基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法

摘要

本发明涉及无人机领域，特别涉及基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法，本发明基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法采用僚机的TOF摄像头对长机拍摄，获取长机深度图像信息，进而获取僚机和长机的实际位置关系，通过飞行控制模块控制僚机位置解决了无人机机群在飞行时队形保持和变队时处理速度慢、对环境光线依赖高、精度低的问题。本发明适用于无人机。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机领域，特别涉及基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队 的方法。

背景技术

近两年，无人机机群飞行将文字、造型、LOGO等在空中呈现可谓是最火爆的表演秀，它 特有的科技感、强可塑性、艺术性受到了众多晚会节目、发布会、活动现场、景区表演、婚 礼现场的青睐。它的可定制化满足大众想要独一无二的专属表演的需求，同时不停的推陈出 新，适应市场的快速发展，将前沿科技的魅力展现的淋漓尽致。而无人机编队飞行过程中如 何保持队形和如何变队形是无人机技术必不可少的组成部分，同时无人机群往往处于未知的 动态环境中，这就要求无人机机群在飞行时具有自适应性和多变性。

TOF是Time of flight的简写，飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲， 然后利用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物的距离。

发明内容

本发明所解决的技术问题：提供基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的 方法实现无人机机群在飞行时队形保持和变队时处理速度慢、对环境光线依赖高、精度低的 问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案：无人机包括多个TOF摄像头、TOF判断模块、 TOF控制模块和飞行控制模块，所述多个TOF摄像头分别和TOF判断模块相连，所述TOF判 断模块，TOF控制模块和飞行控制模块顺次连接，所述多个TOF摄像头选择合适的FOV能实 现无人机720°视野全覆盖进行拍照，用于采集位置信息；所述TOF判断模块用于计算相对 位置变化，比较预设位置信息和当前位置信息，并将位置差值数据发送到TOF控制模块；TOF 控制模块解析位置差值数据，通过飞行控制模块控制无人机进行水平方向、前后方向和竖直 方向的位置调节。

进一步的，多个TOF摄像头是四个，一个位于机身顶部，一个位于机身腹部处，一个位 于机身左部，一个位于机身右部。

进一步的，无人机还包括无线接收模块，所述无线接收模块与TOF判断模块相连，用于 接收变队后的位置关系信息。

无人机群飞行时队形保持的方法，包括以下步骤：

S01、机群中选择一架无人机做为长机，其余无人机做为僚机；设置僚机和长机之间的相 对位置关系作为预设位置信息；

S02、僚机上的TOF摄像头每隔一段时间拍摄多组长机的图像信息，并转换成深度图，通 过多组长机的深度图平均值，获得僚机和长机的实际位置关系；

S03、僚机上的TOF判断模块比较实际位置关系和预设位置关系，如果实际位置关系和预 设位置相等，则保持僚机飞行状态，如果际位置关系和预设位置不相等，则计算僚机位置偏 移量；

S04、僚机上的TOF控制模块根据偏移量通过飞行控制模块调整当前僚机的位置。

进一步的，步骤S03中，获取僚机位置偏移量的计算公式是：

无人机群飞行时变队形的方法，包括以下步骤：

S501、机群中选择一架无人机做为长机，其余无人机做为僚机；

S502、僚机上的无线接收模块接收变队形后的位置关系；

S503、僚机上的TOF判断模块将无线接收模块接收的位置关系作为预设位置关系；

S504、僚机上的TOF摄像头每隔一段时间拍摄多组长机的图像信息，并转换成深度图， 通过多组长机的深度图平均值，获得僚机和长机的实际位置关系；

S505、僚机上的TOF判断模块比较实际位置关系和预设位置关系，如果实际位置关系和 预设位置相等，则保持僚机飞行状态，如果际位置关系和预设位置不相等，则计算僚机位置 偏移量；

S506、僚机上的TOF控制模块根据偏移量通过飞行控制模块调整当前僚机的位置。

本发明的有益效果：本发明基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法 采用僚机的TOF摄像头对长机拍摄，获取长机深度图像信息，进而获取僚机和长机的实际位 置关系，通过飞行控制模块控制僚机位置解决了无人机机群在飞行时队形保持和变队时处理 速度慢、对环境光线依赖高、精度低的问题。本发明具有容易实施，成本低的优点。

附图说明

图1是本发明基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法根据深度图计 算偏移量的部分参数示意图。

图2是本发明基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法的飞行中队形 保持流程图。

附图说明：L表示僚机和长机之间的距离，w表示垂直FOV，r表示水平FOV，x×y表示TOF摄像头的像素。

具体实施方式

本发明提供基于TOF的无人机及其机群在飞行中队形保持和变队的方法实现无人机机群 在飞行时队形保持和变队时处理速度慢、对环境光线依赖高、精度低的问题，包括无人机、 无人机机群在飞行中队形保持的方法和无人机机群在飞行中变队的方法。

无人机包括多个TOF摄像头、TOF判断模块、TOF控制模块和飞行控制模块，所述多个TOF 摄像头分别和TOF判断模块相连，所述TOF判断模块，TOF控制模块和飞行控制模块顺次连 接，所述多个TOF摄像头选择合适的FOV能实现无人机720°视野全覆盖进行拍照，用于采 集位置信息；所述TOF判断模块用于计算相对位置变化，比较预设位置信息和当前位置信息， 并将位置差值数据发送到TOF控制模块；TOF控制模块解析位置差值数据，通过飞行控制模 块控制无人机进行水平方向、前后方向和竖直方向的位置调节。

进一步的，多个TOF摄像头是四个，一个位于机身顶部，一个位于机身腹部处，一个位 于机身左部，一个位于机身右部。

进一步的，无人机还包括无线接收模块，所述无线接收模块与TOF判断模块相连，用于 接收变队后的位置关系信息。

无人机群飞行时队形保持的方法，包括以下步骤：

S01、机群中选择一架无人机做为长机，其余无人机做为僚机；设置僚机和长机之间的相 对位置关系作为预设位置信息；

S02、僚机上的TOF摄像头每隔一段时间拍摄多组长机的图像信息，并转换成深度图，通 过多组长机的深度图平均值，获得僚机和长机的实际位置关系；

S03、僚机上的TOF判断模块比较实际位置关系和预设位置关系，如果实际位置关系和预 设位置相等，则保持僚机飞行状态，如果际位置关系和预设位置不相等，则计算僚机位置偏 移量；

S04、僚机上的TOF控制模块根据偏移量通过飞行控制模块调整当前僚机的位置。

进一步的，步骤S03中，获取僚机位置偏移量的计算公式是：

无人机群飞行时变队形的方法，包括以下步骤：

S501、机群中选择一架无人机做为长机，其余无人机做为僚机；

S502、僚机上的无线接收模块接收变队形后的位置关系；

S503、僚机上的TOF判断模块将无线接收模块接收的位置关系作为预设位置关系；

S504、僚机上的TOF摄像头每隔一段时间拍摄多组长机的图像信息，并转换成深度图， 通过多组长机的深度图平均值，获得僚机和长机的实际位置关系；

S505、僚机上的TOF判断模块比较实际位置关系和预设位置关系，如果实际位置关系和 预设位置相等，则保持僚机飞行状态，如果际位置关系和预设位置不相等，则计算僚机位置 偏移量；

S506、僚机上的TOF控制模块根据偏移量通过飞行控制模块调整当前僚机的位置。

实施例：

无人机包括四个TOF摄像头、无线接收模块、TOF判断模块、TOF控制模块和飞行控制模 块，四个TOF摄像头分别和TOF判断模块相连，无线接收模块和TOF判断模块相连，所述TOF 判断模块，TOF控制模块和飞行控制模块顺次连接，所述四个TOF摄像头选择合适的FOV能 实现无人机720°视野全覆盖进行拍照，用于采集位置信息，一个位于机身顶部，一个位于 机身腹部处，一个位于机身左部，一个位于机身右部；无线接收模块用于接收变队后的位置 关系信息；TOF判断模块用于计算相对位置变化，比较预设位置信息和当前位置信息，并将 位置差值数据发送到TOF控制模块；TOF控制模块解析位置差值数据，通过飞行控制模块控 制无人机进行水平方向、前后方向和竖直方向的位置调节。

无人机群飞行时队形保持的方法，流程如附图2所示，包括以下步骤：

S01、机群中选择一架无人机做为长机，其余无人机做为僚机；设置僚机和长机之间的相 对位置关系作为预设位置信息；具体的，预设位置信息用向量M表示，包括僚机和长机之间的 距离L、长机在深度图中所处像素坐标(U,V)；

S02、僚机上的TOF摄像头每隔一段时间拍摄多组长机的图像信息，并转换成深度图，通 过多组长机的深度图平均值，获得僚机和长机的实际位置关系；具体的，TOF摄像头每间隔 一个时间T，僚机拍N组长机的深度图片，T由飞行速度、僚机与长机之间的距离决定。N至 少取值2；N组深度图片的平均值做为僚机和长机的实际位置关系，记为M'。包含此时长机 与僚机之间的距离L'，长机在深度图中所处像素坐标(U',V')；

S03、僚机上的TOF判断模块比较实际位置关系和预设位置关系，如果实际位置关系和预 设位置相等，则保持僚机飞行状态，如果际位置关系和预设位置不相等，则计算僚机位置偏 移量；具体的，TOF判断模块计算TOF像素在实际空间中的大小，如附图1所示，水平方向 一个像素点对应的实际距离用a表示：

S04、僚机上的TOF控制模块根据偏移量通过飞行控制模块调整当前僚机的位置，具体的， 位置偏移量M’＝(P,Q,Z)。

无人机群飞行时变队形的方法，包括以下步骤：

S501、机群中选择一架无人机做为长机，其余无人机做为僚机；

S502、僚机上的无线接收模块接收变队形后的位置关系；

S503、僚机上的TOF判断模块将无线接收模块接收的位置关系作为预设位置关系；

S504、僚机上的TOF摄像头每隔一段时间拍摄多组长机的图像信息，并转换成深度图， 通过多组长机的深度图平均值，获得僚机和长机的实际位置关系；

S505、僚机上的TOF判断模块比较实际位置关系和预设位置关系，如果实际位置关系和 预设位置相等，则保持僚机飞行状态，如果际位置关系和预设位置不相等，则计算僚机位置 偏移量；

S506、僚机上的TOF控制模块根据偏移量通过飞行控制模块调整当前僚机的位置。

无人机群飞行时变队形的方法是在无人机群飞行时队形保持的方法的基础上通过改变预 设位置信息，由无人机群飞行时队形保持的方法的调节过程调整成变队后的队形。