CN107463181A - 一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，由飞行控制模块、图像采集分析模块和追踪目标组成；飞行控制模块由飞行控制器、核心控制器和多种姿态传感器组成；图像采集分析模块包括摄像头模组、图像处理器；追踪目标携带AprilTag标志并张贴于明显位置。当摄像头模组采集到一帧图像后，将图像传输至图像处理器，图像处理使用AprilTag识别算法分析处理后，将识别到的跟踪目标三维位置信息发送至核心控制器，核心控制器经计算处理后，将相应飞行动作控制命令发送至飞行控制器，后者控制四旋翼飞行器做出相应的飞行动作。本发明适用于以自主四旋翼飞行器为载体的跟踪、监控等多种应用场景，提高了飞行器稳定跟踪的精准度，可实现自动驾驶。
Description
技术领域
本发明属于寻找目标的控制技术领域，特别涉及一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统。
背景技术
AprilTag是近年来发展起来的一种基于二维码路标进行定位的视觉定位方法，它可以计算出相对于相机的二维码标签的精确的三维位置、方向和标签ID。AprilTag算法的主要流程如下：输入为摄像头拍摄的含有二维码标签的彩色图像，对图像进行滤波，去噪、计算像素的梯度以聚类提取边缘、拟合边缘线，为边缘线添加从暗区指向亮区的向量，对边缘线进行连接得到quad回路，判别quad回路并进行解码，识别出二维码ID及旋转角度，获取相机参数，构建位姿数据的PnP方程，求解得到二维码坐标系在像平面坐标系中的位姿。AprilTag 算法输出为计算得到的二维码坐标系在像平面坐标系中的位置和姿态。目前AprilTag已经在多智能体协作、室内定位中发挥重要作用。
目前，对小型四旋翼飞行器的开发属于自动控制领域的热门话题，四旋翼飞行器也已经广泛应用于航拍，跟踪，搜救，娱乐等诸多领域。四旋翼飞行器凭借其出色的灵活性能、弹性的飞行速度、和良好的飞行视野，在移动物体追踪中具有天然的优势。然而，四旋翼飞行器由于其结构较为复杂，飞行状态不固定，自动跟踪移动物体的难度较大。其主要局限在于，对于自动执行跟踪任务的四旋翼飞行器，当其跟踪目标移动范围大，位置变化快，且单纯依靠对目标色彩、形状的识别时其跟踪策略易受环境噪声影响而丢失目标。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，该系统实现了通过飞行器上的专用摄像头模块识别AprilTag并获取相对的三维位置信息，通过机载飞行主控板自动调节飞行状态，达到对特定目标的稳定追踪。本发明适用于以自主四旋翼飞行器为载体的跟踪、监控等多种应用场景，提高飞行器稳定跟踪能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，该系统由飞行控制模块、图像采集分析模块和追踪目标组成；飞行控制模块由飞行控制器、核心控制器和多种姿态传感器组成；图像采集分析模块包括摄像头模组、图像处理器；追踪目标携带AprilTag标志并张贴于明显位置；当摄像头模组采集到一帧图像后，将图像传输至图像处理器，图像处理使用AprilTag识别算法分析处理后，将识别到的跟踪目标三维位置信息发送至核心控制器，核心控制器经计算处理后，将相应飞行动作控制命令发送至飞行控制器，飞行控制器控制四旋翼飞行器做出相应的飞行动作，追踪目标，同时，核心控制器接收多种姿态传感器返回的姿态信息、障碍物位置信息，并以此调整飞行动作，自动避障，完成控制全过程。
进一步，上述图像采集分析模块依据一帧包含AprilTag的图像，就可以发送与追踪目标之间的相对三维坐标位置、相对旋转角度以及AprilTag编号。
进一步，上述四旋翼飞行器可以设置两种飞行模式：一种是追踪模式，四旋翼飞行器保持与追踪目标之间的相对位置在小范围内波动；另一种是悬停模式，四旋翼飞行器保持高度、航向角不变，机身水平，空间位置不变。
进一步，上述为检测四旋翼飞行器当前姿态和障碍物位置，校正四旋翼飞行器飞行状态以及自动避障可以配置综合GPS、电子罗盘、陀螺仪、气压计、声呐的姿态传感器。
进一步，上述可以对多个目标所分别携带的AprilTag进行编号识别和区分，可设定特定跟踪目标。
进一步，上述当发生飞行高度异常变化时，或飞行器长时间丢失目标时，可以强制切换至悬停模式，主动保护四旋翼飞行器。
进一步，上述在被追踪目标停止移动达到一定时间后，四旋翼飞行器可以进行垂直稳定的精准降落。
进一步，上述飞行控制器所接收的飞行控制命令直接来自于核心控制器，核心控制器所发命令的依据为：图像处理器所识别到的目标位置和多种姿态传感器的反馈数据，核心控制器可以实现自动追踪功能。
本发明的多种姿态传感器采用GPS、气压计、磁力计等传感器实现自身飞行稳定和误差校准，在异常姿态下，核心控制器发送悬停命令，强制恢复悬停模式；在保持稳定的前提下，飞行控制器接收核心控制器发出的控制命令，做出相应飞行动作，并追踪目标。
本发明有益效果：
1、采用AprilTag新型定位算法，提高了四旋翼飞行器跟踪飞行的精准度。
2、采用AprilTag新型定位算法，可同时获得三维定位信息，简化了获取位置信息的难度。
3、本发明的飞行控制模块具备自动识别跟踪能力，在一定范围内可实现自动驾驶。
4、本发明的四旋翼飞行器使用具有主动保护功能的自稳模式和避障飞行模式，减少坠机事故。
附图说明
图1本发明的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统的结构示意图。
图2本发明的四旋翼飞行器控制模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图将对本发明的实施进行更为详细的说明。
如图1和图2所示，一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其包括飞行控制模块、图像采集分析模块和携带AprilTag的追踪目标。飞行控制模块包括飞行控制器、核心控制器和多种姿态传感器。图像采集分析模块包括摄像头模组和图像处理器。追踪目标需在其上表面张贴大小合适的AprilTag标签。当摄像头模组采集一帧图像后，将图像数据至图像处理器，图像处理器对图像数据使用AprilTag识别算法进行检测，并将得到的待追踪目标位置信息传递给核心控制器，核心控制器依据目标位置以及多种姿态传感器所回传的飞行器姿态信息综合处理，并向飞行控制器发出控制指令，指挥四旋翼飞行器做出相应的飞行动作，完成控制全过程。
本发明的飞行控制模块包含飞行控制器、核心控制器和多种姿态传感器，姿态传感器包括：陀螺仪、加速度计、气压计、GPS和声呐。飞行器飞行过程中姿态传感器实时采集当前姿态信息，包括航向角、俯仰角、横滚角、当前高度、当前位置等，并将其传送至核心控制器，核心控制器依据这些实时反馈控制飞行器平稳飞行。
本发明的图像采集模块包括摄像头模组和图像处理器。由于AprilTag检测算法在灰度图像中运行更快，利于对实时性要求较高的飞行器追踪，摄像头模组选用通用灰度摄像头或者具备灰度模式输出的通用彩色摄像头，图像经过滤波处理后使用AprilTag检测算法识别图像中的AprilTag，并返回精准的相对位置、角度和编号信息。
本发明的系统主要用于控制四旋翼飞行器的两种飞行状态：悬停模式和跟踪模式。当四旋翼飞行器的跟踪目标静止、或四旋翼飞行器识别不到跟踪目标时，需要保持悬停状态。而四旋翼飞行器因自身误差等因素影响，普通的遥控器手动操控模式很难维持飞行器的悬停静止，而在本发明中引入了诸多姿态传感器，使得飞行器自身通过多种姿态信息反馈配合PID算法实现姿态稳定，并保持悬停。当跟踪目标发生移动时，图像采集分析模块实时检测目标位置，飞行控制模块根据目标位置结合PID算法进行动态调节，并依据姿态传感器返回的姿态信息保持一定高度并对飞行路径中的障碍进行合理规避。依靠本发明的系统所述两种功能可以很好地做到控制四旋翼飞行器完成指定动作，并提高了飞行器的跟踪目标的稳定性。
应当理解的是，上述针对本发明实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于，该系统由飞行控制模块、图像采集分析模块和追踪目标组成；飞行控制模块由飞行控制器、核心控制器和多种姿态传感器组成；图像采集分析模块包括摄像头模组、图像处理器；追踪目标携带AprilTag标志并张贴于明显位置；
当摄像头模组采集到一帧图像后，将图像传输至图像处理器，图像处理使用AprilTag识别算法分析处理后，将识别到的跟踪目标三维位置信息发送至核心控制器，核心控制器经计算处理后，将相应飞行动作控制命令发送至飞行控制器，飞行控制器控制四旋翼飞行器做出相应的飞行动作，追踪目标，同时，核心控制器接收多种姿态传感器返回的姿态信息、障碍物位置信息，并以此调整飞行动作，自动避障，完成控制全过程。
2.根据权利要求1所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：图像采集分析模块依据一帧包含AprilTag的图像，就可以发送与追踪目标之间的相对三维坐标位置、相对旋转角度以及AprilTag编号。
3.根据权利要求1所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：四旋翼飞行器可以设置两种飞行模式：一种是追踪模式，四旋翼飞行器保持与追踪目标之间的相对位置在小范围内波动；另一种是悬停模式，四旋翼飞行器保持高度、航向角不变，机身水平，空间位置不变。
4.根据权利要求1所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：为检测四旋翼飞行器当前姿态和障碍物位置，校正四旋翼飞行器飞行状态以及自动避障可以配置综合GPS、电子罗盘、陀螺仪、气压计、声呐的姿态传感器。
5.根据权利要求1所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：可以对多个目标所分别携带的AprilTag进行编号识别和区分，可设定特定跟踪目标。
6.根据权利要求1所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：当发生飞行高度异常变化时，或飞行器长时间丢失目标时，可以强制切换至悬停模式，主动保护四旋翼飞行器。
7.根据权利要求1所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：在被追踪目标停止移动达到一定时间后，四旋翼飞行器可以进行垂直稳定的精准降落。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的基于AprilTag的四旋翼飞行器自适应追踪系统，其特征在于：飞行控制器所接收的飞行控制命令直接来自于核心控制器，核心控制器所发命令的依据为：图像处理器所识别到的目标位置和多种姿态传感器的反馈数据，核心控制器可以实现自动追踪功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171212 |