一种垂直起降无人机及其精确定位及避障方法

1.一种垂直起降无人机的精确定位及避障方法，包括如下步骤：
步骤一、服务器获取收货地点坐标，依据此坐标获取目标空域坐标及方向参数，使该参数对应位置处于收货地点视线范围内，方向朝向收货地点，高度必须高于周边建筑物高度；
步骤二、服务器将目标空域坐标及方向参数添加至无人机任务计划列表并令无人机执行飞行任务；
步骤三、无人机飞抵对应空域坐标后向服务器报告已到达目标空域，并开始搜索光信号，同时开始计时，若在货品被确认签收之前计时超出预设值，则跳至步骤十二；
步骤四、服务器收到无人机到达目标空域坐标的报告后通过网络通信告知收货对象；
步骤五、收货对象使用可调制光信号不断照射空中无人机，该光信号中包括收货方身份信息、货单信息和校验信息；
步骤六、无人机利用两个摄像头感应光点，若没有搜索到光点则持续搜索；若搜索到光点则根据搜索到的各个光点在各个摄像头画面的位置计算光点相对于摄像头的横向及纵向角度，再根据两个摄像头的间距计算出有效高亮点数量及各个有效高亮点与各个摄像头的距离及方向；
步骤七、根据步骤六得到各个有效高亮点与各个摄像头的距离及方向信息、摄像头俯角及摄像头与光电传感器相对位置信息，无人机获取各个光点相对于光电传感器的方向数据，根据此方向数据控制光电传感器的俯仰和转向轴使光电传感器指向目标光点，并对目标光点进行信息验证，若验证成功则对这个光点保持追踪，若验证失败则对下一个光点进行信息验证；
步骤八、无人机将验证成功后的光点设定为目标点，并为该目标点建立三轴空间坐标系，该空间坐标系中一个轴垂直于水平面，然后根据步骤六和步骤七中所得目标点相对于摄像头的方位及距离、摄像头俯角、摄像头安装位置以及无人机俯仰、横滚、方向数据可得目标点与无人机相对方位；
步骤九、根据上一步骤中所得数据，无人机的水平朝向始终指向目标点，靠近目标点，并根据距离传感器数据使用侧移和上升下降来与周围的障碍物尽量保持安全距离，但不能低于极限距离，若在无人机接近目标点的过程中光信号中断，则跳至步骤十二；
步骤十、当无人机与目标点的距离小于安全距离时，利用声光电或通信的方式提示收货对象接收货品；
步骤十一、收货对象使用光信号或网络通信进行电子签收，无人机确认到签收请求后解除货品的锁定，收货对象拾取货品，无人机通过光电传感器感知货品被拾取后通过网络通信向服务器确认货品签收成功，服务器存储电子签收单据并向收货对象抄送；若签收流程未完成，且计时没有超出预设值则返回步骤四；
步骤十二、无人机根据距离传感器远离各个方向的障碍物至安全距离，然后提升高度至与目标空域坐标等高，再飞往目标空域坐标；
步骤十三、完成任务后，无人机返航至无人机基地进行维护。
2.根据权利要求1所述的垂直起降无人机的精确定位及避障方法，其特征在于：所述步骤十一中的电子签收是收货人通过可调制光信号的强光源向无人机发射光信号进行签收，或，收货人通过网络通信对服务器进行签收，服务器再将签收信息通过移动通信网络反馈给无人机，完成电子签收动作。
3.根据权利要求1所述的垂直起降无人机的精确定位及避障方法，其特征在于：所述垂直起降无人机包括具有旋翼的机身，所述机身的左前部和右前部分别设有指向无人机前方偏下的摄像头，两摄像头间距为定值且光轴平行，摄像头与收货人配备的可调制光信号的强光源相配合；所述机身的前方设置光电传感器；所述机身的上下及四周设置距离传感器；
无人机与服务器通过移动通信网络进行无线通信。

一种垂直起降无人机及其精确定位及避障方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于无人机技术领域，具体为一种用于物流的垂直起降无人机及其精确定位及避障方法。\n背景技术\n[0002] 在部分偏远地区，快件带来的收益难以抹平网点建设、维持所消耗的资金，这是目前物流业内所共识的。而采用“无人机”进行运送能有效提高配送效率，减少人力、运力成本，尤其是垂直起降（VTOL，Vertical Take-Off and Landing）无人机可以满足面向收件用户的快递投递业务和面向小型快件集散点的物流业务的实际需求。因此将垂直起降无人机应用于物流配送是物流业的一个很好的发展方向。\n[0003] 通常，使用VTOL垂直起降无人机进行物流业务有一个难以解决的问题，即：复杂环境下物流无人机和收货对象间的定位问题和避障问题。无人机运输快件的理想情况应是由无人机将快件送入收货对象手中，这一过程需要的定位精度至少在分米级别。而卫星定位精度则通常无法达到此要求：使用差分定位系统会导致终端成本上升数百倍，且由于定位信号反射，在高楼林立的城市中，无法保证定位效果；使用常规的卫星定位会导致定位精度不足（理想状态通常为2m精度），在高楼较多的地点，由于卫星信号被高楼反射，定位精度会进一步下降。受限于以上情况，为了保证无人机物流业务的安全性，其货物投放地点只能是某个开阔地带，且无法执行签收操作，不能解决无人机物流的“最后十米”的问题，增加了收货对象的收货难度，从而导致物流无人机的实用性大打折扣。另外，由于收货人的位置并不固定，所处环境也各有不同，所以在这个完整的物流过程中还需要对收货人进行精确定位并避开附近的障碍物，而使用卫星定位无法达到该要求。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于物流的无人机的精确定位及避障方法，该方法可用于垂直起降（VTOL）物流无人机。\n[0005] 为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：一种垂直起降无人机，包括具有旋翼的机身，所述机身的左前部和右前部分别设有指向无人机前方偏下的摄像头，两摄像头间距为定值且光轴平行，摄像头与收货人配备的可调制光信号的强光源相配合；所述机身的前方设置光电传感器；所述机身的上下及四周设置距离传感器；无人机与服务器通过移动通信网络进行无线通信。\n[0006] 本发明还提供一种用于上述垂直起降无人机的精确定位及避障方法，包括如下步骤。\n[0007] 步骤一、服务器获取收货地点坐标，依据此坐标获取目标空域坐标及方向参数，使该参数对应位置处于收货地点视线范围内，方向基本朝向收货地点，高度必须高于周边建筑物高度。\n[0008] 步骤二、服务器将目标空域坐标及方向参数添加至无人机任务计划列表并令无人机执行飞行任务。\n[0009] 步骤三、无人机飞抵对应空域坐标后向服务器报告已到达目标空域，并开始搜索光信号，同时开始计时，若在货品被确认签收之前计时超出预设值，则跳至步骤十二。\n[0010] 步骤四、服务器收到无人机到达目标空域坐标的报告后通过网络通信告知收货对象。\n[0011] 步骤五、收货对象使用可调制光信号不断照射空中无人机，该光信号中包括收货方身份信息、货单信息和校验信息，并可酌情对信号进行加密。\n[0012] 步骤六、无人机利用两个摄像头感应光点，若没有搜索到光点则持续搜索；若搜索到光点则根据搜索到的各个光点在各个摄像头画面的位置计算光点相对于摄像头的横向及纵向角度，再根据两个摄像头的间距计算出有效高亮点数量及各个有效高亮点与各个摄像头的距离及方向。\n[0013] 步骤七、根据上一步骤中所得信息、摄像头俯角及摄像头与光电传感器相对位置信息，无人机获取各个光点相对于光电传感器的方向数据，根据此方向数据控制光电传感器的俯仰和转向轴使光电传感器指向目标光点，并对目标光点进行信息验证，若验证成功则对这个光点保持追踪，若验证失败则对下一个光点进行信息验证。\n[0014] 步骤八、无人机将验证成功后的光点设定为目标点，并为该目标点建立三轴空间坐标系，该空间坐标系中一个轴垂直于水平面，然后根据步骤六和步骤七中所得目标点相对于摄像头的方位及距离、摄像头俯角、摄像头安装位置以及无人机俯仰、横滚、方向数据可得目标点与无人机相对方位。\n[0015] 步骤九、根据上一步骤中所得数据，无人机的水平朝向始终指向目标点，靠近目标点，并根据距离传感器数据使用侧移和上升下降来与周围的障碍物尽量保持安全距离，但不能低于极限距离，若在无人机接近目标点的过程中光信号中断，则跳至步骤十二。\n[0016] 步骤十、当无人机与目标点的距离小于安全距离时，利用声光电或通信的方式提示收货对象接收货品。\n[0017] 步骤十一、收货对象使用光信号或网络通信进行电子签收，无人机确认到签收请求后解除货品的锁定，收货对象拾取货品，无人机通过光电传感器感知货品被拾取后通过网络通信向服务器确认货品签收成功，服务器存储电子签收单据并向收货对象抄送；若签收流程未完成，且计时没有超出预设值则返回步骤四。\n[0018] 步骤十二、无人机根据距离传感器远离各个方向的障碍物至安全距离，然后提升高度至与目标空域坐标等高，再飞往目标空域坐标。\n[0019] 步骤十三、完成任务后，无人机返航至无人机基地进行维护。\n[0020] 而且，所述步骤十一中的电子签收是收货人通过可调制光信号的强光源向无人机发射光信号进行签收，或，收货人通过网络通信对服务器进行签收，服务器再将签收信息通过移动通信网络反馈给无人机，完成电子签收动作。\n[0021] 本发明的有益效果是：提供了一种无人机进行物流运输的方式，尤其适合垂直起降式无人机，能自主避障，其作业精确安全，可行性高、便于实施。\n附图说明\n[0022] 图1是本发明中无人机的构建框图。\n[0023] 图2是本发明中摄像头的工作示意图。\n[0024] 图3是本发明的方法流程图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。\n[0026] 本实施例提供的一种垂直起降无人机，如图1和图2所示，包括具有旋翼的机身，所述机身的左前部和右前部分别设有指向无人机前方偏下的摄像头，两摄像头的光轴平行且间距为定值；所述机身的前方设置光电传感器；所述机身的上下及四周设置距离传感器；收货人配备可调制光信号的强光源与无人机的摄像头相配合；无人机与服务器通过手机信号网进行无线通信。\n[0027] 上述收货人所配备的可调制光信号的强光源，既能帮助引导定位又能通信，且强光源易于获取，例如，具有闪光灯的智能手机即可。\n[0028] 本实施例还提供一种用于上述垂直起降无人机的精确定位及避障方法，为方便说明本发明的方法步骤，需要预先假设如下参量：\n[0029] 1.假设无人机中心为坐标原点 ，无人机正前水平方向为正y轴，无人机正右水平方向为正x轴，垂直于水平面向上的方向为正z轴；\n[0030] 2.假设无人机处于水平状态时左右两个摄像头的坐标分别为 和 ，即间距为 ，指向方向为正前向下偏 弧度， ；\n[0031] 3.假设无人机处于水平状态时光电传感器安装位置为 ；\n[0032] 4.设无人机实时俯角为 ，实时右滚角为 ， ， ；\n[0033] 5.假设无人机有 个距离传感器均匀分布在其周围，每个距离传感器的指向方向都用单位向量表示，可得向量数组 ，其中包含 个单位向量，依次与各距离传感器指向方向对应；\n[0034] 6.假设“较远距离”、“安全距离”、“极限距离”分别为 、和 ，其中 ；\n[0035] 7.假设计时器时间 ，超时时间为 。\n[0036] 本实施例提供一种用于物流的无人机的精确定位及避障方法在应用的过程中，如图3，具体包括以下步骤。\n[0037] 步骤1：服务器获取收货地点信息，但不能直接让物流无人机飞往该地点，以免因卫星定位精度劣化或障碍物导致无人机出现事故。依据此坐标获取目标空域坐标及方向参数，使该参数对应位置处于收货地点视线范围内，方向基本朝向收货地点，高度必须高于周边建筑物高度。由于该参数的要求较为宽松，参数数值也较易于设置。该步骤旨在无人机切换至使用本发明提供的精确定位方法前处于一个上方开阔无遮挡的环境，以免卫星定位精度大幅下降。\n[0038] 步骤2：服务器将目标空域坐标及方向参数添加至无人机任务计划列表并令无人机执行任务。\n[0039] 步骤3：无人机到达对应空域坐标后向服务器报告已到达目标空域坐标，完成头部朝向调整，然后开始搜索光信号，同时计时器开始计时，在无人机感知货品被拾取之前，即，则跳至步骤12。\n[0040] 步骤4：服务器收到无人机到达目标空域坐标的报告后通过网络通信告知收货对象。\n[0041] 步骤5： 收货对象使用光信号不断照射空中无人机，光信号中包括但不仅限于收货方身份信息、货单信息和校验信息，并可酌情对信号进行加密。\n[0042] 步骤6： 无人机利用两个摄像头感应光点，若没有搜索到高亮点则持续搜索；若搜索到光点则根据搜索到的各个光点在各个摄像头画面的位置计算光点相对于摄像头的横向及纵向角度，再根据两个摄像头的间距计算出有效高亮点数量及各个有效高亮点与各个摄像头的距离及方向。\n[0043] 摄像头像素坐标为正中心为原点，正x轴向右，正y轴向上，正z轴为正前方，建立基于摄像头的坐标系，左右两个摄像头对应的坐标系分别为 和 。根据摄像头厂家数据，每个像素都有与其对应的相对于摄像头的横向及纵向角度，设定横向偏右为正，设定纵向偏上为正，有像素点与像素点对应单位方向向量的映射函数（该映射函数也可自行测取）：\n[0044] ，\n[0045] 满足条件：\n[0046] ，\n[0047] 由于摄像头只能从前方进光，还满足条件：\n[0048] 。\n[0049] 可得像素点对应的方向向量为（专用于表述方向参数的单位向量）：\n[0050]\n[0051] 其中，光点判定可通过RGB阈值检测像素颜色来简单判定，有摄像头实时画面各像素色彩成分为：\n[0052]\n[0053] RGB阈值分别为： 、 、 。\n[0054] 当同时满足：\n[0055]\n[0056]\n[0057]\n[0058] 则判定为光点的像素点。\n[0059] 符合条件的像素如果相邻则可合并为一个光点处理，光点坐标采用其所包含的像素点坐标的加权平均值，可得左摄像头获取的光点坐标数组 ：\n[0060]\n[0061]\n[0062] … …\n[0063]\n[0064]\n[0065] ，右摄像头获取的光点坐标数组：\n[0066]\n[0067]\n[0068] … …\n[0069]\n[0070] 。\n[0071] 然后将光点坐标代入：\n[0072] ，\n[0073] 可得左摄像头中光点相对于左摄像头方位向量数组 ：\n[0074]\n[0075]\n[0076] … …\n[0077]\n[0078] ，\n[0079] 右摄像头中光点相对于左摄像头方位向量数组 ：\n[0080]\n[0081]\n[0082] … …\n[0083]\n[0084] 。\n[0085] 实际的光点会分别在左右两个摄像头中成像，将左右两摄像头中光点配对可得实际光点、实际光点在左摄像头中的成像、实际光点在右摄像头中的成像的对应关系。 中每个元素均与 中每个元素尝试匹配，假设被匹配的左右摄像头对应的两个元素依次为和 ，匹配条件为：\n[0086] 且： 。\n[0087] 再设常量 和 ，存在：\n[0088] ，\n[0089] 即：\n[0090] ，\n[0091] 有：\n[0092]\n[0093] ，可得实际光点与左右两个摄像头的距离及方向表述为向量分别为：\n[0094]\n[0095] 和\n[0096]\n[0097] 步骤7：以无人机右方为正x轴，前方为正y轴，上方为正z轴建立基于无人机的坐标系 。将步骤6中最后得到的实际光点分别与左右两个摄像头的方位向量由 和 坐标系变换至 坐标系，变换方程为：\n[0098]\n[0099] 即：\n[0100]\n[0101]\n[0102] 。\n[0103] 光电传感器至左（右）摄像头的方位向量为 （ ），左（右）摄像头至实际光点的基于 （ ）坐标系的方位向量经上方变换方程可转换为基于 坐标系的向量值，两者相加可得光电传感器至实际光点的方位向量，进而可获得各个实际光点相对于光电传感器的方位向量，设所得方位向量集合为方位向量数组 ：\n[0104]\n[0105]\n[0106] … …\n[0107]\n[0108]\n[0109] 根据向量表示的方向控制光电传感器的俯仰和转向轴使光电传感器依次指向实际光点并对光点进行信息验证，若验证成功则对这个光点保持追踪，若验证失败则对下一个实际光点进行信息验证，直至获取目标光点。\n[0110] 步骤8： 无人机验证光点信息成功后将此光点设定为目标点（即步骤7中 向量数组中的一个元素，设其为 ），建立三轴空间坐标系 ，无人机中心作为坐标系原点，坐标系x、y轴与地平面平行，正y轴与无人机正前方向对应。将 与无人机俯仰、横滚角度数据结合运算可得目标光点与无人机相对方位向量 （基于水平面的立体坐标系），具体方法为对 依次进行俯仰和横滚坐标变换（坐标变换顺序可颠倒）。俯仰变换方程：\n[0111]\n[0112] 即：\n[0113]\n[0114]\n[0115]\n[0116] 和横滚变换方程：\n[0117]\n[0118] 即：\n[0119]\n[0120]\n[0121] ，\n[0122] 将 代入俯仰变换方程，所得结果再代入横滚变换方程就可得到 。\n[0123] 步骤9：根据步骤8中 （在此步骤中 数据被不断实时更新），使无人机的水平朝向始终指向目标点，然后靠近目标点，并根据距离传感器数据使用侧移和上升下降来与周围的障碍物尽量保持安全距离，但不能低于极限距离。\n[0124] 设数组 ，含：\n[0125]\n[0126]\n[0127] … …\n[0128] ，\n[0129] 依次对应各距离传感器所测障碍物距离的实时值。\n[0130] 设无人机移动向量 ， ， 指向方位表示无人机移动方向， 与无人机移动力度相关， 的计算方法如下：\n[0131] 当数组 中所有元素均大于 时有：\n[0132] ，\n[0133] 当数组 中存在元素小于 ，且所有元素均大于 时有：\n[0134]\n[0135]\n[0136]\n[0137]\n[0138]\n[0139] 当数组 中存在小于 的元素时有：\n[0140]\n[0141]\n[0142] 另外，在无人机接近目标点的过程中如果光信号中断，则立即进入步骤12。\n[0143] 步骤10：当无人机与目标点的距离小于安全距离时，即 ，利用声光电或通信的方式提示收货对象接收货品。\n[0144] 步骤11：收货对象使用光信号或网络通信进行电子签收，无人机确认到签收请求并解除货品的锁定，收货对象拾取货品，无人机感知货品被拾取后通过网络通信向服务器确认货品签收成功，服务器存储电子签收单据并向收货对象抄送；也可以由收货人通过网络通信对服务器进行签收，服务器再将签收信息通过移动通信网络反馈给无人机，完成电子签收动作。若签收流程未完成，且计时没有超出预设值则返回步骤4。\n[0145] 步骤12：无人机根据距离传感器远离各个方向的障碍物至较远距离，参考步骤9中内容有：\n[0146]\n[0147] 当：\n[0148]\n[0149] 时，有：\n[0150]\n[0151] 否则有：\n[0152]\n[0153] 。待无人机高度约等于下一个目标空域坐标高度，再飞往下一个目标空域坐标。\n[0154] 步骤13：完成所有任务后，无人机返航至无人机基地进行维护。\n[0155] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。