[發(fā)明專(zhuān)利]基于分布式地圖的無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811049054.1
• 申請(qǐng)日: 2018-09-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109358638B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉陽(yáng);王從慶;李翰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于分布式地圖的無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障方法，通過(guò)無(wú)人機(jī)和地面站的協(xié)作，構(gòu)建分布式地圖，用于視覺(jué)避障飛行。無(wú)人機(jī)通過(guò)融合IMU、VO、GPS實(shí)時(shí)位姿感知，當(dāng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入新的環(huán)境時(shí)，才生成新的環(huán)境地圖；同時(shí)無(wú)人機(jī)接收地面站發(fā)送的飛行指令，通過(guò)改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制無(wú)人機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)避障；地面站用于優(yōu)化并存儲(chǔ)無(wú)人機(jī)構(gòu)建的環(huán)境地圖、環(huán)境地圖可視化；同時(shí)地面站還負(fù)責(zé)依據(jù)當(dāng)前無(wú)人機(jī)的位姿和環(huán)境地圖，規(guī)劃一條安全的飛行路徑，然后發(fā)送給無(wú)人機(jī)。本發(fā)明利用無(wú)人機(jī)和地面站的協(xié)作和分布式地圖架構(gòu)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確建模，適用于復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)避障方法，特別涉及一種基于分布式地圖的視覺(jué)避障方法，屬于無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的航拍飛行器演化為可飛行的多功能智能化平臺(tái)，在民用和軍用領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著各種應(yīng)用需求的出現(xiàn)，無(wú)人機(jī)需要在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行特定任務(wù)，如何讓無(wú)人機(jī)識(shí)別障礙物并避開(kāi)障礙物飛行成為了無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。視覺(jué)避障就是指通過(guò)模擬動(dòng)物的眼睛，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中可以感知環(huán)境，構(gòu)建三維地圖，識(shí)別障礙物，從而避開(kāi)障礙物飛行。

現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障方法主要有兩種，一種是無(wú)人機(jī)自主避障導(dǎo)航，該方法需要針對(duì)每一幀圖像生成新的環(huán)境地圖，并存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)本身自帶的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)環(huán)境地圖實(shí)時(shí)識(shí)別障礙物來(lái)避開(kāi)障礙物飛行，這樣對(duì)無(wú)人機(jī)本身帶有的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)有較高的要求，在各種環(huán)境條件下的處理速度、存儲(chǔ)量和處理穩(wěn)定性都應(yīng)優(yōu)異才能應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的使用場(chǎng)景，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的成本較高；另一種是通過(guò)無(wú)人機(jī)與地面站的結(jié)合，無(wú)人機(jī)獲得的自身狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)都發(fā)送給地面站去處理，無(wú)人機(jī)按照地面站處理數(shù)據(jù)后得到的飛行指令來(lái)執(zhí)行飛行，這樣無(wú)人機(jī)的成本會(huì)大大降低，且由于不可抗的自然因素如雷電等造成的無(wú)人機(jī)損壞，這類(lèi)的損失會(huì)大大減小。目前無(wú)人機(jī)與地面站的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)人機(jī)避障，需要對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的每一幀圖像生成新的環(huán)境地圖，這種方案非常耗時(shí)而且占用存儲(chǔ)資源較大，效率很低，一旦地面站處理不及時(shí)就會(huì)使得無(wú)人機(jī)無(wú)法及時(shí)識(shí)別障礙物而被損壞。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于分布式地圖的無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障方法，避免重復(fù)構(gòu)建環(huán)境地圖造成的大量數(shù)據(jù)冗余，實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)人機(jī)避障和導(dǎo)航。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于分布式地圖的無(wú)人機(jī)視覺(jué)避障方法，包括以下步驟：

(1)實(shí)時(shí)位姿感知：通過(guò)無(wú)人機(jī)上的傳感器獲得無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，優(yōu)選的，可由慣性測(cè)量單元IMU獲得無(wú)人機(jī)當(dāng)前的加速度、角速度數(shù)據(jù)，視覺(jué)里程計(jì)VO獲得無(wú)人機(jī)的視覺(jué)位姿數(shù)據(jù)，當(dāng)GPS可用時(shí)讀取GPS的位置信息。通過(guò)拓展卡爾曼濾波數(shù)據(jù)融合算法，獲得無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位姿x＝[x,y,z,θ,φ,ψ]^T，其中x,y,z分別為無(wú)人機(jī) x,y,z方向的位置坐標(biāo)，θ,φ,ψ分別為無(wú)人機(jī)的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角；

(2)判斷是否到達(dá)重復(fù)區(qū)域：根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻無(wú)人機(jī)的正前方方向矢量τ；根據(jù)無(wú)人機(jī)任意k時(shí)刻的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角，計(jì)算出k時(shí)刻無(wú)人機(jī)的正前方方向矢量τ_k；計(jì)算兩個(gè)方向矢量τ和τ_k的夾角θ＝＜τ_k，τ＞＝arccos(τ_k·τ/||τ_k||||τ||)以及當(dāng)前時(shí)刻無(wú)人機(jī)所處位置與k時(shí)刻所處位置之間的距離遍歷k，如果找到一個(gè)k，同時(shí)滿足||θ||≤θ_thred,d≤d_thred，其中d_thred為距離閾值，θ_thred為方向矢量夾角閾值，則判斷該無(wú)人機(jī)重復(fù)到達(dá)了某區(qū)域，不需要再次采集該區(qū)域的地圖數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有k同時(shí)滿足以上條件，則判斷無(wú)人機(jī)到達(dá)了新的區(qū)域或者無(wú)人機(jī)視角與之前在此位置的視角差別較大，無(wú)人機(jī)采集新的地圖數(shù)據(jù)；