CN109752004B - 室内无人机导航方法、装置及室内无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种室内无人机导航方法，包括：在比对飞行目标的区域信息和起飞原点的区域信息落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的慢速追踪模式时，控制无人机以慢速追踪模式飞行；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标，所述飞行目标为室内货仓中的一个仓储单元。本发明采用二维码来进行无人机导航，采用了环境服务于系统的思想，避免复杂了的视觉图象处理带来的系统复杂性以及无人机自重的增加等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及无人机导航技术领域，尤其涉及室内无人机导航方法、装置及室内无人机。
背景技术
小型无人机自主控制对任务能耗、机载传感器重量均有较大的限制。而无人机在室内环境自主飞行时，通常需要利用视觉传感器来获取室内环境信息以实现定位。目前常见的视觉传感器包括激光传感器、单目相机、双目相机和RGB-D(彩色和深度)相机等。
另一方面，在工业环境中，比如大型货仓中，由于局部环境的相似度比较高，基于视觉传感器的各种定位算法会出现特征无法找到而导致完全不能定位的状况。
发明内容
本发明提供一种室内无人机导航方法、装置及室内无人机，以解决小型无人机在室内环境自主飞行时定位方法复杂、准确度不足等问题。
第一方面，本发明提供了一种室内无人机导航方法，包括以下步骤：
步骤S1：在比对飞行目标的区域信息和起飞原点的区域信息落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行；
步骤S2：分析无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的慢速追踪模式时，控制无人机以慢速追踪模式飞行；
步骤S3：分析无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标，所述飞行目标为室内货仓中的一个仓储单元。
优选地，还包括：
根据多幅静态二维码图像，识别出无人机所在的起飞原点的区域信息，所述静态二维码图像是在飞行前摄像装置从不同角度拍摄邻近区域时生成的。
优选地，所述步骤S1，包括：
从飞行指令中提供的飞行目标二维码图像中提取出飞行目标的区域信息，所述飞行目标二维码图像与设置在飞行目标处的二维码图像相同；
根据起飞原点的区域信息中的位置标识与飞行目标的区域信息中的位置标识，在二维码地图中比对这两个位置标识，在确定这两个位置标识不属于预先划分的同一编号的位置区域时，
则确定落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行，其中，二维码地图是根据室内货仓中各仓储单元上布置的二维码的位置关系预先生成的。
优选地，所述步骤S2，包括：
在无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置按照第一更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第一更新频率；
若在连续n个检测周期内，在二维码地图中，比对飞行目标的区域信息中的位置标识与当前飞行区域的区域信息中的位置标识均属于预先划分的同一编号的位置区域时，
则确定落入与预先设定的慢速追踪模式，控制无人机以的慢速追踪模式飞行。
优选地，所述步骤S3，包括：
在无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置按照第二更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第二更新频率，其中，所述第二更新频率大于第一更新频率；
若在连续m个检测周期内，在二维码地图中，比对飞行目标的区域信息中的位置标识与当前飞行区域的区域信息中的位置标识均属于预先划分的同一编号的货架区域时，
则确定落落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标。
优选地，在无人机以精确定位模式飞行时，摄像装置按照第三更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第三更新频率，其中，所述第三更新频率大于第二更新频率。
优选地，在快速巡航模式时，无人机根据二维码地图中提供的两方位路径策略快速飞行；
在慢速追踪模式时，无人机根据二维码地图中提供的三方位路径策略慢速飞行；
在精确定位模式时，无人机根据二维码地图中提供的五方位路径策略低速飞行。
第二方面，本发明提供了一种室内无人机导航装置，包括：
快速巡航控制模块，用于：
在比对飞行目标的区域信息和起飞原点的区域信息落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行；
慢速追踪控制模块，用于：
分析无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的慢速追踪模式时，控制无人机以慢速追踪模式飞行；
精确定位控制模块，用于：
分析无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标，所述飞行目标为室内货仓中的一个仓储单元。
优选地，还包括：
起飞原点确定模块，用于：
根据多幅静态二维码图像，识别出无人机所在的起飞原点的区域信息，所述静态二维码图像是在飞行前摄像装置从不同角度拍摄邻近区域时生成的。
第三方面，本发明提供了一种一种室内无人机，其设置有在第二方面中说明的导航装置。
本发明提供的室内无人机导航方法，基于结合有二维码的室内地图系统和设置在室内货仓上的二维码图像进行导航，实现简单、定位精确；根据获得的无人机固定运作的室内环境的准确的平面或三维地图信息，结合二维码形成室内地图系统，鲁棒性高，能够提供唯一的位置标识信息，从而帮助无人机提供精确的定位。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明优选实施方式的室内无人机导航方法的流程示意图；
图2为本发明优选实施方式的室内无人机导航装置的组成示意图；
图3为本发明优选实施方式的二维码地图中位置标识之间的导航路径示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
尽管无人机机载传感器正在向着兼具准确精度高、重量轻与高成本效益方向发展，小型无人机在室内环境自主飞行仍是一个技术难题。
如，使用最近邻点迭代算法(Iterative Closest Point，简称ICP)对激光传感器获取的扫描点阵进行配准和定位，具有计算实时性好、输出的定位信息稳定等优势，有许多国内外的实验室已经利用该方法实现了某些特定室内环境中的定位和无人机自主飞行。该方法只能得到二维的扫描信息，因此适用于多垂直面的环境；在复杂的三维环境中则凸显出感知能力不足的缺点。
对于单目相机来说，一般使用运动结构估计(Structure From Motion，简称SFM)方法来计算基本矩阵，从而得到相机的运动方向，但该方法无法恢复出运动距离，使得该方法不能用于未知的复杂室内环境。
双目视觉系统则能够恢复出图中许多点的深度信息，将图片中的像素点映射到三维空间中，从而获得三维的深度信息，再利用这些三维深度信息之间的关联关系解算出相机系统的运动方向和距离。该方法对相机的标定要求很严格，因此价格昂贵。
RGB-D相机得到的环境信息和双目相机类似，能直接获取空间点到相机的三维位置信息和普通的二维图像信息，通过和双目相机类似的方法，即可获取相机的运动方向和距离等6个自由度的信息。相比双目相机，RGB-D相机的优势是价格低廉；但是RGB-D相机的数据质量比较差，噪声大，同时存在固有的数据延迟等问题。
由于编码技术的发展，二维码广泛用于各种应用中。二维码使用二维方向上按照一定规律分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，具有信息密度高、信息容量大、容错能力强、译码可靠等优点。另一方面，二维码图像生成、使用、复制的成本低，二维码图像制作容易、且持久耐用。
本发明采用二维码来进行无人机导航，采用了环境服务于系统的思想，避免复杂了的视觉图象处理带来的系统复杂性以及无人机自重的增加等缺陷。
本发明提供的室内无人机导航方法结合预先设置在货仓内、多层货架和各仓储单元上的二维码，基于二维码生成的二维码地图，实现了对室内无人机的在线导航，成本低、鲁棒性高。
如图1所示，本发明实施例的室内无人机导航方法，包括以下步骤：
步骤S1：在比对飞行目标的区域信息和起飞原点的区域信息落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行；
步骤S2：分析无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的慢速追踪模式时，控制无人机以慢速追踪模式飞行；
步骤S3：分析无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标，所述飞行目标为室内货仓中的一个仓储单元。
具体地，该导航方法，还包括：
根据多幅静态二维码图像，识别出无人机所在的起飞原点的区域信息，所述静态二维码图像是在飞行前摄像装置从不同角度拍摄邻近区域时生成的。
应该理解为，静态二维码是指摄像设备相对于拍摄目标相对静止时对二维码图片拍摄获取的图片。
具体地，该导航方法中，步骤S1，具体包括：
从飞行指令中提供的飞行目标二维码图像中提取出飞行目标的区域信息，所述飞行目标二维码图像与设置在飞行目标处的二维码图像相同；
根据起飞原点的区域信息中的位置标识与飞行目标的区域信息中的位置标识，在二维码地图中比对这两个位置标识，在确定这两个位置标识不属于预先划分的同一编号的位置区域时，
则确定落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行，其中，二维码地图是根据室内货仓中各仓储单元上布置的二维码的位置关系预先生成的。
具体地，该导航方法中，所述步骤S2，包括：
在无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置按照第一更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第一更新频率；
若在连续n个检测周期内，在二维码地图中，比对飞行目标的区域信息中的位置标识与当前飞行区域的区域信息中的位置标识均属于预先划分的同一编号的位置区域时，
则确定落入与预先设定的慢速追踪模式，控制无人机以的慢速追踪模式飞行。
应该理解为，动态二维码是指摄像设备相对于拍摄目标相对移动时对二维码图片拍摄获取的图片。
具体地，该导航方法中，所述步骤S3，包括：
在无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置按照第二更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第二更新频率，其中，所述第二更新频率大于第一更新频率；
若在连续m个检测周期内，在二维码地图中，比对飞行目标的区域信息中的位置标识与当前飞行区域的区域信息中的位置标识均属于预先划分的同一编号的货架区域时，
则确定落落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标。
具体地，该导航方法中，在无人机以精确定位模式飞行时，摄像装置按照第三更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第三更新频率，其中，所述第三更新频率大于第二更新频率。
具体地，该导航方法中，在快速巡航模式时，无人机根据二维码地图中提供的两方位路径策略快速飞行；
在慢速追踪模式时，无人机根据二维码地图中提供的三方位路径策略慢速飞行；
在精确定位模式时，无人机根据二维码地图中提供的五方位路径策略低速飞行。
应该理解为，随着无人机逐渐靠近飞行目标，二维码图像的更新周期逐渐缩短，更新频率逐渐提高，有利在接近飞行时提供分辨率更高的导航；也有利于节省图片处理消耗的计算资源。
如图2所示，本发明一个实施例的室内无人机导航装置，包括：
快速巡航控制模块10，用于：
在比对飞行目标的区域信息和起飞原点的区域信息落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行；
慢速追踪控制模块20，用于：
分析无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的慢速追踪模式时，控制无人机以慢速追踪模式飞行；
精确定位控制模块20，用于：
分析无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标，所述飞行目标为室内货仓中的一个仓储单元。
具体地，该装置，还包括：
起飞原点确定模块，用于：
根据多幅静态二维码图像，识别出无人机所在的起飞原点的区域信息，所述静态二维码图像是在飞行前摄像装置从不同角度拍摄邻近区域时生成的。
具体实施时，在无人机上设置至少两个用于读取定位导航二维码的相机。优选地，其中一个相机置于无人机的前部，用于获取无人机前方的图像信息，适合直飞行时拍摄货仓中各仓储单元上设置的二维码图片；一个置于无人机的侧面，用于获取无人机两侧的图像信息，适合直飞行时拍摄相邻货仓或相邻货架中设置的二维码图片；一个置于无人机的顶部，用于获取无人机上方的图像信息。
无人机通过将多个相机获取的二维码图像信息进行综合后，确定当前无人机所处的地理位置在二维码地图上的对应位置。
具体实施时，用于导航的二维码设置时，按照二维码的朝向，可以分为两大类，分别是用于设置在货仓顶层的二维码图片和用于设置在货仓的水平层的各方位的侧面的二维码图片。
对应于二维码在货仓、货架、及储物单元上的布置位置，在二维码地图上，每一张二维码图片对应有一个位置标识；根据该二维码在货仓导航路径中的角色，分别绑定有如图3(a)、(b)、(c)所示的两方位路径策略、三方位路径策略和五方位路径策略，分别依次与动态二维码图像的第一更新频率、第二更新频率和第三更新频率相对应；
图3(a)(b)(c)所示出了在二维码地图上，导航路径沿各位置标识及其交汇点以及连接线处，图中，实心矩形对应于一个二维码的位置标识，在二维码地图中，路径交叉点具有“一”字形、Y形和“米”字形三种典型的路径形式。
在快速巡航模式时，无人机根据二维码地图中提供的两方位路径策略快速飞行，这时，对动态二维码的更新频率要求不高；相应地，两方位路径策略选定后，可以保持较长时间不进行路径更新，且每次更新只需要1个其他的二维码图片以提供1个其他方向的位置标识，以保证跨越不同的货仓，靠近飞行目标区域，偏航角度分辨率为180度。
在慢速追踪模式时，无人机根据二维码地图中提供的三方位路径策略慢速飞行，这时，对动态二维码的更新频率要求提高；相应地，三方位路径策略需要在一个较短的时间间隔内经常更新，且每次更新需要至少3个二维码图片以提供3个其他方向的位置标识，以保证跨越不同的货架，靠近飞行目标区域，偏航角度分辨率为120度。
在精确定位模式时，无人机根据二维码地图中提供的五方位路径策略低速飞行，这时，对动态二维码的更新频率要求进一步提高；相应地，五方位路径策略需要在一个较短的时间间隔内经常更新，且每次更新需要至少4个二维码图片以提供4个其他方向的位置标识，以保证跨越不同的仓储单元，靠近飞行目标区域，偏航角度分辨率为90度。
综上，该室内无人机导航方法结合预先设置在货仓内、多层货架和各仓储单元上的二维码，基于二维码生成的二维码地图，实现了对室内无人机的在线导航，成本低、鲁棒性高。
以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (4)
1.一种室内无人机导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在比对飞行目标的区域信息和起飞原点的区域信息落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行；
所述步骤S1，包括：
从飞行指令中提供的飞行目标二维码图像中提取出飞行目标的区域信息，所述飞行目标二维码图像与设置在飞行目标处的二维码图像相同；
根据起飞原点的区域信息中的位置标识与飞行目标的区域信息中的位置标识，在二维码地图中比对这两个位置标识，在确定这两个位置标识不属于预先划分的同一编号的位置区域时，
则确定落入与预先设定的快速巡航模式时，控制无人机以快速巡航模式飞行，其中，二维码地图是根据室内货仓中各仓储单元上布置的二维码的位置关系预先生成的；
步骤S2：分析无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的慢速追踪模式时，控制无人机以慢速追踪模式飞行；
所述步骤S2，包括：
在无人机以快速巡航模式飞行时，摄像装置按照第一更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第一更新频率；
若在连续n个检测周期内，在二维码地图中，比对飞行目标的区域信息中的位置标识与当前飞行区域的区域信息中的位置标识均属于预先划分的同一编号的位置区域时，
则确定落入与预先设定的慢速追踪模式，控制无人机以的慢速追踪模式飞行；
步骤S3：分析无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置实时获取的邻近区域的动态二维码图像；在比对飞行目标的区域信息和当前飞行区域的区域信息落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标，所述飞行目标为室内货仓中的一个仓储单元；
在快速巡航模式时，无人机根据二维码地图中提供的两方位路径策略快速飞行；
在慢速追踪模式时，无人机根据二维码地图中提供的三方位路径策略慢速飞行；
在精确定位模式时，无人机根据二维码地图中提供的五方位路径策略低速飞行。
2.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，还包括：
根据多幅静态二维码图像，识别出无人机所在的起飞原点的区域信息，所述静态二维码图像是在飞行前摄像装置从不同角度拍摄邻近区域时生成的。
3.根据权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：
在无人机以慢速追踪模式飞行时，摄像装置按照第二更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第二更新频率，其中，所述第二更新频率大于第一更新频率；
若在连续m个检测周期内，在二维码地图中，比对飞行目标的区域信息中的位置标识与当前飞行区域的区域信息中的位置标识均属于预先划分的同一编号的货架区域时，
则确定落入预先设定的精确定位模式时，控制无人机以精确定位模式飞行，直至到达飞行目标。
4.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于，
在无人机以精确定位模式飞行时，摄像装置按照第三更新频率实时拍摄邻近区域的二维码图片，生成动态二维码图像，所述动态二维码图像中各二维码图像的时间间隔为第三更新频率，其中，所述第三更新频率大于第二更新频率。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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