本公开涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种控制无人机返回机库的方法、无人机回收装置及系统。
背景技术：
无人机具有操作简单、工作效率高等优点，在巡检、搜寻等领域应用越来越广泛。随着无人机自主化程度越来越高，许多全自主工作方法，如自主充电等作业方式出现，在这些应用场景下时常需要无人机精确地降落到某位置进行回收。
通常的技术方案是利用高精度定位装置如rtk-gps(real-timekinematic-globalpositioningsystem，实时动态差分技术-全球定位系统)实现无人机精准降落，但rtk-gps硬件成本较高，且信号易受遮挡，无法保证绝对安全。
通过对特殊标识进行视觉识别来引导无人机降落，具有良好的鲁棒性(在异常和危险情况下系统的健壮性)，如公开号为cn111056032a的专利公开了一种无人船载的无人机充电升降系统及实现方法，通过相机对多个尺寸不同且图案不同的二维码进行识别；公开号为cn111273695a的专利公开了一种物流无人机的控制方法，通过在无人机底部设置二维码识别相机识别带有二维码标识的无人机停机平台。
虽然以上专利公开了利用视觉识别引导无人机降落，但都是采用单相机识别，容易受相机视场角、畸变等因素影响识别结果；且采用多轴电机归置无人机，结构复杂。。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的一项或多项缺陷，本发明公开了一种无人机返回机库的方法，通过在不同飞行高度切换云台相机和下视相机，实现精确的位置识别和安全降落。
本发明提供一种控制无人机返回机库的方法，所述无人机包括云台相机和下视相机，所述机库带有第一标识和第二标识，所述方法包括：
s101：在第一预设高度，通过所述云台相机寻找并识别所述第一标识；
s102：当识别出所述第一标识时，控制所述无人机朝向所述第一标识航行并下降高度；
s103：降至第二预设高度时，通过所述下视相机寻找并识别所述第二标识；和
s104：当识别出所述第二标识时，控制所述无人机降落在所述机库上。
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：控制所述无人机基于机库的位置坐标，返回机库上方位置。
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：控制所述无人机在上一次起飞时记录所述机库的位置坐标。
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：所述无人机返回时，首先升高到所述第一预设高度，然后返回所述机库的位置坐标。
根据本发明的一个方面，其中所述机库内置收缩装置和位于所述收缩装置末端的降落盘，所述方法还包括：控制所述无人机通知所述机库伸出所述收缩装置。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤s101还包括：控制所述云台相机的俯仰角向下，以寻找和识别位于所述机库上的所述第一标识。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤s101还包括：计算所述第一标识的中心位置在无人机世界坐标系下的坐标，所述步骤s102包括：朝向所述第一标识的中心位置的坐标航行并下降高度。
根据本发明的一个方面，其中所述第二标识位于所述降落盘上，所述步骤s104还包括：当识别出所述第二标识时，控制所述无人机降落在所述降落盘上。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤s102还包括：计算所述第二标识的中心位置在无人机世界坐标系下的坐标，对准所述第二标识的中心位置的坐标并降落至所述降落盘上。
本发明还提供一种无人机回收装置，包括：
机库；
第一标识，位于所述机库上表面；
收缩装置，位于所述机库内，配置为可相对于所述机库执行伸出和收回的操作；
降落盘，位于所述收缩装置的末端，配置为可通过所述伸缩装置伸出和收回至所述机库内；和
第二标识，位于所述降落盘上表面。
根据本发明的一个方面，所述无人机回收装置还包括控制器、无线通信模块和充电装置，所述控制器通过所述无线通信模块与所述无人机进行交互，以实现以下操作中的一个或多个：
响应于接收到所述无人机的返航请求，控制所述收缩装置伸出所述机库；
响应于所述无人机完成降落，控制所述收缩装置收回至所述机库内；和
响应于所述收缩装置收回至所述机库内，控制所述充电装置对所述无人机进行充电。
根据本发明的一个方面，所述第一标识和所述第二标识包括固定尺寸的二维码或字母“h”。
根据本发明的一个方面，所述第一标识的尺寸与所述机库的上表面的尺寸相关，所述第二标识的尺寸与所述降落盘的上表面的尺寸相关，所述第一标识的尺寸大于第二标识的尺寸。
根据本发明的一个方面，所述第二标识包括尺寸不同、图案不同且分布不对称的多个图案。
根据本发明的一个方面，其中所述收缩装置包括步进电机和传送带，或者步进电机和丝杠机构。
本发明还提供一种无人机系统，包括如权利要求10-15中任一项所述的无人机回收装置和无人机，其中所述无人机包括云台相机和下视相机，并配置成可执行如权利要求1-9中任一项所述的降落方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如权利要求1-9中任一项所述的方法。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明一个实施例的控制无人机返回机库的方法流程图；
图2a示出了本发明一个实施例的无人机回收装置示意图；
图2b示出了本发明一个实施例的无人机回收装置示意图；和
图3示出了本发明一个实施例的第二标识示意图；和
图4示出了本发明一个实施例的无人机系统示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明公开了一种无人机返回机库的方法，通过在不同飞行高度切换云台相机和下视相机，实现精确的位置识别和安全降落。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明一个实施例的控制无人机返回机库的方法10的流程图图2a示出了本发明一个实施例的无人机回收装置20示意图，下面参考附图详细描述。
根据本发明的无人机可包括云台相机和下视相机，以克服单相机识别时相机视场角和畸变等因素影响识别效果。其中云台相机是指云台稳定搭载的主相机，例如搭载在无人机的前部，视场角较大，分辨率较高。下视相机是指拍照视角向下的相机，例如搭载在无人机的下部，视场角相对较小，畸变较小，识别准确性较高。
图2a示出了本发明一个实施例的无人机回收装置20的示意图，无人机回收装置20包括：机库21，内部具有存储空间，可用于存放无人机；第一标识22，例如位于机库21的上表面，作为无人机在较高高度下飞行时的识别目标；收缩装置23，位于机库21内，可相对于机库21执行伸出和收回的操作；降落盘24，位于收缩装置23的末端，为无人机提供降落平台；第二标识25，位于降落盘24上表面，作为无人机在较低高度下的识别目标。
下文将对无人机回收装置20进一步说明，此处结合图2a对所述方法10详细描述。
所述方法10包括：
在步骤s101：在第一预设高度，通过云台相机寻找并识别第一标识22。
无人机上除了搭载云台相机和下视相机，还可以具有图像处理装置，图像处理装置与云台相机和下视相机通讯，可以对云台相机和下视相机拍摄的图像进行图像处理和识别，以识别出其中特定的标识，例如第一标识和第二标识。
第一预设高度可以为相对地平面的高度，或者海拔高度，或者相对机库最高点的高度。第一预设高度可以为具体的高度值，也可以为高度范围，需保证第一标识在云台相机的识别深度范围内并且无人机能安全下降而不撞到机库结构件。另外，第一预设高度也可与所述第一标识22的大小尺寸相关，例如第一标识22的尺寸越大，可以将第一预设高度设置的越高或者范围值设定的越大。
对于不同机库可能有不同的安装位置，机库自身的海拔高度会有区别。无人机可以与机库进行通讯，从而无人机可以从机库获知机库的海拔高度的相关信息，以调整飞向不同机库时的第一预设高度值。第一标识通常尺寸较大，优选地，可设置于机库的上表面，并且云台相机的视场角也较大，所以第一标识容易被无人机的云台相机采集到的并识别出来。无人机除了可与机库进行直接通讯以外，无人机也可以与中控系统进行通讯，以获得所需的相关信息，例如机库的海拔高度和/或第一预设高度等。中控系统是中央控制机构，用于航线规划、任务管理、硬件管理等，并具备一定的数据可视化和分析能力，可与无人机控制系统和机库控制系统进行交互。
在执行步骤s101之前，所述方法10还可包括获取机库的位置坐标、第一预设高度，或者与机库的距离。
关于机库的位置坐标，可以控制无人机在上一次起飞时记录机库的位置坐标。如果有多个机库，无人机可以记录多个机库的坐标位置，或者在返航前，从中控系统获知待降落的机库的位置坐标。
获得机库的位置坐标后，无人机还需要获取第一预设高度值，不同的机库可能对应不同的第一预设高度值，也可以统一设置一个可兼容的安全值，然后无人机首先升高到第一预设高度，再基于机库的位置坐标，返回机库上方。具体地，无人机完成巡检任务后执行返回机库操作，首先升高到第一预设高度或者安全高度，比如20m～50m，然后直线或者自动避障后返回到上一次起飞时记录机库的位置坐标，然后开始降落。
更进一步地，无人机还可以基于自身的位置坐标和机库的位置坐标，判断与机库的距离。当无人机与机库的距离超出云台相机的识别范围时，可以先不执行识别方法；当飞行至云台相机的识别距离范围内时，再开始寻找并识别第一标识，以提高识别效率。
根据本发明的一个优选实施例，当无人机飞行至云台相机的识别高度范围内时，所述方法10还包括控制云台相机的俯仰角向下，以方便寻找和识别位于机库上的第一标识。
在步骤s102：当识别出第一标识时，控制无人机朝向第一标识航行并下降高度。无人机通过云台相机识别出第一标识后，在中控系统指令下或者自动朝向第一标识飞行。当飞行至第一标识上方后，在中控系统指令下或者自动下降高度。
在步骤s103：降至第二预设高度时，通过下视相机寻找并识别第二标识。第二预设高度可以为相对地平面的高度，或者海拔高度，或者相对第二标识的高度，需保证第二标识在下视相机的识别距离范围内并且无人机能安全降落而不撞到机库结构件。在第二预设高度，无人机切换至视场角较小的下视相机，寻找并识别第二标识。第二标识的尺寸略小，但下视相机识别准确率较高，也容易被识别。另外，由于此时无人机已经较为接近机库，因此即使第二标识的尺寸略小，也能够通过下视相机进行图像采集以及后续的图像处理识别。
如图2a所示，机库内置收缩装置23和位于收缩装置23末端的降落盘24，收缩装置23用于将降落盘24伸出机库或缩回机库，降落盘充当降落平台，供无人机起降。第二标识可设置于降落盘上，其中心范围为无人机的降落区域。
所述方法还包括：无人机通知机库20伸出收缩装置23，或者通过中控系统通知机库20伸出收缩装置23，以避免收缩装置长时间暴露在外部空间中可能带来的第二标识老化模糊，或者外部风雨沙尘侵蚀机库内部的问题。本领域技术人员可以理解，收缩装置也可以在步骤s101、步骤s102或者步骤s101之前执行，只要保证在无人机开始识别第二标识前，机库伸出收缩装置即可。
在步骤s104：当识别出第二标识时，控制所述无人机降落在机库上。无人机通过下视相机识别出第二标识后，在中控系统指令下或者自动朝向第二标识下降，在中控系统指令下或者自动降落至降落盘上的第二标识的中心安全范围内。
如果没有识别到第二标识，可以调整下视相机的主视轴方向扩大寻找范围。当然，也有可能是由于通信故障或机库故障，没有伸出收缩装置或者伸缩装置未完全伸出，则无人机回到步骤s101重新执行所述方法，以寻找下一个机库。
通过上述四个步骤，可以实现控制无人机精准降落并安全返回机库。
需要说明的是，无人机在每次起飞时可以记录并存储机库的位置坐标，或者每次更新上一次存储的位置坐标，或者从中控系统下载位置坐标，或者跟机库通信询问位置坐标。例如当中控系统给机库发送起飞指令后，机库通过收缩装置将无人机推出机库，无人机在降落盘上起飞时记录起飞时的gps坐标作为返航时的位置坐标。位置坐标可以是gps坐标，也可以是其他卫星定位的坐标，但是无人机还需要将位置坐标转换为无人机世界坐标系下的坐标。
具体地，在步骤s101还包括：计算第一标识的中心位置在无人机世界坐标系下的坐标，在步骤s102包括：朝向第一标识的中心位置的坐标航行并下降高度，步骤s103包括：计算第二标识的中心位置在无人机世界坐标系下的坐标，步骤s104包括：对准第二标识的中心位置的坐标并降落至所述降落盘上。
如果不能直接得到位置坐标，而是需要无人机通过识别计算，可以通过图像识别法获取，例如，将第一标识或第二标识的中心当做位置坐标点，可以通过云台相机或下视相机获取第一标识或第二标识的图像，采用图像分割方法提取第一标识或第二标识，然后通过边缘检测求凸包的方法求出特殊标识外接多边形，然后求外接多边形中心在图像坐标系下的几何坐标(u,v)。
坐标系转换算法包括：
(1)云台相机识别的坐标系转换
通过云台相机识别第一标识，第一标识中心在无人机世界坐标系下的坐标(xw,yw)为
m为内参数矩阵具体形式为
t为机体在世界坐标系下的转移矩阵即无人机在世界坐标系下的坐标，同样由无人机位姿估计得到。
(2)下视相机识别的坐标系转换
由于没有云台，直接求相机到机体坐标系的转换矩阵
本发明还提供一种无人机回收装置20，如图2a所示，包括：机库21、第一标识22、收缩装置23、降落盘24和第二标识25。
机库21，用于存放无人机。机库21为搭载所有设备的主体，例如搭载充电装置，当无人机回到机库21内时，可进行充电；搭载环境监控系统，可提供环境监测数据。
第一标识22，位于机库21上表面，表面积较大，作为无人机在较高高度下飞行时的识别目标。第一标识22也可以放在其他具有较大上表面积的装置上，例如从机库延伸出的平台。
收缩装置23，位于机库21内，可相对于机库21执行伸出和收回的操作。具体地，在无人机准备降落时伸出机库21，在无人机降落后收缩回机库21。
降落盘24，位于收缩装置23的末端，可通过伸缩装置23伸出机库21和收回至机库21内。无人机降落到降落盘24上后收缩到机库中进行充电等操作。当中控系统给机库21发送起飞指令后，机库通过收缩装置23将无人机推出机库21，无人机在降落盘24上起飞时会记录起飞时的gps坐标作为返航时的位置坐标，起飞完成后收缩装置23收缩回机库21等待。
第二标识25，位于降落盘24上表面，作为无人机在较低高度下的识别目标。
根据本发明的一个优选实施例，如图2a所示，机库21还包括控制器26、无线通信模块27和充电装置28。控制器26通过无线通信模块27与无人机进行交互，如图2b所示，以实现以下操作中的一个或多个：
响应于接收到无人机的返航请求，控制收缩装置23伸出机库21。例如，当无人机返航降落前，首先通知机库21伸出收缩装置23，然后控制云台俯仰角-90°即垂直向下，利用云台相机图像识别机库21表面的第一标识22，由于云台相机视场角较大，分辨率较高且第一标识22较大，所以比较容易被识别到，然后求出第一标识22的中心在无人机世界坐标系下的坐标作为无人机的降落位置，无人机降落过程中不断重复以上过程使无人机中心对准机库21中心。
响应于无人机完成降落，控制收缩装置23收回至机库21内。例如，无人机下降到一定高度后，开启下视相机寻找第二标识25，由于下视相机视场角相对较小，从而畸变较小所以识别准确性较高，然后求出第二标识25的中心在无人机世界坐标系下的坐标作为无人机的期望降落位置，直到无人机降落到降落盘24上。
响应于收缩装置23收回至机库21内，控制充电装置28对无人机进行充电。
根据本发明的一个优选实施例，第一标识22和第二标识25包括固定尺寸的二维码或字母“h”。本领域技术人员可以理解，第一标识22和第二标识25可设置强对比性的目标图案以方便无人机进行空中识别，例如二维码、彩色图像、标志等，都在本发明的保护范围内。
考虑无人机在空中识别的难易程度，尺寸较大或者对比度较大的标识更容易被识别。第一标识22的尺寸尽可能接近与机库21的上表面的尺寸，并且第二标识25的尺寸尽可能接近与降落盘24的上表面的尺寸。考虑到下视相机的相对较小的视场角，当风力较大而引起无人机晃动的情况下，若第二标识25太小，会造成图案在视场之外而识别不到。第一标识22作为无人机在较高高度下飞行时的识别目标，第二标识25作为无人机在较低高度下飞行时的识别目标，优选地，第一标识22的尺寸大于第二标识25的尺寸。
根据本发明的一个优选实施例，第二标识25包括尺寸不同、图案不同且分布不对称的多个图案，例如2-3个从大到小的二维码图案，无人机通过下视相机拍摄，根据二维码所占的比例大小和方位更进一步识别位置。图3示出了本发明一个实施例的第二标识示意图，第二标识包括尺寸不同的三个图案，依次为12cm*12cm、8cm*8cm和2cm*2cm。由于外界因素，例如较大的风力，引起无人机晃动时，下视相机因为较小的视场角而无法获取完整的第二标识，但只要识别出其中一个图案就能完成识别和精准降落。
根据本发明的一个优选实施例，收缩装置23采用步进电机和传送带相配合来归置无人机，或者采用步进电机和丝杠机构相配合来归置无人机，相对于多轴电机结构更加简单。
本发明还提供一种无人机系统30，如图4所示，包括如上所述的无人机回收装置20和无人机31，其中无人机31包括云台相机32和下视相机33，并配置成可执行如上所述的方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如上所述的方法。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
