事故處置飛行器自主續航方法及其系統與流程
2023-10-17 12:22:04 2
本發明涉及飛行器技術領域，具體涉及一種事故處置飛行器自主續航方法及其系統。
背景技術：
隨著機器人、飛行控制技術快速發展，將探測技術、營救行動技術、災難學、機器人技術等多學科知識進行有機的融合，開發和研製用於偵察、搜尋和營救的救援、處置機器人已經成為機器人學科領域中富有挑戰性的新方向。在複雜多變的救援現場環境和任務而言，單個機器人在信息的獲取、處理及控制能力等方面存在局限性。多旋翼飛行器綜合微機電和新材料等現代技術，配合微慣導及飛行控制等關鍵技術的應用，可在目標引導、偵查、險區探測、目標跟蹤、反恐、電子幹擾等方面，擁有巨大應用潛力和價值。
目前，多旋翼飛行器在接收任務時受到載荷制約，即供電量嚴重限制了飛行距離。針對供電量的問題，目前市面上出現了採用系留式系統、基站充電和太陽能進行充電燈多種方式來解決飛行器續航的問題，而這些方式雖在一定程度上能解決供電量不足的問題，但是仍存在以下問題：
系留式系統其攜帶的線纜受到環境高處建築物等影響，並限制飛行器的飛行距離；太陽能電池板充電輸出功率受到電池板大小的限制，並難以對飛行器實現快速充電；而基站由於距離飛行器較遠，飛行器需要預留大部分電量用於返航，因而不便於救援、處置任務的開展。
技術實現要素：
對於現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種事故處置飛行器自主續航方法及其系統，其能夠在飛行器電量低於返航時所需電量時，通過飛行器和陸地機器人的相對運動，使飛行器自主降落至陸地機器人進行充電。
為了達到上述發明目的，本發明採用的技術方案為：
第一方面，提供一種事故處置飛行器自主續航方法，其包括：
獲取飛行器當前位置的飛行參數，飛行參數包括飛行器的經緯度、飛行高度、飛行姿態、飛行器的電量及飛行器所在環境的環境圖像；
根據飛行參數，計算飛行器所在環境中障礙物和陸地機器人在世界坐標系下的位置坐標及飛行器降落至陸地機器人上所需用電量；
當飛行器的電量小於等於用電量時，控制飛行器和陸地機器人相對運動，直至飛行器與陸地機器人處於同一垂直平面；
當飛行器下降至與陸地機器人的相對距離等於設定距離，控制陸地機器人與飛行器對接，並對飛行器進行充電。
進一步地，優選該事故處置飛行器自主續航方法還包括當飛行器與陸地機器人處於同一垂直平面後，獲取飛行器下方陸地機器人的圖像；
判斷陸地機器人上的平行線平臺是否位於圖像的正中間：若是，則控制飛行器下降，否則，調整飛行器的飛行姿態，直至陸地機器人上的平行線平臺位於圖像的正中間。
進一步地，優選該事故處置飛行器自主續航方法還包括當陸地機器人與飛行器對接後，判斷飛行器與陸地機器人的相對距離是否等於飛行器設定靜默距離，若是，則控制飛行器處於靜默狀態。
進一步地，優選該事故處置飛行器自主續航方法還包括判斷飛行器的電量是否已充滿，當飛行器的電量已充滿，控制飛行器解除靜默狀態，並離開陸地機器人繼續執行任務。
進一步地，優選當飛行器降落至陸地機器人上後，再控制陸地機器人對飛行器進行充電。
進一步地，優選陸地機器人在世界坐標系下的位置坐標的計算方法包括：
以陸地機器人作為質點，則陸地機器人相對於飛行器的相對位置坐標rk(xk,yk,zk)為：
其中，fх，fу分別為x，y軸的焦距；u0，v0為環境圖像平面的中心點；d為視覺飛行器的高度；s為環境圖像的縮放係數；
計算陸地機器人在世界坐標系下的坐標ro=(x,y,z,1)：
其中，rk為3×3的旋轉矩陣；pk為3×1的平移矩陣，即飛行器在世界坐標系下的坐標。
進一步地，優選旋轉矩陣rk的計算公式為：
其中，θ、φ、ψ分別為飛行器的偏航角，俯仰角和滾轉角，為cosψ，為sinψ；為cosθ，為sinψ；為cosφ，為sinφ。
第二方面，提供一種事故處置飛行器自主續航系統，其包括用於事故處置的飛行器和用於與飛行器進行通信的陸地機器人；
飛行器包括：運動傳感器，用於實時採集飛行器在x、y、z三個方向上表徵飛行器的飛行姿態的加速度、滾轉角、俯仰角和偏航角；定位設備，用於採集飛行器所在的經緯度和高度；電池管理設備，用於實時監測飛行器的電池電量；圖像採集傳感器，用於實時採集飛行器所在環境的環境圖像及飛行器與陸地機器人處於同一垂直平面時，採集飛行器正下方的圖像；
圖像處理器，與圖像採集傳感器連接，用於處理圖像採集傳感器採集的圖像；以及飛行器控制器，在飛行器的電量低於用電量時，用於控制飛行器相對陸地機器人運動，並調整飛行器的飛行姿態，及飛行器與陸地機器人間的距離為飛行器設定靜默距離時，控制飛行器處於靜默狀態；運動傳感器、定位設備、電池管理設備、圖像處理器和通信模塊均與飛行器控制器連接；
陸地機器人包括：充電管理設備，與中央處理器連接，用於給飛行器提供續航所需的電量；中央處理器，根據飛行參數計算障礙物與陸地機器人在世界坐標系下的位置坐標及飛行器降落在陸地機器人上所需時間和用電量；當飛行器的電量低於用電量時，通過運動控制器控制陸地機器人相對飛行器運動，及控制陸地機器人的機械臂控制器伸出機械臂與飛行器對接；中央處理器通過通信設備、通信模塊與控制器進行通信。
本發明的有益效果：飛行器在執行任務時，若其電量低於返回陸地機器人上進行充電所需用電量時，則飛行器和陸地機器人兩者便會相對移動，從而縮短了飛行器返航進行充電的距離；採用這種方式進行充電，飛行器飛行的距離縮短後，其在執行任務時不需要預留大量的電能和時間進行返航充電，從而提高了飛行器執行任務的效率。
附圖說明
圖1為事故處置飛行器自主續航方法一個實施例的流程圖。
圖2為事故處置飛行器自主續航系統的原理框圖。
圖3為事故處置飛行器自主續航方法另一個實施例的流程圖。
圖4為陸地機器人調整姿態及多旋翼飛行器降落至陸地機器人的平行線平臺進行充電的流程圖。
圖5為陸地機器人平行線平臺處於圖像的豎直位置的示意圖。
具體實施方式
下面對本發明的具體實施方式進行描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
參考圖1，圖1示出了事故處置飛行器自主續航方法一個實施例的流程圖；如圖1所示，該方法100包括步驟101至步驟104。
在步驟101中，獲取飛行器當前位置的飛行參數，飛行參數包括飛行器的經緯度、飛行高度、飛行姿態、飛行器的電量及飛行器所在環境的環境圖像。
在步驟102中，根據飛行參數，計算飛行器所在環境中障礙物和陸地機器人在世界坐標系下的位置坐標及飛行器降落至陸地機器人上所需用電量；飛行器在執行任務時，陸地機器人跟隨其一同進入事故處置現場，即陸地機器人位於事故處置所在區域內。
在本發明的一個實施例中，陸地機器人在世界坐標系下的位置坐標的計算方法包括：
以陸地機器人作為質點，則陸地機器人相對於飛行器的相對位置坐標rk(xk,yk,zk)為：
其中，fх，fу分別為x，y軸的焦距；u0，v0為環境圖像平面的中心點；d為視覺飛行器的高度；s為環境圖像的縮放係數；
計算陸地機器人在世界坐標系下的坐標ro=(x,y,z,1)：
其中，rk為3×3的旋轉矩陣；pk為3×1的平移矩陣，即飛行器在世界坐標系下的坐標。
飛行器相對陸地機器人的位置為ro減去pk；陸地機器人相對於多旋翼飛行器的位置為pk減去ro。
實施時，本方案優選旋轉矩陣rk的計算公式為：
其中，θ、φ、ψ分別為飛行器的偏航角，俯仰角和滾轉角，為cosψ，為sinψ；為cosθ，為sinψ；為cosφ，為sinφ。
在步驟103中，當飛行器的電量小於等於用電量時，控制飛行器和陸地機器人相對運動，直至飛行器與陸地機器人處於同一垂直平面。
在本發明的一個實施例中，該事故處置飛行器自主續航方法還包括當飛行器與陸地機器人處於同一垂直平面後，獲取飛行器下方陸地機器人的圖像；
判斷陸地機器人上的平行線平臺是否位於圖像的正中間：若是，則控制飛行器下降，否則，調整飛行器的飛行姿態，直至陸地機器人上的平行線平臺位於圖像的正中間。
通過這種方式對陸地機器人和飛行器位置的進一步調整，從而確保了飛行器能夠精準地下降至陸地機器人上進行充電。
在步驟104中，當飛行器下降至與陸地機器人的相對距離等於設定距離時，控制陸地機器人與飛行器對接，當飛行器降落至陸地機器人上後，控制陸地機器人對飛行器進行充電。
其中，該事故處置飛行器自主續航方法還包括當陸地機器人與飛行器對接後，判斷飛行器與陸地機器人的相對距離是否等於飛行器設定靜默距離，若是，則控制飛行器處於靜默狀態。
實施時，設定距離大於飛行器設定靜默距離，這樣設置後，能夠確保陸地機器人與飛行器的準確對接。
飛行器在充電過程中，事故處置飛行器自主續航方法還包括時刻判斷飛行器的電量是否已充滿，當飛行器的電量已充滿，控制飛行器解除靜默狀態，並離開陸地機器人繼續執行任務。
如圖2所示，該事故處置飛行器自主續航系統包括用於事故處置的飛行器和用於與飛行器進行通信的陸地機器人。實施時，本方案優選飛行器為多旋翼飛行器。
其中，飛行器包括飛行器控制器、電池管理設備、運動傳感器、定位設備、通信模塊、圖像採集傳感器和圖像處理器；電池管理設備、運動傳感器、定位設備、圖像處理器和通信模塊均與飛行器控制器連接，圖像採集傳感器與圖像處理器連接。
運動傳感器用於實時採集飛行器在x、y、z三個方向上表徵飛行器的飛行姿態的加速度、滾轉角、俯仰角和偏航角；定位設備用於採集飛行器所在的經緯度和高度；電池管理設備用於實時監測飛行器的電池電量；圖像採集傳感器用於實時採集飛行器所在環境的環境圖像及飛行器與陸地機器人處於同一垂直平面時，採集飛行器正下方的圖像。
圖像處理器內部含有ubuntu作業系統，用於處理圖像採集傳感器採集的圖像。通信模塊包括2.4g無線通信模塊與無線wifi模塊，無線wifi模塊用於傳輸姿態、經緯度、高度和圖像信息，2.4g無線通信模傳輸飛行器控制指令。
控制器，在飛行器的電量低於用電量時，用於控制飛行器相對陸地機器人運動，並調整飛行器的飛行姿態，及飛行器與陸地機器人間的距離為飛行器設定靜默距離時，控制飛行器處於靜默狀態；運動傳感器、定位設備、電池管理設備、圖像處理器和通信模塊均與控制器連接；
陸地機器人包括中央處理器及分別與中央處理器連接的充電管理設備、通信設備、運動控制器和機械臂控制器。
其中，充電管理設備用於對飛行器進行充電控制；運動控制器用於對陸地機器人運動控制；機械臂控制器用於控制機械臂伸縮、鉗住、鬆開；通信設備包括2.4g無線通信模塊與路由設備，無線路由設備接收姿態、經緯度、高度，圖像信息和傳輸飛行器相對陸地機器人的相對位置；充電管理設備、通信設備、運動控制器、機械臂控制器與中央處理器相連接。
中央處理器含有ubuntu作業系統，用於根據飛行參數計算障礙物與陸地機器人在世界坐標系下的位置坐標及飛行器降落在陸地機器人上所需時間和用電量；當飛行器的電量低於用電量時，通過運動控制器控制陸地機器人相對飛行器運動，及控制陸地機器人的機械臂控制器伸出機械臂與飛行器對接；以及發出陸地機器人的運動控制指令、機械臂控制指令和充電管理指令。
如圖3所示，下面結合事故處置飛行器自主續航系統的具體部件對飛行器續航的方法進行詳細地說明：
在步驟s101中，在採用多旋翼飛行器進行事故處置時，採用陸地機器人搭載多旋翼飛行器進入事故現場，多旋翼飛行器從陸地機器人平臺起飛。
在步驟s102中，多旋翼飛行器上的電池管理設備開始獲取多旋翼飛行器的電池電量；運動傳感器開始採集x、y、z三個方向上的加速度與滾轉角、俯仰角和偏航角的姿態信息；定位設備開始採集多旋翼飛行器的經緯度和飛行高度信息；圖像採集傳感器開始採集環境圖像信息，同時圖像處理器對採集的圖像進行特徵提取與匹配、變換估計、全局姿態圖優化等預處理，得到預處理圖像信息；然後通過通信模塊無線wifi模塊把預處理圖像信息、加速度、姿態、經緯度、高度信息發送給陸地機器人。
在步驟s103中，陸地機器人通過通信設備接收多旋翼飛行器發送的預處理圖像信息、加速度、姿態、經緯度（x,y）、高度信息(z)，並傳輸給中央處理器；此時中央處理器的圖像處理模塊對預處理圖像進行處理，並生成點雲數據；中央處理器的坐標轉換模塊通過點雲數據計算出陸地機器人在世界坐標系下的坐標（x0,y0,z0），同時通過經緯度、高度信息計算多旋翼飛行器相對於陸地機器人的位置（x1,y1,z1）以及陸地機器人相對於多旋翼飛行器的位置（x2,y2,z2）；中央處理器的電量計算模塊通過多旋翼飛行器相對於陸地機器人的位置（x1,y1,z1）計算出多旋翼飛行器降落到陸地機器人上所需的最小的電池電量及飛行時間。陸地機器人通過通信設備的路由設備把陸地機器人相對於多旋翼飛行器的位置（x2,y2,z2）、降落所需的最小的電池電量及飛行時間發送給多旋翼飛行器。
在步驟s104中，多旋翼飛行器通過通信模塊的無線wifi模塊接收陸地機器人通過通信設備的路由設備把陸地機器人相對於多旋翼飛行器的位置（x2,y2,z2）、降落所需的最小的電池電量及飛行時間並傳給多旋翼飛行器控制器。多旋翼飛行器控制器判斷電池管理設備採集的電池電量是否大於降落所需的最小的電池電量；若是，執行步驟s102；若不是，則多旋翼飛行器通過2.4g無線通信模塊發送降落充電準備指令，並執行步驟s105。
在步驟s105中，多旋翼飛行器、陸地機器人調整自身姿態，多旋翼飛行器並降落到陸地機器人的平行線平臺。
在步驟106中，多旋翼飛行器調整至靜默狀態，陸地機器人打開充電設備對多旋翼飛行器進行充電。
參見圖4，圖4示出了本申請的陸地機器人調整姿態及多旋翼飛行器降落至陸地機器人的平行線平臺進行充電的流程圖；下面結合附圖4對步驟s105和步驟106進行詳細地說明：
a1、陸地機器人的通信設備的2.4g無線通信模塊接收多旋翼飛行器發出降落充電準備指令，並傳輸給中央處理器；中央處理器向運動控制器發出運動控制指令，讓陸地機器人向坐標（x,y,z）方向移動，同時中央處理器通過通信設備的2.4g無線通信模塊發出陸地機器人已經進入姿態調整的指令；當多旋翼飛行器通信模塊的2.4g無線通信模塊接收到陸地機器人已經進入姿態調整的指令，由多旋翼飛行器控制器發出控制指令並向坐標（x0,y0,z0）方向移動。
a2、陸地機器人的中央處理器坐標轉換模塊判斷是否x=x0且y=y0；若否，則繼續執行步驟a1，若是，則執行a3；
a3、陸地機器人的中央處理器向運動控制器發出停止運動控制指令，同時通過通信設備的2.4g無線通信模塊發送多旋翼飛行器發出接受多旋翼飛行器著陸準備命令。
a4、多旋翼飛行器通過通信模塊的2.4g無線通信模塊接收陸地機器人發出的接受多旋翼飛行器著陸準備命令，判斷相對坐標是否是x2=0且y2=0；若否，是則執行步驟a5；若是，則執行步驟a6。
a5、多旋翼飛行器的多旋翼飛行器控制器向圖像處理器發出檢測陸地機器人具體位置命令，通過圖像檢測陸地機器人位置調整多旋翼飛行器姿態，使得陸地機器人位於多旋翼飛行器的正下方。
a6、多旋翼飛行器的飛行控制器控制相機雲臺使得相機鏡頭方向與多旋翼飛行器下降方向一致；同時多旋翼飛行器的飛行控制器向圖像處理器發出檢測陸地機器人平行線平臺是否與處於圖像的豎直位置（如圖5）；若是，執行步驟a7；若否，通過多旋翼飛行器控制器發出姿態調整命令，直到調整到陸地機器人平行線平臺與多旋翼飛行器飛行方向一致為止。
a7、多旋翼飛行器開始降落，並通過圖像採集傳感器實時採集陸地機器人平行線平臺的圖像信息；若平行線平臺與多旋翼飛行器飛行方向有偏差，實時調整多旋翼飛行器的姿態。
a8、陸地機器人通過高度信息判斷多旋翼飛行器距離自身高度是否大於20cm；若是，繼續等待；若不是；則執行步驟a9。
a9、陸地機器人的中央處理器向機械臂控制器發出控制命令，從平行線平臺伸出與水平面垂直的機械臂，並鉗住多旋翼飛行器，輔助多旋翼飛行器降落。
a10、陸地機器人通過高度信息判斷多旋翼飛行器距離自身高度是否小於5cm；若不是，則繼續等待；若是，陸地機器人通過通信設備的2.4g無線通信模塊發出準備充電控制指令，並執行步驟a11。
a11、多旋翼飛行器通過通信模塊的2.4g無線通信模塊接收準備充電控制指令，飛行器控制器向電源管理設備發送電量輸出控制命令，控制整個多旋翼飛行器處於靜默狀態，同時通過通信設備的2.4g無線通信模塊發出充電準備控制命令；陸地機器人通過通信設備的2.4g無線通信模塊接收到充電準備的控制命令，中央處理器向充電管理設備發出控制命令，打開充電設備，通過機械臂與著陸架相連接對多旋翼飛行器進行充電。
在步驟s107中，多旋翼飛行器通過電池管理設備實時監測電池電量，判斷電池電量是否充滿；若電池電量已充滿，多旋翼飛行器控制器向電池管理設備發出解除靜默狀態的控制命令，並向陸地機器人發送控制指令；若未充滿，則繼續充電。
在步驟s108中，陸地機器人接收到充滿控制指令，通過中央處理器向充電管理設備發出斷開充電設備的控制命令，同時先機械臂控制器發出伸出機械臂控制命令；當機械臂到達20cm時，陸地機器人向多旋翼飛行器發出飛行控制命令；當多旋翼飛行器接收到飛行控制命令，打開通過電池管理設備調整輸出電量；同時機械臂鬆開多旋翼飛行器，並收縮機械臂，多旋翼飛行器繼續執行相應任務。
綜上所述，本方案能夠在飛行器電量低於返回陸地機器人上進行充電所需用電量時，控制飛行器和陸地機器人相對移動，從而縮短了飛行器返航進行充電的距離。