阅读说明：本技术 一种基于近红外信标的无人机复合对接系统及其方法 (Unmanned aerial vehicle composite docking system and method based on near-infrared beacon ) 是由 潘汉 敬忠良 陈务军 任炫光 董鹏 黄健哲 陈家耕 高颖 于 2019-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于近红外信标的无人机复合对接系统及其方法。该系统包括：无人机,包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元,图像采集单元与视觉处理器电性耦接,视觉处理器与飞控计算机电性耦接；清洁装置,包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标,信标固定安装于清洁机器人,通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给清洁机器人并接收来自清洁机器人的命令；地面控制台,根据相对定位准则输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划。相比于现有技术,本发明可大幅提高空中无人机与清洁装置之间的对接精度,大大降低高层建筑的清洗成本,极大地改善工人的作业环境,以便提高清洗效率。(The invention provides an unmanned aerial vehicle composite docking system based on a near-infrared beacon and a method thereof. The system comprises: the unmanned aerial vehicle comprises a flight control computer, a visual processor and an image acquisition unit, wherein the image acquisition unit is electrically coupled with the visual processor, and the visual processor is electrically coupled with the flight control computer; the cleaning device comprises a cleaning robot, a communication chip and a near-infrared beacon, wherein the beacon is fixedly arranged on the cleaning robot, and the communication chip is used for transmitting the sensor and the charging state information to the cleaning robot and receiving a command from the cleaning robot; and the ground control console outputs a series of space coordinates according to the relative positioning criterion and realizes the task planning of the unmanned aerial vehicle. Compared with the prior art, the invention can greatly improve the butt joint precision between the aerial unmanned aerial vehicle and the cleaning device, greatly reduce the cleaning cost of high-rise buildings, and greatly improve the working environment of workers so as to improve the cleaning efficiency.)

一种基于近红外信标的无人机复合对接系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种空中无人机及其关键组件，尤其涉及一种基于近红外信标的无人机复合对接系统及其方法。

背景技术

在现有技术中，无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)自问世以来就受到人们广泛地关注，随着科学技术的进步，无人机已经应用到了诸如地形探测、灾难检测、空中侦察等多个方面。此外，现有的城市高楼林立，楼层可高达近百米，其中的外墙壁面材质主要是玻璃、瓷砖等。对于壁面的清洁，目前这些工作大部分仍由清洁工作人员通过吊线、吊绳等方式开展工作，不仅比较危险而且清洁效率低。再者，这些高空作业无法充分保证人身安全且极有可能对壁面有较大的威胁性。然而，现有的移动式清洁机器人，诸如悬吊式清洁机器人或爬壁机器人等，在吸附方式、移动方式等方面存在着速度慢、结构复杂、适应能力较差等问题。

发明内容

针对现有技术的悬吊式清洁机器人或爬壁机器人在高空作业时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于近红外信标的无人机复合对接系统及其方法。

依据本发明的一个方面，提供了一种基于近红外信标的无人机复合对接系统，包括：

无人机，包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元，其中，所述图像采集单元与所述视觉处理器电性耦接，所述视觉处理器与所述飞控计算机电性耦接；

清洁装置，包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，其中，所述近红外信标固定安装于所述清洁机器人，所述通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给所述清洁机器人并接收来自所述清洁机器人的命令；

地面控制台，与所述无人机进行无线传输以及与所述清洁装置进行无线传输，所述地面控制台根据相对定位准则，输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，所述无人机根据规划的清洁任务将所述清洁装置送至目标区域。

在一具体实施例，所述近红外信标被配置为复合谱段、空间结构和/或空间分布方式。

在一具体实施例，所述图像采集单元为近红外相机，其通过拍摄所述清洁装置的图像序列进行近红外特征点的提取和相对测量，从而将所述近红外信标的特征数据送入所述视觉处理器。

在一具体实施例，无人机将所述清洁装置送至墙壁、光热板或光伏板表面，并由所述清洁装置的清洁机器人进行自主清洁。

在一具体实施例，所述地面控制台根据待清洁的平台表面的清洁度进行任务规划。

在一具体实施例，所述近红外信标采用不同波段的LED发光二极管。

依据本发明的另一个方面，提供了一种基于近红外信标的无人机复合对接方法，适于将清洁机器人对接于目标区域，该无人机复合对接方法包括以下步骤：

提供一无人机，所述无人机包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元，其中所述图像采集单元与所述视觉处理器电性耦接，所述视觉处理器与所述飞控计算机电性耦接；

提供一清洁装置，所述清洁装置包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，其中所述近红外信标固定安装于所述清洁机器人，所述通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给所述清洁机器人并接收来自所述清洁机器人的命令；以及

提供一地面控制台，与所述无人机进行无线传输以及与所述清洁装置进行无线传输，所述地面控制台根据相对定位准则，输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，所述无人机根据规划的清洁任务将所述清洁装置送至目标区域。

在一具体实施例，所述近红外信标被配置为复合谱段、空间结构和/或空间分布方式。

在一具体实施例，所述图像采集单元为近红外相机，其通过拍摄所述清洁装置的图像序列进行近红外特征点的提取和相对测量，从而将所述近红外信标的特征数据送入所述视觉处理器。

在一具体实施例，所述无人机将所述清洁装置送至墙壁、光热板或光伏板表面，并且由所述清洁装置的清洁机器人进行自主清洁。

采用本发明的无人机复合对接系统及其方法，无人机包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元，图像采集单元与视觉处理器电性耦接，视觉处理器与飞控计算机电性耦接；清洁装置包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，近红外信标固定安装于清洁机器人，通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给清洁机器人并接收来自清洁机器人的命令；地面控制台与无人机以及清洁装置进行无线传输，其根据相对定位准则，输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，无人机根据规划的清洁任务将清洁装置送至目标区域。

相比于现有技术，本发明的无人机配置有特定波段的近红外相机，清洁装置配置有特定波段的近红外信标，且基于近红外相机的小孔成像模型，通过提取所检测的近红外信标特征点来输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，使无人机根据规划的清洁任务将清洁装置送至目标区域。如此一来，本发明可大幅提高空中无人机与清洁装置之间的对接精度，大大降低高层建筑的清洗成本，极大地改善工人的作业环境，以便提高清洗效率。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的

具体实施方式

以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出依据本发明的一个方面，基于近红外信标的无人机复合对接系统的结构示意图；

图2示出图1的无人机复合对接系统中，无人机与清洁装置进行复合对接的状态示意图；

图3示出在图1的无人机复合对接系统中，固定安装于清洁装置的近红外信标的结构图；以及

图4示出依据本发明的另一个方面，基于近红外信标的无人机复合对接方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出依据本发明的一个方面，基于近红外信标的无人机复合对接系统的结构示意图，图2示出图1的无人机复合对接系统中，无人机与清洁装置进行复合对接的状态示意图，图3示出在图1的无人机复合对接系统中，固定安装于清洁装置的近红外信标的结构图。

参照图1至图3，在该实施方式中，本发明的无人机复合对接系统包括无人机、清洁装置和地面控制台。

详细而言，如图1所示，无人机包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元。其中，图像采集单元与视觉处理器电性耦接，视觉处理器与飞控计算机电性耦接。清洁装置包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，其中，近红外信标固定安装于清洁机器人，通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给清洁机器人并接收来自清洁机器人的命令。亦即，通信芯片与清洁机器人之间实行双向数据交互，例如二者间采用基于MAVLINK协议的数据传输形式。在该复合对接系统中，通过引入近红外信标并将其固定安装于清洁机器人，基于计算机视觉理论，求解Perspective-3-Points(P3P)问题以获得无人机与清洁装置间的相对位姿，从而可以减少太阳光线、强风、无GPS信号等复杂情况的不利影响，提高对接过程的鲁棒性。因此，无人机将清洁装置送至墙壁、光热板或光伏板表面，随后可由清洁装置的清洁机器人进行自主清洁。此外，地面控制台还能够根据待清洁的平台表面的清洁度进行任务规划。

地面控制台与无人机进行无线传输以及与清洁装置进行无线传输，地面控制台根据相对定位准则，输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，无人机根据规划的清洁任务将清洁装置送至目标区域(诸如墙壁、光热板或光伏板表面)。

在一具体实施例，近红外信标采用不同波段的LED发光二极管。进一步而言，近红外信标被配置为复合谱段、空间结构和/或空间分布方式。例如，近红外信标附着于清洁机器人，并主动发射近红外信息，与此同时，无人机的视觉处理器基于图3所示的近红外信标结构，解算出相对位姿参数，从而可抑制太阳光线、强风、无GPS信号等复杂情况的干扰，提高对接过程的精确性和鲁棒性。

在一具体实施例，图像采集单元为近红外相机，例如近红外波段介于800nm～1300nm，其通过拍摄清洁装置的图像序列进行近红外特征点的提取和相对测量，从而将近红外信标的特征数据送入无人机中的视觉处理器。

由上述实施例可知，相比于现有技术，本发明的无人机配置有特定波段的近红外相机，清洁装置配置有特定波段的近红外信标，且基于近红外相机的小孔成像模型，通过提取所检测的近红外信标特征点来输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，使无人机根据规划的清洁任务将清洁装置送至目标区域。如此一来，本发明可大幅提高空中无人机与清洁装置之间的对接精度，大大降低高层建筑的清洗成本，极大地改善工人的作业环境，以便提高清洗效率。

图4示出依据本发明的另一个方面，基于近红外信标的无人机复合对接方法的流程框图。

参照图4，基于近红外信标的无人机复合对接方法主要可通过步骤S1、步骤S3和步骤S5予以实现。

更为详细地，在步骤S1中，提供一无人机，该无人机包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元。其中图像采集单元与视觉处理器电性耦接，视觉处理器与飞控计算机电性耦接。飞控计算机用来控制无人机的空中飞行姿势。视觉处理器根据近红外信标结构来解算出相对位姿参数，从而可抑制复杂情况时的干扰，提高对接过程的精确性和鲁棒性。

在步骤S3中，提供一清洁装置，该清洁装置包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，其中近红外信标固定安装于清洁机器人，通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给清洁机器人并接收来自清洁机器人的命令。例如，近红外信标采用不同波段的LED发光二极管。近红外信标被配置为复合谱段、空间结构和/或空间分布方式。例如，近红外信标附着于清洁机器人，并主动发射近红外信息。

在步骤S5中，提供一地面控制台，与无人机进行无线传输以及与清洁装置进行无线传输，地面控制台根据相对定位准则，输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，无人机根据规划的清洁任务将清洁装置送至目标区域。之后，无人机在清洁度评估的基础上，根据清洁任务的完成情况，与清洁装置成功对接从而使清洁装置脱离目标清洁区域并返回。

采用本发明的无人机复合对接系统及其方法，无人机包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元，图像采集单元与视觉处理器电性耦接，视觉处理器与飞控计算机电性耦接；清洁装置包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，近红外信标固定安装于清洁机器人，通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给清洁机器人并接收来自清洁机器人的命令；地面控制台与无人机以及清洁装置进行无线传输，其根据相对定位准则，输出一系列空间坐标并实现无人机的任务规划，无人机根据规划的清洁任务将清洁装置送至目标区域。

更重要的是，本发明可消除复杂环境，如强度较高的太阳光、强风、无GPS信号等，对整个对接过程的不利影响，可以实现复杂环境下无人机相对定位与导航。另外，本发明可以大幅度提高清洗工作的效率，具有较大的灵活度和鲁棒性，对清洗环境的结构具有较强的适应性，在玻璃幕墙清洗等领域中均可广泛地应用。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。