無人飛行器處理系統及其飛行狀態數據處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無人飛行器領域，特別是涉及一種無人飛行器、無人飛行器處理系統及其處理方法。
【背景技術】
[0002]隨著技術發展，小微型無人飛行器開始進入千家萬戶，尤其是隨著MEMS元件的技術發展和成本降低，多軸飛行器的重量、體積、穩定性均得到了長足的發展。以航拍應用為突破口，攜帶有拍攝裝置的多軸飛行器廣受關注。但是無人飛行器作為一種在空中飛行的設備，其安全性方面的考慮要遠高于其他設備，典型的，對于無人飛行器的飛行過程的管理是一個重要的問題。現有技術對于無人飛行器的飛行管理主要是通過無線通信的方式來實現，具體的可以采用衛星定位系統或者2.4Ghz頻段的無線通信技術。如果在室內也可能是采用基于通信基站的定位技術等。但是無論上述哪一種技術，都依賴于一個搭建好的無線環境，才能實現對于無人飛行器的飛行過程進行識別和記錄，并后續進行一系列的處理。但是在通信環境不穩定的情況下，上述飛行過程管理的方法存在風險。
[0003]以飛行過程管理的一種典型應用一一自動返航功能為例進行說明，現有自動返航功能往往是在無線通信控制不穩定的情況下，由用戶通過控制臺啟動或者由無人飛行器上的飛行控制器啟動，該自動返航的實現是基于衛星定位系統的信號，獲得無人飛行器的當前位置，以及讀取實現存儲的無人飛行器的出發位置，然后自動控制無人飛行器飛到一定高度之后，按照衛星定位系統所給出的指引，從當前位置飛回到出發位置。由于衛星定位系統的不穩定性，所以，在自動返航過程中，經常會出現各種問題，雖然有自動返航成功的，但是自動返航飛不見了，或者自動返航過程中墜落的事件也時有發生。所以，基于無線通信的飛行過程管理，受無線通信環境干擾大，存在較高風險。
[0004]另外，目前對于非GPSAMU的無人機定位有些初步的探索，但均不成熟，現狀如下。
[0005]2014年I月I日公開的中國專利申請CN201310444134.8“一種四旋翼無人機的超聲波定位裝置及方法”公開了一種四旋翼無人機的超聲波定位裝置及方法，通過為無人機安裝一組多個超聲波模塊，利用超聲波測距獲得與障礙物間的距離，并利用多個模塊同時測距，從而得到無人機的相對位置信息。該方法采用超聲波傳感器測距，超聲波傳感器測距范圍有限、而且容易受到干擾，該定位裝置及方法應用場景有限，存在一定不足。
[0006]2013年9月11日公開的中國專利申請CN201210437143.X“無人機點對點定位的方法與系統”公開了一種無人機點對點定位的方法與系統，使用位于無人機上的搜索定位儀接收發射儀發出的點對點定位信號，通過確定搜索定位儀與發射儀的角度與距離，從而實現無人機的精確定位。該方法需要為無人機加裝接收儀，同時需要在確定地點安裝發射儀發射無線電波。如果需要精確定位，發射儀將需要多臺，實際使用不很方便。
[0007]2013年3月13日公開的中國申請CN201210418160.9“基于大小回字標志物的多旋翼無人機位姿獲取方法”公開了一種基于大小回字標志物的多旋翼無人機位姿獲取方法，通過識別一個指定的印有回字的標識牌，用一系列的運算獲得無人機當前的位姿信息。該方法中，回字標志不具有方向特征，難以實現無人機的航向獲取與定向控制。
[0008]論文《基于單目視覺的攝像頭定位方法的研究》(沈慧杰，吉林大學碩士學位論文)研究了兩種攝像頭定位方法。其中一種是基于幾何關系的單目視覺定位。該方法利用單目視覺的測距模型，同時建立攝像頭與場景內已知特征點之間的幾何關系，通過一系列三角計算，即可得出攝像頭在二維坐標平面內的位置。該方法主要用于二維坐標平面的攝像頭位置獲取，沒有相對距離的維度計算，且并不能直接用于無人機的位置鎖定。
[0009]專利文獻CN101126639公開的一種快速進行低空遙感影像自動匹配與空中三角測量的方法包括以下步驟:一、利用低空遙感平臺獲取序列影像;按照下述圖像拍攝方法獲取測區目標的單航帶或多航帶影像，并將影像導入計算機:根據測區范圍、相機參數和預設的地面分辨率，按照航帶內重疊度I 60%和航帶間重疊度I 20%的攝影測量基本要求設計航線和低空遙感平臺的飛行高度，低空遙感平臺飛行過程中在航線上預設的攝影位置自動曝光，獲取單航線或多航線的序列影像，并將影像自動存儲，飛行結束后將影像導入地面數據處理計算機;二、使用Wal I i s變換技術對影像進行自動增強處理，而后利用特征提取技術從影像中提取特征點，并將所有提取出的影像特征點自動保存;三、自動確定相鄰影像間的重疊度和旋偏角，以此為基礎進行相鄰影像的同名特征點匹配，并將匹配后的同名特征點向所有重疊影像自動傳遞，獲得大量三度以上同名特征點；四、半自動量測控制點和檢查點影像坐標，結合其他非攝影測量觀測值進行高精度空中三角測量，并進行平差結果的精度評定。該專利可進行低空遙感影像的自動匹配與高精度區域網空中三角測量。但該系統結構復雜、成本高且不能獲得無人飛行器在飛行過程中的高度，無法得到無人飛行器的飛行過程的軌跡，從而無從對無人飛行器的飛行過程進行監控。
[0010]專利文獻CN104298248公開的一種旋翼無人機精確視覺定位定向方法包括以下步驟:I)安裝標志物;無人機機載攝像頭標定;初始給定無人機與標志物的相對距離;2)引導無人機到達期望懸停點；3)無人機懸停狀態下精確定位定向的實時修正。該旋翼無人機精確視覺定位定向方法能夠為無人機提供與人工設施及天然物體等相關的良好的相對位置數據，輔助無人機實現精確的定點定航向的懸停，從而有效防止無人機發生碰撞，但其需要安裝標志物、需要提供人工進行提前準備，需要懸停，無法不干擾地對無人飛行器的飛行過程進行監控，其無法快速獲得無人飛行器在飛行過程中的高度，也無法得到無人飛行器的飛行過程的軌跡。
[0011]問題在于，當無人飛行器飛離了視距范圍時，在地面上對該無人飛行器進行控制的飛手就很難把握該飛行器的具體位置。由于實際飛行環境的不可預測性，有時候即使是在直線距離不遠的情況下，由于中間存在其他障礙物，也可能導致無人飛行器的飛行位置是無法由飛手通過肉眼去辨別的，此時無人飛行器的飛行過程就難以被監控。但是無人飛行器的飛行過程監控是個非常重要的需求，通過對無人飛行器的飛行過程實施監控，能夠清楚的反映無人飛行器的飛行過程，一旦發生飛行器丟失、飛行器墜機、飛行器發生其他失常情形時，都是需要通過追溯飛行過程的方式來查明原因的。衛星導航和上述的定位均無法滿足無人飛行器的飛行過程監控，這是個非常重要的需求，通過對無人飛行器的飛行過程實施監控，能夠清楚的反映無人飛行器的飛行過程，一旦發生飛行器丟失、飛行器墜機、飛行器發生其他失常情形時，都是需要通過追溯飛行過程的方式來查明原因的。
[0012]因此，本領域急需要解決的技術問題在于:利用穩定的方式，而不是如衛星導航或無線網絡等信號導航方式，確定無人飛行器的飛行過程中的位置和高度并記錄相關信息，生成無人飛行器的飛行過程軌跡以便用戶監控和后期管理。
[0013]在【背景技術】部分中公開的上述信息僅僅用于增強對本發明背景的理解，因此可能包含不構成在本國中本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。

【發明內容】

[0014]本發明的目的是通過以下技術方案予以實現。
[0015]根據本發明的第一方面，本發明公開的一種無人飛行器包括拍攝設備和處理模塊，所述處理模塊包括存儲單元、比較單元和計算單元，處理模塊保持設在無人飛行器上的拍攝設備始終垂直于參照平面，所述拍攝設備按照預定拍攝參數以預定的時間間隔拍攝多個照片并將多個所述照片及其相應的拍攝參數和拍攝時刻存儲在所述存儲單元;所述存儲單元存儲包含所述參照平面的圖像數據，所述比較單元將所述照片和所述圖像數據比較以確定所述無人飛行器相對于所述圖像數據的位置，所述計算單元根據所述拍攝參數和所述照片確定所述無人飛行器的相對于所述參照平面的距離。
[0016]優選地，所述處理模塊按照拍攝時刻將多個所述照片分別確定的所述位置和所述距離連接形成飛行過程。
[0017]優選地，所述拍攝參數至少包括焦距和取景參數。
[0018]優選地，所述參照平面是地面且所述圖像數據是電子地圖。
[0019]優選地，所述預定的時間間隔可調整。
[0020]優選地，所述無人飛行器可通過無線連接定期將所述照片上傳第三方存儲空間。
[0021]優選地，處理模塊控制設在所述無人飛行器上的云臺以調整安裝在所述云臺上的拍攝設備，使得所述拍攝設備始終垂直于參照平面。
[0022]優選地，無人飛行器將所述照片存儲在無人飛行器的黑匣子中。
[0023]根據本發明的第二方面，本發明公開的一種無人飛行器處理系統包