用于微型無人機的飛行地形識別的方法和裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種表面識別裝置，其通過飛行器用于表面的自主運動，所述裝置包括：探測頭，探測頭包括用于性質的至少一個傳感器，所述特性取決于探測頭的中心到表面的距離，每個傳感器覆蓋以視線(ZC)為中心的探測區域(ZV)；用于每個傳感器的探測區域(ZV)的定向的系統(24)；以及控制器，控制器處理來自每個傳感器的信號并基于所述信號對系統(24)進行控制。控制器估算垂線到表面的方向，并使用所述系統(24)來將每個傳感器的視線(ZC)沿與所述垂線的方向間隔重新定向角的方向進行旋轉。

Method and apparatus for flying terrain recognition for a miniature unmanned aerial vehicle

The present invention relates to a surface recognition device, the aircraft used for autonomous motion on the surface of the device comprises a probe, the probe comprises at least one sensor for the nature, the characteristic depends on the probe center distance to the surface of each sensor cover to the line of sight (ZC) detection area as the center the (ZV); to detect area of each sensor (ZV) system oriented (24); and a controller, the controller signal from each sensor and the signal based on the control system (24). The controller estimates the direction of the perpendicular to the surface, and uses the system (24) to rotate each sensor's line of sight (ZC) along the direction of the reorientation angle spaced from the direction of the vertical line.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種表面識別裝置，其用于識別距表面的一定距離處的移動飛行器的自主運動，所述表面識別裝置包括：a)表面探測頭，其限定出固定至探測頭的坐標系，該坐標系具有位于探測頭的中心處的原點，該坐標系還具有前進軸、偏航軸、上升軸，探測頭包括用于參量的至少一個傳感器，該參量取決于探測頭的中心距表面的距離，每個傳感器覆蓋以視線為中心的探測區域；b)定向系統，其用于通過使探測區域繞偏航軸旋轉來對每個傳感器的探測區域進行定向；以及c)控制器，其適于接收和處理來自每個傳感器的信號并基于所述信號來控制用于對探測區域進行定向的系統。
技術介紹
這種裝置在由專家Fabien和FranckRuffier于2012年10月16日在“IEEE的關于智能機器人與系統(IROS)的國際會議，維拉摩拉：葡萄牙”中發表的文章“借助光流來控制圓形高頂隧道中的對接、高度和速度(Controllingdocking，altitudeandspeedinacircularhigh-roofedtunnelthankstotheopticflow)”中已描述。該文章隨后將被稱為“IROS文章”。IROS文章中描述了一種微型無人機，即具有兩個旋翼的直升機，該微型無人機包括主體，設置有“復合眼”的地形探測頭被附接至主體。復合眼由分布在探測頭上的四個光流傳感器組成。探測頭能夠由于步進電機而相對于主體轉向。當微型無人機在飛行時，探測頭相對于主體的角度被控制以使得探測頭的定向在地面參考系中保持相同，并對主體在地面參考系中的角度進行補償。事實證明，該已知的微型無人機的自主導航系統并不總是能夠在雜亂的環境中和/或存在有移動障礙物的情況下避開所有的障礙物。文獻WO2004/027434A1的圖1示出了一種直升機穩定系統1，其包括具有光學傳感器3和旋轉傳感器9和10的機艙5。機艙5相對于直升機1是固定的。該已知的系統是復雜的并且對震動極其敏感。
技術實現思路
本專利技術的一個目的在于為無人機、微型無人機或納米無人機提供改善的自動駕駛儀以使得無人機、微型無人機或納米無人機能夠在陡峭和/或移動的環境中更好地航行。本方面的另一目的在于為不具有慣性單元的微型無人機和納米無人機提供自動駕駛儀。實際上，慣性單元由于其尺寸、重量以及計算能力的需求而僅能夠被頗有困難地放置在微型無人機或納米無人機上。根據本專利技術，這些目的通過上文中限定的裝置來實現，其特征在于，控制器被配置成：基于所述信號在所述坐標系中估算垂線到表面的方向；以及通過使用所述定向系統來將每個傳感器的觀察區域的視線旋轉至與所述垂線的方向間隔確定的重新定向角的方向中。通過相對于垂線到表面的方向以已確定的重新定向角對傳感器的探測區域的視線進行重新定向，根據本專利技術的表面識別裝置使得能夠根據距周圍的物體的更精確的距離來測量性質。因此，飛行器能夠不出問題地移動，同時例如在存在傾斜的障礙物的情況下通過將視線朝向運動方向定向來避開它可提前探測到的任何障礙物。根據優選的實施例，在任何技術上可能的組合的情況下，根據本專利技術的裝置包括以下特征中的一個、數個或所有特征:-重新定向角介于0和90°之間；-每個傳感器是光流傳感器，并且控制器被配置成：基于由每個光流傳感器傳遞的信號通過確定最大光流方向來估算垂線到表面的方向；-控制器被配置成通過執行以下步驟來確定最大的流方向：a)通過由每個光流傳感器提供的光流信號的回歸分析，尤其是通過最小二乘法，從探測區域的視線在所述坐標系中的定向確定光流的函數；以及b)優選地，通過所述函數的微分確定探測區域的視線的定向，所述函數為此具有最大值；-控制器進一步被配置成：基于所述信號計算置信度指數，并基于置信度指數的值對垂線到表面的方向的估算進行驗證或拒絕；-探測頭包括四個光流傳感器，即，前腹側傳感器、后腹側傳感器、前背側傳感器以及后背側傳感器；-探測區域定向系統包括尤其是步進電機的致動器，該致動器能夠使表面探測頭繞偏航軸旋轉；-光流測量組件包括光電探測器的矩陣，光電探測器繞偏航軸大體覆蓋360°x60°的探測場，探測區域的定向系統能夠選擇所述光電探測器中的一個或多個子集以表示所述傳感器中的每個；-探測頭還配備有探測頭的至少一個陀螺儀穩定傳感器以在飛行期間補償所述移動飛行器的旋轉運動。本專利技術還涉及一種具有自主運動的航空的微型無人機，該微型無人機包括上述的裝置，控制器被配置成控制致動器以便將探測頭的上升軸沿垂線到表面的估算方向對準，從而將探測頭的前進軸保持為與微型無人機飛越過的表面的局部斜線平行。優選地，該微型無人機進一步包括陀螺測試儀和/或用于控制微型無人機的前進線速度的空速指示器。根據本專利技術，上述的目的還通過一種表面識別方法來實現，在運動期間該表面識別方法在位于距所述表面的一定距離處實施，該方法的特征在于以下步驟：a)提供以視線為中心的探測區域；b)根據距表面的所述距離在所提供的探測區域中測量參量；c)估算垂線到表面的方向，從而基于所測量的參量估算距表面的最小距離方向；d)沿與所述垂線的方向間隔確定的重新定向角γ的方向對來自探測區域的視線重新定向。根據優選的實施例，在任何技術上可能的組合的情況下，根據本專利技術的方法包括以下特征中的一個、數個或所有特征：-步驟b)包括對光流進行測量，并且步驟c)包括：i)通過對光流測量結果的回歸分析，尤其是通過最小二乘法，確定探測區域的視線的定向的光流的函數；以及ii)優選地，通過所述函數的微分，確定探測區域的視線的定向，所述函數為此具有最大值；-該方法通過上述限定的裝置或上述限定的微型無人機來執行。附圖說明通過閱讀參照附圖進行的以下詳細說明，本專利技術將被更好地理解，在附圖中：圖1為根據本專利技術的第一示例性實施例的直升機類型的微型無人機的簡化的透視圖；圖2為示出了本專利技術中使用的坐標系和參量的示意圖；圖3示出了根據本專利技術的三個反饋回路，其分別對微型無人機的前進的線速度和高度以及微型無人機的地形探測頭的定向進行控制；圖4a)和圖4b)示出了根據本專利技術的障礙物探測的改進；圖4c)和圖4d)示出了光流根據光流傳感器的探測區域的視線的定向所發生的演變，以及由包含在光流傳感器中的腹側局部運動傳感器的組獲得的光流測定點；圖5示出了常規的相對于其主體具有固定探測頭的微型無人機以及根據本專利技術的從傾斜的地貌中穿過的微型無人機；圖6為根據本專利技術的第二示例性實施例的直升機類型的微型無人機的簡化的透視圖；以及圖7和圖8示出了根據本專利技術的對微型無人機的探測頭的定向進行控制的反饋回路的兩種優選的替代性實施例。具體實施方式總論優選地，本專利技術應用于大型飛行無人機、微型無人機以及配備有光流傳感器的納米無人機。然而，本專利技術并不限于此。有利地，本專利技術可應用于在距表面的一定距離處移動的其他飛行器，如機器魚，太空船等。除了光流傳感器之外，諸如超聲波傳感器、激光傳感器、雷達傳感器、聲納傳感器等之類的距離傳感器，或對取決于距離的特性進行測量的傳感器(諸如基于電氣方向的傳感器)也可在本專利技術的上下文中被使用。第一實施例圖1示出了根據本專利技術的微型無人機2。該微型無人機(重量約為80克)是具有跨度約為50cm的兩個旋翼4、6的直升機。微型無人機2能夠通過基于光流測量結果對它的線性前進速度和高度進行控制來自主地飛行。該微型無人機尤其本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種表面(S)識別裝置(14)，用于距所述表面(S)的一定距離處的移動飛行器(2)的自主運動，所述表面識別裝置(14)包括：d)表面探測頭(22)，所述表面探測頭(22)限定出固定至所述探測頭的坐標系(L)，所述坐標系(L)具有原點(E)、前進軸(Xe)、偏航軸(Ye)、上升軸(Ze)，所述原點(E)位于所述探測頭(22)的中心處，所述探測頭(22)包括用于參量(ω)的至少一個傳感器(28)，所述參量(ω)取決于所述探測頭的中心(E)距所述表面(S)的距離(D表面)，每個所述傳感器(28)覆蓋以視線(ZC)為中心的探測區域(ZV)；e)定向系統(24)，所述定向系統(24)用于通過使所述探測區域繞所述偏航軸(Ye)旋轉來對每個所述傳感器(28)的探測區域(ZV)進行定向；以及f)控制器(26)，所述控制器(26)適用于接收和處理來自每個所述傳感器(28)的信號并基于所述信號來控制用于對所述探測區域(ZV)進行定向的系統(24)，其特征在于，所述控制器(26)被配置成：基于所述信號在所述坐標系(L)中估算垂線(N)到所述表面(S)的方向，并且通過使用所述定向系統(24)來將每個所述傳感器(28)的觀察區域的視線(ZC)旋轉至與所述垂線(N)的方向間隔確定的重新定向角(γ)的方向中。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.10.18 FR 13602111.一種表面(S)識別裝置(14)，用于距所述表面(S)的一定距離處的移動飛行器(2)的自主運動，所述表面識別裝置(14)包括：d)表面探測頭(22)，所述表面探測頭(22)限定出固定至所述探測頭的坐標系(L)，所述坐標系(L)具有原點(E)、前進軸(Xe)、偏航軸(Ye)、上升軸(Ze)，所述原點(E)位于所述探測頭(22)的中心處，所述探測頭(22)包括用于參量(ω)的至少一個傳感器(28)，所述參量(ω)取決于所述探測頭的中心(E)距所述表面(S)的距離(D表面)，每個所述傳感器(28)覆蓋以視線(ZC)為中心的探測區域(ZV)；e)定向系統(24)，所述定向系統(24)用于通過使所述探測區域繞所述偏航軸(Ye)旋轉來對每個所述傳感器(28)的探測區域(ZV)進行定向；以及f)控制器(26)，所述控制器(26)適用于接收和處理來自每個所述傳感器(28)的信號并基于所述信號來控制用于對所述探測區域(ZV)進行定向的系統(24)，其特征在于，所述控制器(26)被配置成：基于所述信號在所述坐標系(L)中估算垂線(N)到所述表面(S)的方向，并且通過使用所述定向系統(24)來將每個所述傳感器(28)的觀察區域的視線(ZC)旋轉至與所述垂線(N)的方向間隔確定的重新定向角(γ)的方向中。2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述重新定向角(γ)介于0°和90°之間。3.根據權利要求1或2所述的裝置，其中，每個所述傳感器(28)是光流傳感器，并且其中，所述控制器(26)被配置成：基于由每個光流傳感器(28)傳遞的信號通過確定最大光流方向(M)來估算所述垂線(N)到所述表面(S)的方向。4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述控制器(26)被配置成通過執行以下步驟來確定最大光流方向(M)：a)通過由每個所述光流傳感器(28)提供的光流信號的回歸分析，尤其是通過最小二乘法，從所述探測區域(ZV)的視線(ZC)在所述坐標系(L)中的定向(Φ)確定所述光流的函數(ω＝f(Φ))；以及b)優選地，通過所述函數(ω＝f(Φ))的微分，確定所述探測區域(ZV)的視線(ZC)的定向所述函數(ω＝f(Φ))為此具有最大值。5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述控制器(26)進一步被配置成：基于所述信號計算置信度指數，并基于所述置信度指數的值對所述垂線(N)到所述表面(S)的方向的估算進行驗證或拒絕。6.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述探測頭...

【專利技術屬性】
技術研發人員：弗蘭克·魯費爾，法比恩·埃克斯佩，
申請(專利權)人：艾克斯馬賽大學，國家科學研究中心，
類型：發明
國別省市：法國;FR