本發(fā)明涉及無人機，特別是涉及一種適用于復雜環(huán)境的籠式陸空兩棲無人機的運行模式切換方法。

背景技術(shù)：

1、隨著無人機技術(shù)的不斷進步，無人機在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，包括環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難救援、軍事偵察等。在復雜環(huán)境中，例如崎嶇地形、狹窄通道或障礙物密集的區(qū)域，無人機面臨著較大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無人機通常僅具備空中飛行能力或地面行走能力，但在這些復雜環(huán)境中，單一的運行模式可能無法滿足任務(wù)需求。

2、為了提高無人機在復雜環(huán)境中的適應(yīng)能力和任務(wù)執(zhí)行效率，研究人員提出了陸空兩棲無人機設(shè)計。這種設(shè)計結(jié)合了地面行走和空中飛行的雙重功能，使無人機能夠在各種環(huán)境條件下靈活轉(zhuǎn)換運行模式，從而有效應(yīng)對不同的地形和障礙物。當前常用的陸空兩棲無人機的實現(xiàn)方法為折疊式結(jié)構(gòu)，在西南大學在其申請的專利文獻“一種空地兩用無人機”(專利公開號：cn112046221a)中公開了一種帶有折疊式飛行支架的輪式空地兩用無人機。專利所述飛行支架和螺旋槳可以在地面模式下折疊收縮，減少整體尺寸，避免影響地面行駛或進入狹窄空間。當需要切換到飛行模式時，飛行支架展開，螺旋槳外露并啟動，驅(qū)動無人機升空。盡管折疊式飛行支架具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性高等優(yōu)點，但在面對一些情況時仍然存在不足。比如，在復雜環(huán)境中，折疊式支架容易受到風沙、雜物的影響，導致關(guān)節(jié)卡頓或變形使變形功能失效。同時，在光照不足或狹窄空間中，折疊式支架結(jié)構(gòu)強度可能不足以應(yīng)對突發(fā)的沖擊或碰撞，進而損壞無人機的關(guān)鍵組件。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種適用于復雜環(huán)境的籠式陸空兩棲無人機的運行模式切換方法，能夠在地面行走模式與空中飛行模式之間無縫切換，適應(yīng)各種復雜環(huán)境的需求。該無人機特別適用于狹窄、崎嶇、坍塌等不規(guī)則地形，以及災(zāi)后救援、復雜地形勘探等任務(wù)場景。

2、本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：一種適用于復雜環(huán)境的籠式陸空兩棲無人機的運行模式切換方法，其步驟為一種適用于復雜環(huán)境的籠式陸空兩棲無人機的運行模式切換方法，其特征在于，其步驟為：

3、1.圖像預處理

4、1.1灰度圖轉(zhuǎn)換：無人機搭載的視覺系統(tǒng)采集周圍環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)，將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖

5、1.2圖像區(qū)域劃分：將無人機視野中的圖像劃分為9個區(qū)域，分區(qū)策略用于無人機在不同方向上對周圍環(huán)境進行感知和處理。

6、2.基于雙目視覺的三維建模

7、2.1雙目視覺系統(tǒng)：利用無人機雙目攝像頭獲取的左右圖像，通過視差計算獲取環(huán)境的深度信息，通過匹配左右圖像中的特征點，計算每個像素的深度值，生成三維環(huán)境點云；

8、2.2orb-slam算法：采用orb算法進行關(guān)鍵特征點的提取和匹配，完成對無人機的定位與地圖構(gòu)建，并對無人機的姿態(tài)進行實時修正；

9、具體方法為：將無人機的視野劃分為3×3的九個區(qū)域，每個區(qū)域為ai,j,其中i∈{1,2,3,},j∈{1,2,3}，其中無人機前進方向的區(qū)域為a2,1,a2,2,a2,3；

10、無人機前進方向區(qū)域的寬度通過雙目視覺系統(tǒng)計算，當無人機處于圖像中心點時，其寬度使用以下公式計算：

11、

12、其中，wpix為無人機處于視野中心的像素寬度，wreal為無人機的真實寬度，b為雙目攝像頭之間的基線距離，d為雙目攝像頭的視差；

13、在對視野進行劃分后，每隔設(shè)定的時間對圖像的a2,1,a2,2,a2,3區(qū)域進行邊緣提取以獲取圖像中的顯著結(jié)構(gòu)信息：

14、

15、其中，i(w,h)為像素點在圖像中的灰度值，和分別是圖像在w方向和h方向的梯度，g(w,h)為邊緣提取的結(jié)果；

16、在無人機的地面行駛過程中，邊緣特征的方差反映了當前地形的崎嶇程度，當方差到達閾值之后，算法會將無人機切換到飛行模式，計算方差并切換模式的具體公式如下：

17、

18、其中σ2為圖像的方差，h，w分別代表圖像的高和寬，μ代表圖像的平均灰度。

19、3.環(huán)境動態(tài)調(diào)整與自主決策

20、3.1動態(tài)環(huán)境感知：無人機的控制系統(tǒng)通過處理器和傳感器對周圍環(huán)境進行實時監(jiān)控，獲取動態(tài)物體的位置信息以及地形特征，處理器根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合三維建模結(jié)果，對無人機的運動狀態(tài)進行實時調(diào)整；

21、3.2自主決策與模式切換：在正常情況下，無人機優(yōu)先選擇地面模式以節(jié)省電力，當檢測到前方存在無法通行的障礙物或復雜地形時，系統(tǒng)自動切換至飛行模式，避免障礙物，確保任務(wù)的順利完成，飛行模式下，利用傳感器與三維地圖數(shù)據(jù)，無人機能夠在狹窄空間或復雜環(huán)境中精確導航；

22、當檢測到的方差σ2超過設(shè)定的閾值時，將判斷當前地形過于崎嶇，不適合繼續(xù)在地面模式下行駛，此時無人機切換至飛行模式，具體切換條件為:

23、

24、其中為無人機前進方向分區(qū)a2,1,a2,2,a2,3的方差值，max(·)為最大值函數(shù)；

25、當滿足以上切換條件時，控制系統(tǒng)系統(tǒng)會通過以下公式自動切換至飛行模式：

26、

27、當無人機處于地面模式時，為了保持無人機的平穩(wěn)且高效率的移動，算法會根據(jù)地面方差對飛行組件的出力進行調(diào)整，公式如下所示：

28、

29、其中，f(t)為當前t時刻飛行組件的出力，f0為無人機平穩(wěn)狀態(tài)下的出力，kp,ki,kd為比例控制、積分控制和微分控制的增益系數(shù)，在這里分別設(shè)置為0.5,0.01和0.02；為當前圖像與路面平穩(wěn)狀態(tài)下的方差的誤差，是從0時刻到當前時刻t的誤差積分，用于修正累積誤差，誤差的微分，用于預測誤差的趨勢。

30、4.人工干預

31、人工干預：除了自動模式切換外，用戶能夠通過遠程控制設(shè)備對無人機進行人工干預，手動切換無人機的移動模式。

32、所述的籠式陸空兩棲無人機的硬件結(jié)構(gòu)包括：

33、籠式結(jié)構(gòu)、飛行組件、控制系統(tǒng)、gps系統(tǒng)、雙目立體視覺系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)與電池系統(tǒng)組成；

34、籠式結(jié)構(gòu)由側(cè)面的結(jié)構(gòu)支撐零件、圍欄部分、圓環(huán)結(jié)構(gòu)通過榫接方式組成，在薄弱部位采用螺釘加固，籠式結(jié)構(gòu)的左右兩側(cè)安裝攝像頭，組成3d視覺系統(tǒng)；

35、籠式結(jié)構(gòu)通過軸承與無人機本體連接，飛行組件為無人機的移動提供動力，通過與籠式結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)無人機在陸空兩棲環(huán)境中的順暢運動，控制系統(tǒng)上方安裝有g(shù)ps系統(tǒng)，用于實時定位和導航；

36、3d視覺系統(tǒng)通過軸承與飛行組件相連，能夠根據(jù)需要由飛行組件調(diào)整攝像頭的俯仰角度，增強環(huán)境感知能力，3d視覺系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與處理；

37、控制系統(tǒng)的主板上方預留有數(shù)據(jù)接口，作為傳感器系統(tǒng)的連接端口，允許選配安裝多種傳感器；

38、無人機底部配置有電池系統(tǒng)，通過航空插頭與卡槽安裝，為整個無人機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力支持。

39、本發(fā)明創(chuàng)造的有益效果為：本發(fā)明通過靈活的陸空兩棲模式切換功能，通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)地面行走與空中飛行的無縫銜接，顯著提升了在復雜地形中的適應(yīng)性和任務(wù)執(zhí)行效率。結(jié)合高性能處理器、gps定位系統(tǒng)和多傳感器的自主導航與避障功能，無人機在惡劣條件下能夠穩(wěn)定運行并具備自動返航功能。此外，快速更換電池系統(tǒng)延長了作業(yè)續(xù)航時間，適合長時間任務(wù)需求。該無人機特別適用于災(zāi)后救援、復雜地形勘探等多種任務(wù)場景，具備廣泛的應(yīng)用前景。