[發明專利]一種無人機視覺編隊飛行控制系統

有效

• 申請號: 202110098294.6
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112859923B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 劉貞報;鄒旭;陳露露;趙聞
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 崔方方

1.一種無人機視覺編隊飛行控制系統，其特征在于，包括硬件系統和軟件系統；

硬件系統包括無人機系統、地面站系統和單目成像系統；

無人機系統由n架無人機組成，每架無人機上均搭載有飛控電路板、慣性傳感器、氣壓傳感器、電池電壓測量模塊以及通信模塊；

地面站系統由移動計算機、飛行操縱桿、無線電調制解調器和視頻接收系統組成，用于向無人機發送指令并且實時監視飛機狀態信息；

單目成像系統用于拍攝圖像并將拍攝的每一幀圖像發送給軟件系統；

軟件系統包括圖像處理系統和編隊飛行智能控制系統；

圖像處理系統，用于基于探測標志物體計算出每架無人機的實時三維位置，并推導出實時的移動速度；當標志物體探測失敗時，基于搭載的光流傳感器的光流數據，結合光流計算公式，實時估計平移速度；

編隊飛行智能控制系統，用于根據飛機的位置信息、速度和姿態信息，結合編隊系統的運動學模型和分離飽和非線性控制方法，實時計算無人機所需的控制量，并將所述控制量發送給無人機的作動機構；

所述圖像處理系統的工作流程為：

采用適應性處理算法在每幀視覺圖像的基礎上對攝像頭的外部參數進行處理；

對標志性物體的檢測，設標志性物體是四邊形物體，以四邊形物體的四個頂點為圓心構造半徑不相同的虛擬圓，對每個虛擬圓進行探測，根據虛擬圓大小進行分類，從而辨識出標志性物體的地理方位；

基于四邊形的對邊斜率差在預設范圍內，對標志性物體的檢測結果進行檢驗，通過檢驗則為有效的標志性物體的地理方位；

利用初始時四個圓心的地理位置坐標和方位計算適應性矩陣，基于所述適應性矩陣和攝像矩陣計算出攝像頭參數，由此計算得到無人機相對標志物體的位置；其中，攝像矩陣由攝像頭的安裝位置確定；

基于視覺系統對無人機運動速度進行估計；

基于視覺系統對無人機運動速度進行估計的過程為：

估計攝像頭的速度，過程為：

其中，為無人機質心的速度矢量；z為高度；

通過對攝像頭速度的估計值按照預定的比例因子s推出無人機的速度。

2.根據權利要求1所述的無人機視覺編隊飛行控制系統，其特征在于，適應性處理算法的計算過程為：

其中，表示在圖像中參考標志物的位置；s為比例因子；K為攝像頭參數矩陣；[r1 r2r3]為旋轉參數；T為平移參數；為實際的參考標志物的位置。

3.根據權利要求1所述的無人機視覺編隊飛行控制系統，其特征在于，對標志性物體的檢測結果進行檢驗的過程為：

其中，i、f分別為初始和最終坐標；

對邊的斜率差在預設范圍內，即：

|m_up-m_lo|＜ε；|m_le-m_ri|＜ε。

4.根據權利要求1所述的無人機視覺編隊飛行控制系統，其特征在于，當標志物體探測失敗時，圖像處理系統用于基于光流測量估計當前四個虛擬圓的圓心位置。

5.根據權利要求4所述的無人機視覺編隊飛行控制系統，其特征在于，公式如下：

其中，為k時刻圓心的位置；Δ_T為算法運行時間步長。

6.根據權利要求1所述的無人機視覺編隊飛行控制系統，其特征在于，編隊飛行智能控制系統的工作流程為：

其中，L為拉普拉斯算子矩陣；

利用強迫一致算法：

其中，N_i為將自身信息傳輸給無人機i的無人機集合；

之后進行如下的變量轉化：

其中，x_i,y_i,z_i,ψ_i,x_j,y_j,z_j,ψ_j分別為需要被協同控制的第i架和第j架無人機的三維位置和航向；

以一架無人機的臨機位置為參考位置，每一架無人機的控制率如下：

其中，θ_i為第i架無人機實時俯仰角度，為第i架無人機實時滾轉角度，Ψ_i為第i架無人機實時偏轉角度，σ_i(i＝1,2,3,4)和a_i(i＝1,2,3,4)為控制參數，u_θi為俯仰控制量，u_φi為滾轉控制量，F_Ti為油門控制量，u_Ψi為偏航控制量；

基于所述控制率實時計算無人機所需的控制量并傳給作動機構，作動機構驅使無人機在編隊隊形不變的前提下規避碰撞。