用于微型无人机的飞行地形识别的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201480057390.4 | 申请日 | 2014-10-16 | 公开(公告)号 | CN106575120B | 公开(公告)日 | 2019-08-09 |
| 申请人 | 艾克斯-马赛大学; 国家科学研究中心; | 发明人 | 弗兰克·鲁费尔; 法比恩·埃克斯佩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种表面识别装置，其通过 飞行器 用于表面的自主运动，所述装置包括：探测头，探测头包括用于性质的至少一个 传感器 ，所述特性取决于探测头的中心到表面的距离，每个传感器 覆盖 以视线(ZC)为中心的探测区域(ZV)；用于每个传感器的探测区域(ZV)的定向的系统(24)；以及 控制器 ，控制器处理来自每个传感器的 信号 并基于所述信号对系统(24)进行控制。控制器估算垂线到表面的方向，并使用所述系统(24)来将每个传感器的视线(ZC)沿与所述垂线的方向间隔重新定向 角 的方向进行旋转。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种表面(S)识别装置(14)，用于距所述表面(S)的一定距离处的移动飞行器(2)的自主运动，所述表面识别装置(14)包括： |
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| 说明书全文 | 用于微型无人机的飞行地形识别的方法和装置技术领域[0002] a)表面探测头，其限定出固定至探测头的坐标系，该坐标系具有位于探测头的中心处的原点，该坐标系还具有前进轴、偏航轴、上升轴，探测头包括用于参量的至少一个传感器，该参量取决于探测头的中心距表面的距离，每个传感器覆盖以视线为中心的探测区域； [0003] b)定向系统，其用于通过使探测区域绕偏航轴旋转来对每个传感器的探测区域进行定向；以及 背景技术[0005] 这种装置在由专家Fabien和Franck Ruffier于2012年10月16日在“IEEE的关于智能机器人与系统(IROS)的国际会议，维拉摩拉：葡萄牙”中发表的文章“借助光流来控制圆形高顶隧道中的对接、高度和速度(Controlling docking，altitude and speed in a circular high-roofed tunnel thanks to the optic flow)”中已描述。该文章随后将被称为“IROS文章”。 [0006] IROS文章中描述了一种微型无人机，即具有两个旋翼的直升机，该微型无人机包括主体，设置有“复合眼”的地形探测头被附接至主体。复合眼由分布在探测头上的四个光流传感器组成。探测头能够由于步进电机而相对于主体转向。当微型无人机在飞行时，探测头相对于主体的角度被控制以使得探测头的定向在地面参考系中保持相同，并对主体在地面参考系中的角度进行补偿。 [0007] 事实证明，该已知的微型无人机的自主导航系统并不总是能够在杂乱的环境中和/或存在有移动障碍物的情况下避开所有的障碍物。 [0008] 文献WO 2004/027434 A1的图1示出了一种直升机稳定系统1，其包括具有光学传感器3和旋转传感器9和10的机舱5。机舱5相对于直升机1是固定的。该已知的系统是复杂的并且对震动极其敏感。 发明内容[0009] 本发明的一个目的在于为无人机、微型无人机或纳米无人机提供改善的自动驾驶仪以使得无人机、微型无人机或纳米无人机能够在陡峭和/或移动的环境中更好地航行。 [0010] 本方面的另一目的在于为不具有惯性单元的微型无人机和纳米无人机提供自动驾驶仪。实际上，惯性单元由于其尺寸、重量以及计算能力的需求而仅能够被颇有困难地放置在微型无人机或纳米无人机上。 [0011] 根据本发明，这些目的通过上文中限定的装置来实现，其特征在于，控制器被配置成：基于所述信号在所述坐标系中估算垂线到表面的方向；以及通过使用所述定向系统来将每个传感器的观察区域的视线旋转至与所述垂线的方向间隔确定的重新定向角的方向中。 [0012] 通过相对于垂线到表面的方向以已确定的重新定向角对传感器的探测区域的视线进行重新定向，根据本发明的表面识别装置使得能够根据距周围的物体的更精确的距离来测量性质。因此，飞行器能够不出问题地移动，同时例如在存在倾斜的障碍物的情况下通过将视线朝向运动方向定向来避开它可提前探测到的任何障碍物。 [0013] 根据优选的实施例，在任何技术上可能的组合的情况下，根据本发明的装置包括以下特征中的一个、数个或所有特征: [0014] -重新定向角介于0和90°之间； [0015] -每个传感器是光流传感器，并且控制器被配置成：基于由每个光流传感器传递的信号通过确定最大光流方向来估算垂线到表面的方向； [0016] -控制器被配置成通过执行以下步骤来确定最大的流方向： [0017] a)通过由每个光流传感器提供的光流信号的回归分析，尤其是通过最小二乘法，从探测区域的视线在所述坐标系中的定向确定光流的函数；以及 [0018] b)优选地，通过所述函数的微分确定探测区域的视线的定向，所述函数为此具有最大值； [0019] -控制器进一步被配置成：基于所述信号计算置信度指数，并基于置信度指数的值对垂线到表面的方向的估算进行验证或拒绝； [0020] -探测头包括四个光流传感器，即，前腹侧传感器、后腹侧传感器、前背侧传感器以及后背侧传感器； [0021] -探测区域定向系统包括尤其是步进电机的致动器，该致动器能够使表面探测头绕偏航轴旋转； [0022] -光流测量组件包括光电探测器的矩阵，光电探测器绕偏航轴大体覆盖360°x 60°的探测场，探测区域的定向系统能够选择所述光电探测器中的一个或多个子集以表示所述传感器中的每个； [0023] -探测头还配备有探测头的至少一个陀螺仪稳定传感器以在飞行期间补偿所述移动飞行器的旋转运动。 [0024] 本发明还涉及一种具有自主运动的航空的微型无人机，该微型无人机包括上述的装置，控制器被配置成控制致动器以便将探测头的上升轴沿垂线到表面的估算方向对准，从而将探测头的前进轴保持为与微型无人机飞越过的表面的局部斜线平行。 [0025] 优选地，该微型无人机进一步包括陀螺测试仪和/或用于控制微型无人机的前进线速度的空速指示器。 [0026] 根据本发明，上述的目的还通过一种表面识别方法来实现，在运动期间该表面识别方法在位于距所述表面的一定距离处实施，该方法的特征在于以下步骤： [0027] a)提供以视线为中心的探测区域； [0028] b)根据距表面的所述距离在所提供的探测区域中测量参量； [0029] c)估算垂线到表面的方向，从而基于所测量的参量估算距表面的最小距离方向； [0030] d)沿与所述垂线的方向间隔确定的重新定向角γ的方向对来自探测区域的视线重新定向。 [0031] 根据优选的实施例，在任何技术上可能的组合的情况下，根据本发明的方法包括以下特征中的一个、数个或所有特征： [0032] -步骤b)包括对光流进行测量，并且步骤c)包括： [0033] i)通过对光流测量结果的回归分析，尤其是通过最小二乘法，确定探测区域的视线的定向的光流的函数；以及 [0034] ii)优选地，通过所述函数的微分，确定探测区域的视线的定向，所述函数为此具有最大值； [0036] 通过阅读参照附图进行的以下详细说明，本发明将被更好地理解，在附图中： [0037] 图1为根据本发明的第一示例性实施例的直升机类型的微型无人机的简化的透视图； [0038] 图2为示出了本发明中使用的坐标系和参量的示意图； [0039] 图3示出了根据本发明的三个反馈回路，其分别对微型无人机的前进的线速度和高度以及微型无人机的地形探测头的定向进行控制； [0040] 图4a)和图4b)示出了根据本发明的障碍物探测的改进； [0041] 图4c)和图4d)示出了光流根据光流传感器的探测区域的视线的定向所发生的演变，以及由包含在光流传感器中的腹侧局部运动传感器的组获得的光流测定点； [0042] 图5示出了常规的相对于其主体具有固定探测头的微型无人机以及根据本发明的从倾斜的地貌中穿过的微型无人机； [0043] 图6为根据本发明的第二示例性实施例的直升机类型的微型无人机的简化的透视图；以及 [0044] 图7和图8示出了根据本发明的对微型无人机的探测头的定向进行控制的反馈回路的两种优选的替代性实施例。 具体实施方式[0045] 总论 [0046] 优选地，本发明应用于大型飞行无人机、微型无人机以及配备有光流传感器的纳米无人机。然而，本发明并不限于此。有利地，本发明可应用于在距表面的一定距离处移动的其他飞行器，如机器鱼，太空船等。 [0047] 除了光流传感器之外，诸如超声波传感器、激光传感器、雷达传感器、声纳传感器等之类的距离传感器，或对取决于距离的特性进行测量的传感器(诸如基于电气方向的传感器)也可在本发明的上下文中被使用。 [0048] 第一实施例 [0049] 图1示出了根据本发明的微型无人机2。该微型无人机(重量约为80克)是具有跨度约为50cm的两个旋翼4、6的直升机。微型无人机2能够通过基于光流测量结果对它的线性前进速度和高度进行控制来自主地飞行。该微型无人机尤其能够追随地面和天花板，并且能够降落。该微型无人机具有的特性在于能够无需惯性地面参考系中的测量结果而进行航行。 [0050] 尤其当地貌陡峭时或在具有建筑物的环境中时和/或当GPS导航是不可能或不期望的时，这种类型的微型无人机或纳米无人机可适用于搜索、侦察或救援任务。 [0051] 除了两个旋翼4、6，微型无人机2还包括两个电机8、10、主体12以及地面识别装置14，两个电机8、10用于驱动旋翼。主体12限定出纵向轴线X-X。该主体包括印刷电路板16以及印刷电路板16的加固杆18，优选地，加固杆18由碳纤维制成。优选地，加固杆18具有约 25cm的长度。优选地，对微型无人机2的螺距速度进行测量的陀螺测试仪20被定位在印刷电路板16上。 [0052] 地面识别装置14在图1中由虚线限定。该地面识别装置包括地形探测头22、探测区域定向系统24以及对微型无人机2进行控制的控制器26。 [0053] 地形探测头22限定出连接至探测头的坐标系L，优选地，该坐标系L是标准正交的，该坐标系L具有前进轴Xe、偏航轴Ye、上升轴Ze以及位于探测头22的中心处的原点E(参见图2)。 [0054] 在图1和图2所示的示例中，探测头22设置有分布于其上的四个光流传感器28。可以看到能够测量前腹侧光流ωva的前腹侧传感器28.1、能够测量后腹侧光流ωvd的后腹侧传感器28.2、能够测量前背侧光流ωda的前背侧传感器28.3以及能够测量后背侧光流ωdd的后背侧传感器28.4。每个光流传感器28覆盖以视线ZC为中心的探测区域ZV。优选地，每个光流传感器28包括以已知的角度隔开的一组的五个局部运动传感器。 [0055] 应当指出的是，探测头22还可具有侧向光流传感器。 [0056] 在一个替代性实施例中，探测头22还具有在飞行期间测量空速的空速指示器30。另外，探测头22可配备有诸如GPS传感器或陀螺测试仪之类的陀螺稳定传感器。这些传感器使得能够将微型无人机2在飞行期间的频繁倾斜运动考虑在内，从而改善光流传感器28的测量结果。 [0058] 在根据图1的实施例中，用于对探测区域ZV进行定向的系统24包括与减速齿轮34相结合的电机32，优选地，电机32为步进电机。电机32使得探测头22能够绕偏航轴Ye旋转，从而更改光流传感器28的探测区域ZV。 [0059] 控制器26是定位在印刷电路板16上的微控制器。 [0060] 参照图2，现在我们将确定在本发明的上下文中所使用的几何参量。图2示出了在具有局部斜线P和表面S的地形T上方飞行的微型无人机2。 [0062] 附图标记R指示具有原点O和三个轴Xo(横向)、Yo(纵向)和Zo(竖直)的地面惯性参考系。附图标记Φ指示探测头22的上升轴Ze和光流传感器28的探测区域ZV的视线ZC之间的仰角。优选地，仰角Φ约为23°，并且探测区域ZV覆盖大约24°乘以12°的区域。 [0063] 矢量V表示微型无人机2的瞬时线速度。Ψ是矢量V和探测头22的前进速度Xe之间的角度。附图标记Vx指示线速度V的沿前进轴Xe的分量，Vy指示线速度V的沿偏航轴Ye的分量，以及Vz指示线速度V的沿上升轴Ze的分量。 [0064] 角度α是由微型无人机2飞行越过的地形T的局部斜线P和地面参考系R的水平线Xo-Yo之间的角度。 [0065] 距离D表面是地形T的表面S和探测头22的中心E之间的沿法线N至地形T的斜线P的距离。 [0066] 角度θ螺距是微型无人机2的纵向轴线X-X和参考系R的地面基准面的水平线Xo-Yo之间的角度。 [0067] 角度θ头是探测头22的前进轴Xe和地面参考系R的水平线Xo-Yo之间的角度。 [0068] 角度θEiR是微型无人机2的纵向轴线X-X和探测头22的前进角度Xe之间的角度。 [0069] 角度θ头/斜率是探测头22的前进轴Xe和地形T的局部斜线P之间的角度。 [0071] -微型无人机2的前进线速度Vx的反馈回路B1， [0072] -微型无人机2的高度的反馈回路B2，即微型无人机2与地形T的距离D表面的反馈，以及 [0073] -光流传感器28的探测区域ZV的定向的反馈回路B3。 [0074] 每个反馈回路B1、B2、B3由虚线界定。 [0076] 根据本发明的反馈回路B1能够与IROS文章中描述的相应反馈回路做比较。该根据本发明的反馈回路具体还包括前进控制器35。对这两个反馈环路的相同元件的详细说明可参考该文章，该文章的相应内容被结合到本说明书中。 [0077] 与从IROS文章中已知的前进线速度的反馈回路相比，根据本发明的反馈回路B1进一步通过使用在反馈回路B1交错的两个附加的反馈回路B4、B5并且通过分别使用空速控制器36和螺距速度控制器38来考虑来自空速指示器30和陀螺测试仪20的测量结果。 [0078] 回路B1、B4和B5以如下方式配合： [0079] 基于测得的腹侧光流和背侧光流的总和ωvtrl+ωdrsl(其中，ωvtrl与(ωva+ωvd)成正比以及ωdrsl与(ωda+ωdd)成正比)以及设定点值ω设定点总和FO之间的比较的结果，前进控制器35生成空速设定点值。然后，将空速设定点值与由空速指示器30测量的空速进行比较。作为该比较的结果，空速控制器36产生微型无人机2的螺距速度的设定点值。然后，将螺距速度设定点值与由陀螺测试仪20测得的螺距速度进行比较。基于该比较的结果，螺距速度控制器38确定两个旋翼之间的推力的差ΔΩ旋翼，即有必要获得期望的前进线速度。 [0080] 现在，我们将描述光流传感器28的探测区域ZV的定向的新的反馈回路B3。 [0081] 该反馈回路B3的基本思想通过图4a)和图4b)示出。图4a)和图4b)示出了微型无人机2飞行越过具有斜线P的地形T，该斜线P具有角度α并且终止于中断部u。人们还可看到腹侧光流传感器的探测区域ZV。 [0082] 在图4b)中，微型无人机2的探测头22相对于主体12是固定的，以使得探测头22的前进轴Xe仍平行于主体12的纵向轴线X-X。可以看到，当飞行越过斜线P时，与飞行越过平坦地形相比，光流传感器的探测区域ZV相对于地形T朝向后部定向。因此，微型无人机2在位置Xnr中探测中断部u。 [0083] 申请人已发现，根据参考系L的局部平面中的由光流传感器探测的最大光流的方向，地形中的中断部的探测以及微型无人机2的导航大致通过旋转探测头22从而旋转光流传感器的探测区域ZV而得到改善。事实上，尤其在导致微型无人机2跟随地形T的反馈回路B2存在的情况下，最大光流方向对应于探测头22的中心E与地形T的表面S之间的距离最小时的方向。换句话说，最大光流方向M与法线N到地形T的表面S的、穿过探测头22的中心E的方向一致。也可以说，最大光流的方向是“看起来”位于被飞越的地形T的表面S上的右侧的方向。 [0084] 随后，最大光流方向M通过其与上升轴Ze支撑的角度 在参考系L的局部平面中被识别。 [0085] 根据本发明，探测头22通过使用电机32来旋转以使得前腹侧传感器28.1的探测区域ZV的视线ZC与最大光流方向M间隔确定的重新定向角γ。重新定向角γ被设定成使得在微型无人机2跟随地形T飞行时前侧控制传感器28.1“看起来”是足够向前的。优选地，重新定向角γ介于0°和90°之间，并且尤其优选地，重新定向角γ大致上等于23°。 [0086] 有利地，针对重新定向角γ选择仰角Φ(即，探测头22的上升轴Ze与腹侧光流传感器28.1的探测区域ZV视线ZC之间的固定角)。事实上，在这种情况下，反馈回路B3将探测头22的前进轴Xe保持成与微型无人机2飞行越过的地形T的局部斜线P平行。 [0087] 图4a)示出了其反馈回路B3起作用时的微型无人机2，即，当探测头22被闭环控制成绕偏航轴Ye旋转以便遵循设定在仰角Φ的值处的重新定向角γ时的微型无人机2。可以看到，前腹侧光流传感器28.1的探测区域ZV相对于图4b)被拉直。因此，微型无人机2较早地在位置Xr中探测出中断部u。 [0088] 图4c)和图4d)示出了函数：ω/ωmax＝f(Φ)，即，角Φ的相对光流ω/ωmax相对于上升轴Ze的相关性。图4c)示出了在图4a)所示情况下的f(Φ)，并且，图4d)示出了在图4b)所示的情况下的f(Φ)。每个曲线图4c)和4d)中示出了前腹侧光流传感器28.1的五个局部运动传感器的测量点pma以及后腹侧光流传感器28.2的五个局部运动传感器的测量点pmd。 [0089] 数学基础 [0090] 现在，我们将概述根据本发明的反馈回路B3的数学基础。 [0091] 根据由T.怀特塞德等人发表在自然科学审查(scientific review Nature)，225：94-95的文章“模糊地带(Blur zone)”，已知的是，根据下面的等式，光流ω随每个光流传感器28相对于探测头22的参考系L的局部平面的定向Φ而变化： [0092] 等式1 [0093] [0094] 假定光流传感器28向下定向，能够几何地证明距离D(Φ)取决于飞行越过的地形T的斜线P的角度α、距离D表面、角θ头/斜率以及仰角Φ： [0095] 等式2 [0096] [0097] 使用等式1和等式2，推导出： [0098] 等式3 [0099] [0100] 由于我们期待最大光流的方向以便确定θ头/斜率，因此，我们与等式3区分开： [0101] 等式4 [0102] [0103] 随后针对下一等式获得余弦函数的最大值： [0104] 等式5 [0105] [0106] 如等式5中可见的，当微型无人机2在运转时，光流的最大值不会在探测头平行于所跟随的表面时出现，但会在取决于角θ头/斜率和角Ψ的角度处出现。 [0107] 假设：速度矢量V总是平行于所跟随的表面： [0108] 等式6 [0109] Ψ＝θ头/斜率 [0110] 实际上，反馈回路B2使用来自光流传感器28的光流测量结果以维持微型无人机2的前进速度和与表面S的距离D表面之间的恒定的比率，这导致跟随地形并且速度矢量因此与所跟随的表面对准。 [0111] 在该情况下，等式5变成： [0112] 等式7 [0113] [0114] 因此，估算的重新定向角 可被用于使探测头22重新定向成与所跟随的表面平行，这是因为 导致θ头/斜率＝0。 [0115] 根据等式3，在最大的光流位置的附近，光流根据下一等式变化： [0116] 等式8 [0117] [0118] 因此，应当针对所有的光流传感器28获取测量结果，这些光流传感器彼此间隔已知的角度，这些测量结果应当被用于确定角θ头/斜率。 [0119] 在以下函数中寻求系数 和 [0120] [0121] 这给出了光流测量结果的最小二乘法的范围内的最佳逼近。这容易地在微型无人机26中实现，因为能够通过使用在0附近的泰勒级数展开的二次多项式函数来估算平方余弦函数： [0122] 等式9 [0123] [0124] 这等同于： [0125] 等式10 [0126] ω(Φ)≈a×Φ'2+b×Φ'+c [0127] X＝[Φ′2,Φ′,1]被限定，并且，通过使用一组光流测量结果Γ，通过最小二乘法限定出系数[a，b，c]： [0128] 等式11 [0129] [a,b,c]＝inv(X*X′)*X*Γ′ [0130] 在该表达式中，仅Γ取决于光流测量结果，而其他是恒定的并仅取决于每个光流测量结果在参考系L的局部平面中的固定定向。 [0131] 矩阵乘法足以确定系数[a；b；c]，并且随后，能够使用等式9和10来确定角为以下内容： [0132] 等式12 [0133] [0134] 在模拟期间，结果表明，随着噪声增加至光流测量结果，可能造成 的错误的测量结果，这导致探测头22在反馈期间进行振荡。 [0135] 为消除错误的测量结果，计算“置信度指数(confidence index)”： [0136] 等式13 [0137] [0138] 置信度指数的减小对应于光流测量结果和近似平方余弦函数之间的较高的相似性。如果置信度指数低于阈值，那么仅验证角度 [0139] 试验结果 [0140] 图5示出了使用两个微型无人机K1和K2完成的试验。微型无人机K1装备有根据本发明的不断使其探测头22重新定向成与地面平行的反馈回路B3，而微型无人机K2的探测头22相对于主体12是固定的。 [0141] 两个微型无人机K1和K2的任务是在包括突起地貌H的陡峭环境Q中航行。应注意到，微型无人机K2较晚地探测出突起地貌H，因此撞击到该突起地貌H。然而，使用根据本发明的探测区域重新定向的方法，微型无人机K1被控制以越过突起地貌H。图5示出了微型无人机K1和K2的轨迹I1(虚线)和I2(实线)。 [0142] 第二实施例 [0143] 图6示出了根据本发明的微型无人机2的第二实施例。这里，我们仅关注相对于根据图1的第一实施例的不同之处。对于两个实施例共有的元件，可参照以上的描述。 [0144] 在第二实施例中，探测头22通过杆40连接到主体12。因此，探测头22和主体12之间没有相对运动是可能的。探测头22被安装在主体12上，以使得前进轴Xe大致上平行于主体12的纵向轴线X-X。 [0145] 光流传感器28在这里由84×15个光电探测器的矩阵42组成，这些光电探测器绕偏航轴Ye大体上覆盖约360°×60°的探测场。在多个光电检测器当中选择具有四个组G1至G4的子集，该四个组G1至G4覆盖的探测区域ZV类似于根据图1的第一实施例的那些探测区域。 [0146] 反馈回路B3被安装在该第二微型无人机中以便实时选择光电探测器的不同子集以根据重新定向角γ来测量光流。 [0147] 传感器的探测区域ZV的定向的反馈回路B3的优选方案 [0148] 图7示出了反馈回路B3的示例，并且其可实施在根据图1和图6的微型无人机2中。在第一步骤101期间，光流传感器28在若干探测区域ZV中的一个或两个维度(1D或2D)中测量出光流ω。在第二步骤102期间，微控制器26估算出垂直于表面S的方向，该表面S在探测头22的参考系L的平面中被飞行越过。在第三步骤103期间，探测头22被重新定向，以便将其前进轴Xe垂直于飞越表面S处的垂线对准。在第三步骤103之后，将反馈回路B3从第一步骤 101重新开始，等等。 [0149] 图8示出了使用来自距离传感器而非光流传感器的测量结果的反馈环路B3的替代性实施例。 |
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