基于大疆MSDK实现的无人机视觉引导自适应降落功能
基于大疆MSDK实现的无人机视觉引导自适应降落功能概述
最初需求：想要无人机在执行完航线任务后，一键落到一个指定的位置，简化人工控制。
实现一套完整的无人机自主降落功能,通过虚拟摇杆控制使无人机飞向指定位置，再利用视觉识别引导无人机精确降落到具体位置。本文中采用自适应降落策略,根据高度动态调整精度要求和下降速度,以实现安全、精确的降落。
核心点:
[*]虚拟摇杆导航替代FlyTo功能
[*]双轴(X/Y)位置偏移实时调整
[*]高度自适应降落策略
[*]视觉识别引导定位
[*]智能避障管理
系统架构
整体流程
graph TD A[用户触发Return to Vehicle] --> B[获取无人机GPS位置] B --> C[计算与目标点距离] C --> D[启动虚拟摇杆导航] D --> E[飞向目标位置 5m/s] E --> F{距离小于10m?} F -->|否| E F -->|是| G[开始自适应降落] G --> H[视觉识别系统] H --> I[计算X/Y偏移量] I --> J[更新偏移量到ViewModel] J --> K[自适应降落循环] K --> L{高度分段判断} L -->|高于50m| M[高空模式] L -->|20-50m| N[中空模式] L -->|5-20m| O[低空模式] L -->|低于5m| P[极低空模式] M --> Q[计算调整速度和下降速度] N --> Q O --> Q P --> Q Q --> R{偏移大于阈值2倍?} R -->|是| S[停止下降只调整] R -->|否| T[边调整边下降] S --> U{高度小于5m?} T --> U U -->|是| V[关闭下视避障] U -->|否| K V --> W{高度小于等于0.1m?} W -->|否| K W -->|是| X[着陆完成清理资源]技术实现思路
第一步:让无人机飞到目标位置?
问题分析
遥控器控制的无人机在执行完航线任务之后，飞到给定降落点（汽车或其他载具上）。最初的想法是使用DJI SDK提供的FlyTo功能,直接指定目标GPS坐标让无人机飞过去。但在实际测试中，发现部分机型（如M3E）并不支持FlyTo功能。
机型是否支持FlyTo功能参考文档：https://developer.dji.com/doc/mobile-sdk-tutorial/cn/tutorials/intelligent-flight.html
解决方案:虚拟摇杆导航
既然FlyTo功能不可用,那就用虚拟摇杆功能进行模拟。
思路:
[*]计算当前位置到目标位置的方位角(bearing)
[*]将方位角转换为速度分量(南北/东西)
[*]持续发送虚拟摇杆指令,让无人机朝目标飞行
[*]实时监测距离,接近目标时停止
方位角计算:
private fun calculateBearing(latA: Double, lonA: Double, latB: Double, lonB: Double): Double {
val lat1 = Math.toRadians(latA)
val lat2 = Math.toRadians(latB)
val dLon = Math.toRadians(lonB - lonA)
val y = Math.sin(dLon) * Math.cos(lat2)
val x = Math.cos(lat1) * Math.sin(lat2) - Math.sin(lat1) * Math.cos(lat2) * Math.cos(dLon)
var bearing = Math.toDegrees(Math.atan2(y, x))
bearing = (bearing + 360) % 360// 归一化到0-360度
return bearing// 0°=正北, 90°=正东, 180°=正南, 270°=正西
}速度分量计算:
val bearing = calculateBearing(currentLat, currentLon, targetLat, targetLon)
val bearingRad = Math.toRadians(bearing)
// 使用GROUND坐标系(地面坐标系)
val navParam = VirtualStickFlightControlParam().apply {
rollPitchCoordinateSystem = FlightCoordinateSystem.GROUND
verticalControlMode = VerticalControlMode.POSITION
yawControlMode = YawControlMode.ANGLE
rollPitchControlMode = RollPitchControlMode.VELOCITY
// 将速度分解为南北和东西分量
pitch = NAVIGATION_SPEED * Math.cos(bearingRad)// 南北分量(5m/s)
roll = NAVIGATION_SPEED * Math.sin(bearingRad) // 东西分量(5m/s)
yaw = bearing// 让机头指向目标
verticalThrottle = targetAlt
}
[*]GROUND坐标系是绝对方向,不受无人机朝向影响
[*]pitch控制南北,roll控制东西。
虚拟摇杆参数含义：https://developer.dji.com/doc/mobile-sdk-tutorial/cn/basic-introduction/basic-concepts/flight-controller.html#虚拟摇杆
第二步:判断何时到达目标点上方附近
持续监测距离
每100ms检查一次当前位置与目标的距离，距离小于预期值ARRIVAL_THRESHOLD,就认为无人机已到达目标点上方附近，停止导航，开始降落:
val navTask = object : Runnable {
override fun run() {
val currentLoc = getAircraftLocation()
val remainingDistance = calculateDistance(
currentLoc.latitude, currentLoc.longitude,
targetLat, targetLon
)
if (remainingDistance < ARRIVAL_THRESHOLD) {// 10米内
// 到达目标,停止导航,开始降落
isNavigating = false
startDynamicAdjustment()
} else {
// 继续飞行
sendNavigationCommand()
virtualStickHandler?.postDelayed(this, 100)
}
}
}第三步:精确降落到指定点
无人机虽然到了目标附近(10米内),但有以下问题：
[*]GPS精度有限(±3米),不够精确。
[*]风力影响,有时候受风的影响，无人机会偏离。
解决方案:视觉识别+位置调整
工作原理:
[*]无人机摄像头识别地面的特定图像(如二维码、标记点)
[*]视觉算法计算偏移量(X轴左右,Y轴前后,Z轴距图像距离)
[*]将偏移量传给无人机
[*]无人机调整位置,边降落边对准
数据结构:
private var xOffset: Double = 0.0// X轴偏移(米),正=右,负=左
private var yOffset: Double = 0.0// Y轴偏移(米),正=前,负=后
private var zDistance: Double = 0.0 // Z轴距离(米),距降落点高度外部接口:
// 视觉识别系统调用这些方法更新偏移量(~1Hz)
fun setXOffset(offset: Double) { xOffset = offset }
fun setYOffset(offset: Double) { yOffset = offset }
fun setZDistance(distance: Double) { zDistance = distance }采用自适应策略，一边降落一遍调整
关键点:
在不同的高度，我们允许的偏移量阈值不同的，高度较高的时候，偏移量就算比较大也可以下降，随着高度降低，我们允许的偏移量阈值会不断缩小（要求越来越向中间对齐）
真实偏移超出偏移量阈值的2倍就停止下降，只进行对齐调整；
真实偏移超出偏移量的1倍，就以0.1m/s的慢速一边降落一边调整；
在偏移量范围内，且高度> 20m，以0.5m/s的速度快速下降；
在偏移量范围内，且高度在5m-20m之间，以0.2m/s的速度下降；
在偏移量范围内，且高度< 5m，以0.2m/s速度下降；
实现:
// 1. 根据高度动态计算允许的误差
private fun getOffsetThreshold(altitude: Double): Double {
return when {
altitude > 50.0 -> 1.0 // 高空:允许1米偏移误差
altitude > 20.0 -> 0.5 // 中空:允许0.5米偏移误差
altitude > 5.0-> 0.3 // 低空:允许0.3米偏移误差
else -> 0.2 // 极低空:要求0.2米精度
}
}
// 2. 根据高度和偏移量动态计算下降速度
private fun getDescentSpeed(altitude: Double, xOffset: Double, yOffset: Double): Double {
val threshold = getOffsetThreshold(altitude)
return when {
xOffset > threshold * 2 || yOffset > threshold * 2 -> 0.0// 偏移太大:停止下降
xOffset > threshold || yOffset > threshold -> 0.1 // 偏移较大:慢降
altitude > 20.0 -> 0.5 // 中高空:快降
altitude > 5.0-> 0.2 // 低空:慢降
else -> 0.2 // 极低空:极慢降
}
}控制逻辑:
graph TD A[获取当前高度和偏移量] --> B{高度判断} B -->|大于50m| C[偏离阈值1m] B -->|20-50m| D[偏离阈值0.5m] B -->|5-20m| E[偏离阈值0.3m] B -->|小于5m| F[偏离阈值0.2m] C --> G{偏移判断} D --> G E --> G F --> G G -->|偏移大于阈值的2倍| H[停止下降,只调整] G -->|偏移大于阈值| I[慢降0.1m/s并且调整] G -->|偏移小于阈值| J[快降并且微调] H --> K[发送虚拟摇杆指令] I --> K J --> K K --> L{高度小于等于0.1m?} L -->|否| A L -->|是| M[着陆完成]第四步:处理避障，降落后停桨。
问题:下视避障会阻止降落
无人机的下视避障系统会将地面识别为障碍物,在接近地面时自动停止下降，我们在高度为5m的时候关闭下视避障，落到地面后调用KeyStartAutoLanding进行停桨。
参考文档： https://sdk-forum.dji.net/hc/zh-cn/articles/14578693771033-如何使用虚拟摇杆降落
低空时关闭下视避障
var downwardObstacleDisabled = false//确保关闭下视避障操作只成功执行一次
// 高度<5m时关闭下视避障
if (currentAltitude <= 5.0 && !downwardObstacleDisabled) {
downwardObstacleDisabled = true
setObstacleAvoidanceEnable(false, PerceptionDirection.DOWNWARD)
}
//关闭下视避障调用方法
private fun setObstacleAvoidanceEnable(enabled: Boolean,direction: PerceptionDirection){
if (direction == null) {
Log.e("Perception", "方向参数为空，无法设置避障")
return
}
PerceptionManager.getInstance().setObstacleAvoidanceEnabled( //调用大疆MSDK方法关闭下视避障
enabled,
direction,
object : CommonCallbacks.CompletionCallback {
override fun onSuccess() {
toastResult?.postValue(DJIToastResult.success(
"成功设置【${direction.name}】方向的避障为：${if (enabled) "开启" else "关闭"}")
)
Log.i(
"Perception",
"成功设置【${direction.name}】方向的避障为：${if (enabled) "开启" else "关闭"}"
)
}
override fun onFailure(error: IDJIError) {
downwardObstacleDisabled = false
toastResult?.postValue(DJIToastResult.failed(
"设置【${direction.name}】方向的避障失败：$error"
))
Log.e(
"Perception",
"设置【${direction.name}】方向的避障失败：$error"
)
}
}
)
}以上，就实现了一整套视觉引导的自适应降落方案
安全注意事项
WARNING
[*]必须在空旷、安全环境测试
[*]建议先用DJI模拟器测试
[*]视觉识别必须持续更新(~1Hz)
[*]准备好随时手动接管
代码
private fun startDynamicAdjustment() {
isAdjusting = true
virtualStickHandler = Handler(Looper.getMainLooper())
val adjustTask = object : Runnable {
override fun run() {
if (!isAdjusting) return
// 1. 获取当前状态
val currentAltitude = FlightControllerKey.KeyAltitude.create().get(0.0)
val currentXOffsetAbs = Math.abs(xOffset)
val currentYOffsetAbs = Math.abs(yOffset)
// 2. 检查是否着陆
if (currentAltitude <= 0.1) {
stopLanding()
return
}
// 3. 低空时关闭下视避障
if (currentAltitude <= 5.0 && !downwardObstacleDisabled) {
downwardObstacleDisabled = true
setObstacleAvoidanceEnable(false, PerceptionDirection.DOWNWARD)
}
// 4. 计算自适应参数
val offsetThreshold = getOffsetThreshold(currentAltitude)
val descentSpeed = getDescentSpeed(currentAltitude, currentXOffsetAbs, currentYOffsetAbs)
// 5. 构建虚拟摇杆指令
val adjustParam = VirtualStickFlightControlParam().apply {
rollPitchCoordinateSystem = FlightCoordinateSystem.BODY
verticalControlMode = VerticalControlMode.VELOCITY
rollPitchControlMode = RollPitchControlMode.VELOCITY
// 水平调整
roll = if (currentXOffsetAbs > offsetThreshold) {
if (xOffset > 0) ADJUSTMENT_SPEED else -ADJUSTMENT_SPEED
} else 0.0
pitch = if (currentYOffsetAbs > offsetThreshold) {
if (yOffset > 0) ADJUSTMENT_SPEED else -ADJUSTMENT_SPEED
} else 0.0
// 垂直下降
verticalThrottle = -descentSpeed
}
// 6. 发送指令
VirtualStickManager.getInstance().sendVirtualStickAdvancedParam(adjustParam)
// 7. 100ms后再次执行(10Hz)
virtualStickHandler?.postDelayed(this, 100)
}
}
virtualStickHandler?.post(adjustTask)
}
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