1.基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统,其特征在于,其包括无人机机体、超声波测距模块、双目摄像模块、数据处理模块和飞行控制模块;其中,所述无人机机体用于对目标水体区域进行水文摄像监测;
所述无人机机体的下方设置有所述超声波测距模块和所述双目摄像模块;
所述超声波测距模块用于在所述无人机机体飞行或者降落过程中,向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号;
所述数据处理模块用于分析所述超声回波信号,以此确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物;
所述双目摄像模块用于在确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时,对所述无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄,从而采集得到相应的双目影像;
所述数据处理模块还用于分析所述双目影像,以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸;
所述飞行控制模块用于根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸,调整无人机机体的飞行状态,从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式。
2.如权利要求1所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统,其特征在于:所述无人机机体包括无人机机身、力臂、旋翼、旋翼电机、脚架、浮筒、电子调速器、水流传感器和挂载机构;
所述力臂与所述无人机机身铰接;
所述旋翼电机设置在所述力臂的尾端,所述旋翼电机的旋转轴与所述旋翼连接;
所述脚架设置在所述无人机机身的下部,所述浮筒设置在所述脚架上;
所述飞行控制模块通过所述电子调速器与所述旋翼电机连接,从而驱动所述旋翼电机运转以改变旋翼的旋转速度;
所述浮筒上设置有所述水流传感器;
所述超声波测距模块和所述双目摄像模块通过所述挂载机构插接在所述无人机机体的下方。
3.如权利要求2所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统,其特征在于:所述力臂的数量为四个,四个力臂沿周向均匀铰接在所述无人机机身上;
所述旋翼电机的数量为四个,每个旋翼电机一一对应设置在所述力臂上;
所述旋翼的数量为四个,每个旋翼一一对应地与所述旋翼电机的旋转轴连接;
所述脚架的数量为两个,两个脚架对称设置在所述无人机机身的下部,每个脚架通过螺钉连接在所述无人机机身的下部;
所述无人机机身内部还设置有锂电池,所述锂电池与每个旋翼电机供电连接。
4.如权利要求2或3所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统,其特征在于:
所述数据处理模块还用于分析所述超声回波信号,以此确定所述无人机机体是否降落在水面上;
当确定所述无人机机体降落在水面上,则通过所述水流传感器检测降落区域在所述无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量;其中,所述水流流速矢量包括水流速率和水流方向;
所述数据处理模块用于根据所述水流流速矢量,确定所述无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力;
所述飞行控制模块用于根据所述航行阻力,调整所述旋翼电机的转速,以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度,从而使所述无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行。
5.如权利要求2或3所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障系统,其特征在于:
所述飞行控制模块根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸,调整无人机机体的飞行状态,从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括:根据所述障碍物的存在位置,确定所述无人机机体与所述障碍物之间的实际距离;
将所述实际距离与预设距离阈值进行比对;
若所述实际距离大于或等于预设距离阈值,则保持所述无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变;
若所述实际距离小于预设距离阈值,则将减小所述无人机机体的飞行速度,同时根据所述障碍物的形状尺寸,确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠;
若所述无人机机体当前的飞行路径不与所述障碍物存在重叠,则增大所述无人机机体的飞行速度;
若所述无人机机体当前的飞行路径与所述障碍物存在重叠,则改变所述无人机机体的飞行方向,从而使所述无人机机体的飞行路径远离所述障碍物。
6.基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法,其特征在于,其包括:当无人机机体对目标水体区域进行水文摄像监测时,在所述无人机机体飞行或者降落过程中,利用超声波测距模块向外界发射超声波信号以及接收相应的超声回波信号;分析所述超声回波信号,以此确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中是否存在障碍物;
当确定所述无人机机体在飞行或者降落过程中存在障碍物时,利用双目摄像模块对所述无人机机体所处的外界环境进行双目拍摄,从而采集得到相应的双目影像;分析所述双目影像,以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸;
根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸,调整所述无人机机体的飞行状态,从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式。
7.如权利要求6所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法,其特征在于:所述无人机水文监测自主避障方法还包括:分析所述超声回波信号,以此确定所述无人机机体是否降落在水面上;
当确定所述无人机机体降落在水面上,则利用水流传感器检测降落区域在所述无人机机体前进方向和侧向方向上的水流流速矢量;其中,所述水流流速矢量包括水流速率和水流方向;
根据所述水流流速矢量,确定所述无人机机体在水面上航行过程中对应的航行阻力;
根据所述航行阻力,调整所述无人机机体的旋翼电机的转速,以驱动对应的旋翼改变自身的旋转速度,从而使所述无人机机体能够沿着指定路径在水面上航行。
8.如权利要求6所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法,其特征在于:根据所述障碍物的存在位置和形状尺寸,调整所述无人机机体的飞行状态,从而使所述无人机机体在飞行或者降落过程中进入避障飞行模式具体包括:根据所述障碍物的存在位置,确定所述无人机机体与所述障碍物之间的实际距离;
将所述实际距离与预设距离阈值进行比对;
若所述实际距离大于或等于预设距离阈值,则保持所述无人机机体当前的飞行路径和飞行速度不变;
若所述实际距离小于预设距离阈值,则将减小所述无人机机体的飞行速度,同时根据所述障碍物的形状尺寸,确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠;
若所述无人机机体当前的飞行路径不与所述障碍物存在重叠,则增大所述无人机机体的飞行速度;
若所述无人机机体当前的飞行路径与所述障碍物存在重叠,则改变所述无人机机体的飞行方向,从而使所述无人机机体的飞行路径远离所述障碍物。
9.如权利要求8所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法,其特征在于:分析所述双目影像,以此确定所述障碍物的存在位置和形状尺寸具体包括:对所述双目影像进行灰度化与二值化转换处理后,得到关于所述障碍物的二值化双目影像;对所述二值化双目影像包含的两个影像进行比对,以此得到两个影像中关于障碍物的匹配像素点;根据关于障碍物的匹配像素点,得到无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离;再将关于障碍物的匹配像素点对所述二值化双目影像进行合并,根据合并后的二值化双目影像,以此确定所述障碍物的形状尺寸,其具体包括:步骤S1,由于无人机的双目摄像模块包含的两个摄像头对于无人机而言是左右放置的,故在对所述二值化双目影像包含的两个影像进行比对时,需要保证两个摄像头各自拍摄的左右影像的行像素一一对应,在保证左影像不动的情况下,使右影像的列像素从以开始与左影像重叠起依次向右移动一列,并利用下面公式(1),确定右影像在依次向右移动过程中与左影像之间重叠像素的百分比,当所述百分比具有最大值时,表明右影像与左影像之间的重叠像素最多,此时左右影像重叠部分对应的像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点,
在上述公式(1)中,K(a)表示右影像向右移动a列后与左影像之间重叠像素的百分比;Dr(i,j)表示二值化双目影像中右影像的第i行第j列像素点的像素值;Dl(i,j+a)表示二值化双目影像中左影像的第i行第j+a列像素点的像素值;n表示二值化双目影像中左右影像的每一列像素包含的像素点总数;m表示二值化双目影像中左右影像的每一行像素包含的像素点总数;
将a的值从1取到m‑1代入到上述公式(1)中,并确定K(a)具有最大值时,a对应的取值;
再将右影像向右移动对应的a值的列数,此时右影像与左影像之间的重叠像素最多,相应地右影像与左影像之间重叠部位的重叠像素点即为左右影像中关于障碍物的匹配像素点;
步骤S2,利用下面公式(2),根据关于障碍物的匹配像素点,得到无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离,
在上述公式(2)中,H表示无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离;f表示双目摄像模块中摄像头的焦距;T表示双目摄像模块中左右两个摄像头各自的中心位置之间的距离;d表示双目影像中相邻两个像素点之间的横向距离值;jl(e)表示第e个匹配像素点在左影像中对应的列数值;jr(e)表示第e个匹配像素点在右影像中对应的列数值;
利用上述公式(2),即可根据无人机的双目摄像模块与所述障碍物之间的距离,得到所述障碍物的位置。
10.如权利要求9所述的基于双目视觉的无人机水文监测自主避障方法,其特征在于:根据所述障碍物的形状尺寸,确定所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠具体包括:
利用下面公式(3),将关于障碍物的匹配像素点对所述二值化双目影像进行合并,根据合并后的二值化双目影像,以此确定所述障碍物对应的像素面积,以此作为所述障碍物的形状尺寸,
在上述公式(3)中,S表示所述障碍物对应的像素面积;amax表示将a的值从1取到m‑1代入到上述公式(1)中,并确定K(a)具有最大值时,a对应的取值;
当上述公式(3)计算得到的像素面积S不等于0,表明所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物存在重叠;
当上述公式(3)计算得到的像素面积S等于0,表明所述无人机机体当前的飞行路径是否与所述障碍物不存在重叠。