[發(fā)明專利]一種基于單目視覺信息形成無人機(jī)群集性的方法

在審

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• 申請日: 2022-08-12
• 公開（公告）號: CN115328199A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳鳴;賈迎超
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于本發(fā)明技術(shù)方案1，一種分布式控制節(jié)點(diǎn)行為的模型，其特征在于：

A.每個(gè)F根據(jù)其相鄰的節(jié)點(diǎn)方位自主計(jì)算得到自己的移動(dòng)方向與速度并控制本節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，以使自己的行為符合說明書2.B描述的原則，對于系統(tǒng)中任一架F節(jié)點(diǎn)f_i，具體的計(jì)算過程如下所示：

(1)當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)位于f_i的警戒區(qū)域時(shí)，表示為集合S_i＝{f_j：j≠i∧||r_ij||＜r₁}，其中r_ij表示節(jié)點(diǎn)f_i到f_j的位置矢量。為避免碰撞f_i會產(chǎn)生遠(yuǎn)離相鄰節(jié)點(diǎn)的速度向量如式(1)所示，其中k_sep表示控制節(jié)點(diǎn)分離強(qiáng)度的分離增益系數(shù)。

(2)當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)位于f_i的部署區(qū)域時(shí)，不會對f_i速度產(chǎn)生影響。

(3)當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)位于f_i的吸引區(qū)域時(shí)，表示為集合A_i＝{f_j：j≠i∧r₂＜||r_ij||＜r₃}。為使整個(gè)系統(tǒng)保持凝聚性，f_i會產(chǎn)生靠近相鄰節(jié)點(diǎn)的速度向量如式(2)所示，其中k_coh表示控制節(jié)點(diǎn)聚合強(qiáng)度的聚合增益系數(shù)。

(4)計(jì)算f_i速度v_i：當(dāng)f_i警戒區(qū)域存在相鄰節(jié)點(diǎn)，|S_i|≠0時(shí)，即首先保證節(jié)點(diǎn)間不發(fā)生碰撞；當(dāng)f_i警戒區(qū)域不存在相鄰節(jié)點(diǎn)，而吸引區(qū)域存在，|A_i|≠0時(shí)，當(dāng)f_i相鄰節(jié)點(diǎn)只存在于部署區(qū)域時(shí)，f_i保持上一時(shí)刻速度；當(dāng)f_i以r₃為半徑區(qū)域內(nèi)不存在相鄰無人機(jī)時(shí)，v_i＝0。

(5)對f_i速度v_i最大取值做出限制：考慮到節(jié)點(diǎn)在加速和減速過程中可能造成的碰撞威脅，同時(shí)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)速度應(yīng)盡量保持一致，因此應(yīng)該對系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)最大速度進(jìn)行限制。假設(shè)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)的速度v∈[0，v_max]，則系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的最終驅(qū)動(dòng)速度v_i應(yīng)表示為如式(3)所示。

B.為獲得上述系統(tǒng)控制模型中F到其他節(jié)點(diǎn)的位置矢量，本方法首先需要從節(jié)點(diǎn)搭載的單目相機(jī)所拍攝圖片中檢測出相鄰節(jié)點(diǎn)，其次通過方位估算模型分析出相鄰節(jié)點(diǎn)與自己的相對距離及方向等。

2.基于本發(fā)明技術(shù)方案1和技術(shù)方案2，利用單目相機(jī)檢測F周圍節(jié)點(diǎn)并估算其方位的系統(tǒng)控制模型，其特征在于：

A.目標(biāo)檢測：需要在節(jié)點(diǎn)前、后、左、右4個(gè)方向安裝單目相機(jī)，采用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測算法YOLOv3-tiny來檢測相機(jī)拍攝的圖片中是否具有節(jié)點(diǎn)(簡稱目標(biāo))，當(dāng)檢測到目標(biāo)后可以獲得目標(biāo)在圖片上的邊界框；為降低YOLOv3-tiny在目標(biāo)檢測過程中對節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的計(jì)算負(fù)擔(dān)，通過通道剪枝對YOLOv3-tiny目標(biāo)檢測算法進(jìn)行了模型壓縮。

B.目標(biāo)方位估算：在通過目標(biāo)檢測得到目標(biāo)在圖片上的邊界框信息后，節(jié)點(diǎn)可以通過基于相機(jī)成像模型和已知的目標(biāo)尺寸等建立的估算目標(biāo)方位估算模型對目標(biāo)與自身的相對方向與距離做出推斷。對于一枚單目相機(jī)，若目標(biāo)實(shí)際高度尺寸為h，以相機(jī)成像焦點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，相機(jī)朝向?yàn)閥軸正方向，垂直向上為z軸正方向建立相機(jī)坐標(biāo)系，相機(jī)與目標(biāo)在三維空間坐標(biāo)系的成像關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)相似三角形對應(yīng)邊成比例的性質(zhì)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的相對距離d大小如式(4)所示。其中f表示相機(jī)的焦距，b_h表示目標(biāo)在圖像上的像高度。

假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在成像平面上邊界框中心點(diǎn)與成像平面中心點(diǎn)在x軸方向上距離為x_d，原點(diǎn)O與目標(biāo)邊界框中心點(diǎn)所成直線和相機(jī)坐標(biāo)系y軸所成夾角α＝tan^-1(x_d，f)，進(jìn)一步可知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(d cosα，d sinα)。以節(jié)點(diǎn)的機(jī)頭朝向?yàn)閥軸正方向建立二維節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，在飛行過程中節(jié)點(diǎn)機(jī)頭朝向不變。當(dāng)在節(jié)點(diǎn)右側(cè)相機(jī)所拍攝的圖片中檢測到目標(biāo)時(shí)，為將其相對方位表達(dá)從相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中，需設(shè)置α＝α+90°。對節(jié)點(diǎn)左側(cè)相機(jī)，需設(shè)置α＝α-90°。對節(jié)點(diǎn)后側(cè)相機(jī)，當(dāng)α＞0時(shí)，需設(shè)置α＝α-180°，當(dāng)α＜0時(shí)，需設(shè)置α＝180°-α。目標(biāo)在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中坐標(biāo)則為(d cosα，d sinα)，由此節(jié)點(diǎn)可根據(jù)系統(tǒng)控制模型計(jì)算出本節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向和速度。

C.F運(yùn)行的分布式控制算法：