技术领域
[0001] 本发明属于导航定位技术领域，特别是指一种基于飞行器旋翼光源检测的相对测距测姿方法。
相关背景技术
[0002] 准确获取飞行器距离信息和姿态信息是保障稳定控制和多机编队的基础。当前普遍采用遥控遥测、数据链、机载卫星导航和惯性器件中多种技术相结合的方式实现机间、飞行器和其他设备间的相对测距和测姿，但由于惯性器件误差随时间发散、无线测距存在受电磁干扰的风险，因此在高可靠性需求的应用场景中需要一种具有高自主特征的测距测姿方法作为备份保障手段。
具体实施方式
[0021] 以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
[0022] 一种基于飞行器旋翼光源检测的相对测距测姿方法，包括以下步骤：
[0023] (1)在飞行器A的一个或多个旋翼上安装设置可发光光源，安装位置可选择在翼尖、旋翼单面或两面，由此确定飞行过程中光源的可视范围；事前对飞行器A在飞行条件下光源相对于旋翼旋转轴的距离进行精确测量和标定，取为L；
[0024] (2)在其它飞行器或设备安装视觉摄像头，设置相机的曝光时间不低于飞行器A旋翼在最小转速下旋转一周的周期，并通过标定获取视觉摄像头视野范围内不同角度不同长度物体的成像特征函数；在飞行器A飞行过程中，利用视觉摄像头对飞行器A旋翼光源在旋转条件下产生的椭圆或圆弧进行成像，在成像视场中检测椭圆中心所处位置[x,y,z]、长轴长度与相对视场的矢量 短轴长度与相对视场的矢量 其中成像若为圆弧，则按照圆弧所对应的椭圆获取上述参数；
[0025] (3)以半径为L的圆作为视觉检测目标，依据视觉摄像头视野范围内不同角度不同长度物体的成像特征函数，根据成像中 的长度、中心所处位置[x,y,z]，获得与飞行器A光源旋转平面中心位置的相对距离、方位角和俯仰角；
[0026] (4)以半径为L的圆作为视觉检测目标，依据视觉摄像头视野范围内不同角度不同长度物体的成像特征函数，根据矢量 在成像中的指向、矢量 矢量 的比值和与飞行器A的距离信息，获得与飞行器A光源旋转平面的相对姿态；具体包括：
[0027] (401)根据矢量 在成像中的指向、矢量 矢量 的比值和与飞行器A的距离信息，获得飞行器A光源旋转平面与视觉摄像头视场三轴方向矢量夹角的两个解；
[0028] (402)当光源安装特征使得仅通过仰视或俯视光源旋转平面能观测到光源时，排除相对姿态解中对应的俯视或仰视解，得到相对姿态；
[0029] (403)当光源安装特征使得光源旋转平面两侧均能观测到光源时，通过多个旋翼安装光源的特征，包括多个旋翼间的空间关系、各个旋翼上安装光源位置和数量的不同、光源颜色的不同，对视觉摄像头成像中多个旋翼的空间逻辑关系进行检测，并排除不符合多旋翼空间逻辑关系的解，得到相对姿态。
[0030] (5)根据飞行器A光源旋转平面和机体结构的相对空间关系，以及其它飞行器或设备上安装的视觉摄像头与其结构的相对空间关系，基于得到与飞行器A光源旋转平面中心位置的相对距离、方位角、俯仰角，以及与飞行器A光源旋转平面的相对姿态，进一步得到其它飞行器或设备与飞行器A机体结构的相对距离和相对姿态。
[0031] 进一步的，所述飞行器是指具有旋翼或的旋桨的飞行器，包括多旋翼无人机、直升机、旋桨推进的固定翼飞行器等。
[0032] 图1为一种基于飞行器旋翼光源检测的相对测距测姿方法的流程图。本方法可面向飞行器控制、编队飞行等应用场景，特别是夜间、低光照环境中的飞行器应用，实现在不依赖无线电和惯性器件下获取机间、飞行器和其他设备间的相对测距和测姿信息。这里以多旋翼无人机在室内或地下场景实现编队飞行为例，详细描述实现步骤：
[0033] (1)在无人机A的一个或多个旋翼上安装设置可发光光源，安装位置可选择在翼尖、旋翼单面或两面，由此确定飞行过程中光源的可视范围；事前对无人机A在飞行条件下光源相对于旋翼旋转轴的距离进行精确测量和标定，取为L；
[0034] (2)在无人机B安装视觉摄像头，设置相机的曝光时间不低于无人机A旋翼在最小转速下旋转一周的周期，并通过标定获取视觉摄像头视野范围内不同角度不同长度物体的成像特征函数；在无人机A和无人机B的编队飞行过程中，无人机B利用视觉摄像头对无人机A旋翼光源在旋转条件下产生的椭圆或圆弧进行成像，在成像视场中检测椭圆中心所处位置[x,y,z]、长轴长度与相对视场的矢量 短轴长度与相对视场的矢量 其中成像若为圆弧，则按照圆弧所对应的椭圆获取上述参数；
[0035] (3)以半径为L的圆作为视觉检测目标，依据视觉摄像头视野范围内不同角度不同长度物体的成像特征函数，根据成像中 的长度、中心所处位置[x,y,z]，获得无人机B视觉摄像头与无人机A光源旋转平面中心位置的相对距离、方位角和俯仰角；
[0036] (4)以半径为L的圆作为视觉检测目标，依据视觉摄像头视野范围内不同角度不同长度物体的成像特征函数，根据矢量 在成像中的指向、矢量 矢量 的比值和与无人机A的距离信息，获得与无人机A光源旋转平面的相对姿态；具体包括：
[0037] (401)根据矢量 在成像中的指向、矢量 矢量 的比值和与无人机A的距离信息，获得无人机A光源旋转平面与视觉摄像头视场三轴方向矢量夹角的两个解；
[0038] (402)当光源安装特征使得仅通过仰视或俯视光源旋转平面能观测到光源时，排除相对姿态解中对应的俯视或仰视解，得到相对姿态；
[0039] (403)当光源安装特征使得光源旋转平面两侧均能观测到光源时，通过多个旋翼安装光源的特征，包括多个旋翼间的空间关系、各个旋翼上安装光源位置和数量的不同、光源颜色的不同，对视觉摄像头成像中多个旋翼的空间逻辑关系进行检测，并排除不符合多旋翼空间逻辑关系的解，得到相对姿态。
[0040] (5)根据无人机A光源旋转平面和机体结构的相对空间关系，以及无人机B上安装的视觉摄像头与其结构的相对空间关系，基于得到与无人机A光源旋转平面中心位置的相对距离、方位角、俯仰角，以及与无人机A光源旋转平面的相对姿态，进一步得到无人机A和无人机B机体结构的相对距离和相对姿态。
[0041] 总之，本发明无需依托飞行器间的无线链路和惯性信息交互过程，视觉检测算法复杂度低，可应用于弱光照和无光照条件，适用于对自主性要求高、或对载荷存在限制的应用场合。
[0042] 本发明可应用于飞行器控制、编队飞行等应用场景，特别是夜间、低光照环境中的飞行器应用，实现在不依赖无线电和惯性器件下获取机间、飞行器和其他设备间的相对测距和测姿信息。
