人機上的傳感器獲得無人機當前的加速度、角速度以及視覺位姿數據，通過拓展卡爾曼濾波數據融合算法，獲得無人機的當前位姿信息，當前位姿信息中包括無人機當前時刻的三維位置坐標以及俯仰角、滾轉角、偏航角；

(2)根據無人機當前的俯仰角、滾轉角和偏航角，計算出當前時刻無人機的正前方方向矢量τ；根據無人機任意k時刻的俯仰角、滾轉角和偏航角，計算出k時刻無人機的正前方方向矢量τ_k；計算兩個方向矢量τ和τ_k的夾角θ，以及當前時刻無人機所處位置與k時刻所處位置之間的距離d；遍歷k，如果找到一個k，同時滿足||θ||≤θ_thred，d≤d_thred，其中θ_thred為方向矢量夾角閾值，d_thred為距離閾值，則判斷該無人機重復到達了某區域，不需要再次采集該區域的地圖數據；如果沒有k同時滿足以上條件，則判斷無人機到達了新的區域或者無人機視角與之前在此位置的視角差別較大，無人機采集新的地圖數據；

(3)通過無人機前端的相機，獲得當前時刻的RGB圖和深度圖，然后依據RGB圖和深度圖生成當前相機坐標系下的點云圖，即相機坐標系下的新地圖，并計算RGB圖中各個像素點對應的點云在當前相機坐標系下的三維坐標數據；

(4)無人機將當前的位姿信息x和RGB圖中所有像素點對應的點云三維坐標數據發送給地面站后，由地面站的數據處理系統對點云三維坐標數據進行處理和優化，并存儲在數據存儲系統中；

(5)地面站將世界坐標系下的三維空間分割為許多個相同規格的正方體網格，每個網格存儲該區域內對應的環境地圖，地面站的可視化程序提供一系列可視化接口將環境地圖和無人機的飛行軌跡可視化，當有新地圖數據生成時，可視化軟件刷新顯示對應網格內更新后的環境地圖；

(6)將環境地圖轉換為占據柵格地圖，識別環境地圖中的障礙物位置，然后通過A*算法規劃飛行路徑；

(7)計算出飛行路徑后，地面站通過無線網絡將下一步飛行指令發送給無人機，無人機依據接收到的指令來計算飛行參數控制飛行，從而避開障礙物。

2.根據權利要求1所述的基于分布式地圖的無人機視覺避障方法，其特征在于：步驟(1)中所述的通過傳感器獲得無人機當前的加速度、角速度以及視覺位姿數據，是由慣性測量單元IMU獲得無人機當前的加速度、角速度數據，視覺里程計VO獲得無人機的視覺位姿數據，當GPS可用時讀取GPS的位置信息。

3.根據權利要求1所述的基于分布式地圖的無人機視覺避障方法，其特征在于：步驟(2)中所述的距離閾值取值范圍為0﹤d_thred﹤5，單位米；方向矢量夾角閾值取值范圍為0﹤θ_thred﹤40，單位度。

4.根據權利要求1所述的基于分布式地圖的無人機視覺避障方法，其特征在于：步驟(3)中所述的計算RGB圖中像素點對應的點云在當前相機坐標系下的三維坐標數據，包括以下過程：

(31)對于RGB圖中像素坐標為(u,v)^T的像素點，首先從深度圖中得到該像素點的深度值d_u,v；

(32)分別計算該像素點對應的點云在當前相機坐標系下的x、y、z坐標，計算方法為x_u,v＝(u-c_x)/f_x*d_u,v，y_u,v＝(v-c_y)/f_y*d_u,v，z_u,v＝d_u,v，其中f_x為相機的焦距水平分量，f_y為相機的焦距垂直分量，c_x為相機的像素坐標水平中心偏移,c_y為相機的像素坐標垂直中心偏移；

(33)該像素點對應的點云在當前相機坐標系下的三維坐標為：