本發(fā)明涉及無人機技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無人機導航的方法、裝置以系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展進步，植保無人機也得到了快速的發(fā)展。

植保無人機具有體積較小、飛行調(diào)校短、飛行效率高以及作業(yè)成本低等諸多優(yōu)點。相對于傳統(tǒng)人工噴灑農(nóng)藥，植保無人機可以輕易對較高農(nóng)作物進行農(nóng)藥噴灑；而相對于有人飛機農(nóng)藥噴灑作業(yè)，植保無人機具備可以適應小塊農(nóng)田的特點。

現(xiàn)有的無人機導航技術(shù)主要是GPS導航，即利用實時獲取無人機的地理位置信息，根據(jù)地理位置信息進行實時導航。應用于植保無人機的GPS導航技術(shù)，一般首先需要獲取農(nóng)田的GPS數(shù)據(jù)，然后根據(jù)得到的GPS數(shù)據(jù)進行導航。但是，GPS信號的強度、精度主要是由衛(wèi)星數(shù)量和接收機的質(zhì)量等因素決定的，進一步地，GPS信號的強度和精度也對無人機導航有一定的干擾，使得無人機導航的穩(wěn)定性較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種無人機導航的方法、裝置以及系統(tǒng)，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中無人機利用GPS導航使得導航的穩(wěn)定性較低的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種無人導航的方法，該方法包括：

獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像；

分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點；

對所述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)所述特征點對所述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；

根據(jù)預設的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

可選地，所述根據(jù)預設的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航包括：

根據(jù)所述三維坐標信息，計算得出所述目標區(qū)域所在平面的模型；

獲取人為選取的所述飛行路線，所述飛行路線包括飛行軌跡以及飛行高度；

根據(jù)所述飛行路線以及所述模型，建立包含所述飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

可選地，所述分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點包括：

構(gòu)造所述目標區(qū)域圖像的尺度空間；

檢測所述尺度空間內(nèi)的所有特征點；

去除所述特征點中抗干擾性弱的特征點；

確定剩余的所述特征點的主方向；

生成剩余的所述特征點的描述子。

可選地，所述獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像包括：

在所述無人機上的所述雙目圖像采集裝置采集所述目標區(qū)域圖像之后，接收所述無人機通過通信鏈路發(fā)送的所述目標區(qū)域圖像。

此外，本發(fā)明還提供了一種無人機導航的裝置，該裝置包括：

獲取模塊，用于獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像；

提取模塊，用于分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點；

三維重建模塊，用于對所述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)所述特征點對所述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；

飛行模型建立模塊，用于根據(jù)預設的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

可選地，所述飛行模型建立模塊包括：

模型建立單元，用于根據(jù)所述三維坐標信息，計算得出所述目標區(qū)域所在平面的模型；

獲取單元，用于獲取人為選取的所述飛行路線，所述飛行路線包括飛行軌跡以及飛行高度；

建立單元，用于根據(jù)所述飛行路線以及所述模型，建立包含所述飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

可選地，所述提取模塊包括：

構(gòu)造單元，用于構(gòu)造所述目標區(qū)域圖像的尺度空間；

檢測單元，用于檢測所述尺度空間內(nèi)的所有特征點；

去除單元，用于去除所述特征點中抗干擾性弱的特征點；

確定單元，用于確定剩余的所述特征點的主方向；

生成單元，用于生成剩余的所述特征點的描述子。

可選地，所述獲取模塊包括：

接收單元，用于在所述無人機上的所述雙目圖像采集裝置采集所述目標區(qū)域圖像之后，接收所述無人機通過通信鏈路發(fā)送的所述目標區(qū)域圖像。

本發(fā)明還提供了一種無人機導航的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

雙目圖像采集裝置，設置于無人機上，用于采集目標區(qū)域圖像；

圖像處理裝置，用于獲取所述目標區(qū)域圖像；分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點；對所述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)所述特征點對所述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；根據(jù)預先人為選取的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

本發(fā)明所提供的一種無人機導航的方法、裝置以及系統(tǒng)，通過獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像；分別提取上述目標區(qū)域圖像的特征點；對上述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)上述特征點對上述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；根據(jù)預設的飛行路線以及上述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使上述無人機根據(jù)上述飛行模型進行導航?；讷@取的目標區(qū)域圖像，利用圖像處理技術(shù)確定出無人機的在目標區(qū)域的飛行路線，不會受到不穩(wěn)定因素的干擾，具有較高的抗干擾性?？梢?，本申請有利于提高無人機導航的穩(wěn)定性。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例所提供的無人機導航方法的一種具體實施方式的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例所提供的無人機導航裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖3為本發(fā)明實施例所提供的無人機導航系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參見圖1，圖1為本發(fā)明實施例所提供的無人機導航方法的一種具體實施方式的流程示意圖，該方法包括以下步驟：

步驟101：獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像；

需要說明的是，上述雙目圖像采集裝置可以是指雙目攝像頭，也可以為其它類型的雙目圖像采集裝置。

上述目標區(qū)域圖像可以是指無人機導航區(qū)域的圖像，例如，當無人機為植保無人機時，目標區(qū)域圖像可以是指某一塊農(nóng)田的整體圖像；當然，上述目標區(qū)域圖像并不限于上述所提及的。而上述目標區(qū)域圖像的數(shù)量可以是2幅或者是2幅以上。

可以理解的是，雙目圖像采集裝置設置于無人機上，當雙目圖像采集裝置到圖像后，可以通過通信鏈路返回所采集的圖像。

在本發(fā)明的一些實施例中，其過程可以具體為：在所述無人機上的所述雙目圖像采集裝置采集所述目標區(qū)域圖像之后，接收所述無人機通過通信鏈路發(fā)送的所述目標區(qū)域圖像。

具體地，控制無人機飛行到目標區(qū)域的正上方，使得雙目圖像采集裝置可以拍攝到目標區(qū)域的整體區(qū)域，并保持雙目圖像采集裝置的主光軸垂直于地面，例如，保持攝像頭的主光軸垂直于地面，且攝像頭無畸變。雙目圖像采集裝置采集目標區(qū)域的整體圖像，例如，采集兩幅目標區(qū)域的圖像，所采集的圖像為不同角度的圖像，即所采集的兩幅圖像為同一目標區(qū)域的不同角度的兩幅圖像。在圖像采集完成后，可以通過無人機和上位機之間的通信鏈路傳輸所采集的圖像，上述通信鏈路可以是指無線通信鏈路。

可以理解的是，可以通過人工遙控無人機到目標區(qū)域的指定位置，以獲取目標區(qū)域的位置信息，其操作較方便快捷。

步驟102：分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點；

需要說明的是，上述特征點可以是指尺度不變特征變換(sift,Scale-invariant feature transform)特征點，sift特征點是圖像上對尺度縮放、旋轉(zhuǎn)和亮度變化無關(guān)的特征向量，其是圖像的局部特征，對視角變化、仿射變換以及噪聲有一定程度上的穩(wěn)定性，其一般有獨特性、多量性、高速性和可擴展性等特點。sift特征點的提取的過程一般可以首先對圖像進行尺度變化，將圖像進行放大和縮小操作；然后再檢測該尺度空間上的所有極值點；在獲得極值點后，對這些極值點進行篩選，去除一些不穩(wěn)定的極值點，將剩下的極值點作為特征點，確定特征點的主方向，再然后生成特征點的描述子。

在本發(fā)明的一些實施例中，其sift特征點的提取過程可以具體為：構(gòu)造所述目標區(qū)域圖像的尺度空間；檢測所述尺度空間內(nèi)的所有特征點；去除所述特征點中抗干擾性弱的特征點；確定剩余的所述特征點的主方向；生成剩余的所述特征點的描述子。

顯而易見地，sift特征點的提取過程為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)，在此不再贅述。

可以理解的是，上述特征點還可以為其它類型的特征點，其提取過程在此不再贅述。

步驟103：對所述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)所述特征點對所述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；

具體地，利用提取出的sift特征點，利用sift匹配算法對目標區(qū)域圖像進行檢測，可以利用EMD(Earth Mover Distance)算法來進行特征點的匹配。進而對目標區(qū)域進行三維重建，計算得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型。當然，上述特征點的檢測和匹配還可以用其它的算法實現(xiàn)，并不限于上述所提及的。

可以理解的是，上述三維坐標信息可以是指重建的目標區(qū)域的坐標信息，例如，在預先建立好的三維空間坐標系中，目標區(qū)域所在平面上的任意一點的三維坐標點數(shù)值。

步驟104：根據(jù)預設的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

需要說明的是，上述飛行路線可以是指無人機進行作業(yè)時的飛行軌跡以及相應的飛行參數(shù)(例如飛行高度)，其可以由一些特定參數(shù)自動生成，也可以由人為低選定。飛行軌跡可以是規(guī)則的，例如為Z型軌跡；也可以是不規(guī)則的，在此不作限定。

上述飛行參數(shù)可以包括無人機的飛行高度，其飛行高度是以目標區(qū)域所在的平面為標準面，即無人機的飛行高度可以是指無人機飛行時所處位置距離目標區(qū)域所在平面的數(shù)值大小。無人機的飛行高度可以是由預設參數(shù)自動生成，也可以是人為地根據(jù)實際需求選取的。而上述的飛行模型包含無人機的飛行路線參數(shù)，可以是指飛行模型包含無人機飛行軌跡以及飛行高度。

當飛行路線為人為選取時，可以克服基于算法進行圖像匹配誤差從而導致的導航誤差。由于雙目圖像采集裝置所采集得到的圖像具有較高的相似性，例如，當目標區(qū)域為一塊農(nóng)田時，雙目圖像采集裝置可以獲取到同一塊農(nóng)田的不同角度的圖像。而基于特征點進行圖像匹配的目的是獲取當前無人機的位置，故可能存在圖像匹配錯誤，進而導致的導航偏差的問題。

在本發(fā)明的一些實施例中，其過程可以具體為：根據(jù)所述三維坐標信息，計算得出所述目標區(qū)域所在平面的模型；獲取人為選取的所述飛行路線，所述飛行路線包括飛行軌跡以及飛行高度；根據(jù)所述飛行路線以及所述模型，建立包含所述飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

具體地，首先建立三維坐標系，然后可以求出目標區(qū)域所在平面的平面方程即模型，最后可以在目標區(qū)域上選取飛行軌跡以及飛行高度，計算出無人機的飛行計劃即飛行模型。飛行軌跡可以是指無人機的所飛行的路線在目標區(qū)域所在平面上的投影，其具體可以表現(xiàn)為平面上的一條線段。根據(jù)所求出的平面方程，求出飛行軌跡在目標區(qū)域所在平面的具體參數(shù)，進而得出飛機軌跡的數(shù)學表達式，然后結(jié)合選取的高度，得出最終的飛行路線的數(shù)學表達式。

例如，以雙目圖像采集裝置的中心點作為坐標原點，過原點平行于攝像頭主光軸的直線為Z軸，無人機的前后方向為X軸，無人機的左右方向為Y軸，建立空間直角坐標系Oxyz；然后獲取目標地塊平面α在坐標系Oxyz中的函數(shù)方程f，其過程可以具體為：在平面α上隨機選取3個點，并根據(jù)三維重建信息獲取3個點的具體坐標(x，y，z)，并分別帶入平面方程Ax+By+Cz+D＝0，進而求出平面方程f；人為地在所得到的平面α上選取飛行軌跡l，飛行軌跡可以具體表現(xiàn)為由多條直線段組成，繼而建立飛行路線l在坐標平面XY的函數(shù)方程g₀(x,y)，其過程可以具體為：在飛行軌跡上選取端點作為參考點，即某一條直線上的兩個端點的坐標是知道的，將一條直線上的兩個端點帶入直線方程y＝ax+b得到直線參數(shù)，得出某一條直線的函數(shù)表達式，依次類推，得出其它各線段的函數(shù)表達式。

最后可以人為地設定無人機相對于平面α的飛行高度h，并根據(jù)此高度h和飛行路線的函數(shù)方程g₀(x,y)，推算出實際無人機的飛行路線所在的函數(shù)方程g₁(x,y,z)，即其中，z_α為平面α上的點的Z坐標值。進而可以解算出無人機的飛行計劃，即建立飛行模型。

可以理解的是，人為地選取無人機的飛行路線，可以排除圖像匹配錯誤帶來的導航偏差，進而提高了無人機的導航精度，

本發(fā)明實施例所提供的無人機導航的方法，通過獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像；分別提取上述目標區(qū)域圖像的特征點；對上述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)上述特征點對上述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；根據(jù)預設的飛行路線以及上述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使上述無人機根據(jù)上述飛行模型進行導航?；讷@取的目標區(qū)域圖像，利用圖像處理技術(shù)確定出無人機的在目標區(qū)域的飛行路線，不會受到不穩(wěn)定因素的干擾，具有較高的抗干擾性?？梢姡摲椒ㄓ欣谔岣邿o人機導航的穩(wěn)定性。

下面對本發(fā)明實施例提供的無人機導航裝置進行介紹，下文描述的無人機導航裝置與上文描述的無人機導航方法可相互對應參照。

圖2為本發(fā)明實施例所提供的無人機導航裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖，參照圖2無人機導航裝置可以包括：

獲取模塊201，用于獲取設置于無人機上的雙目圖像采集裝置采集的目標區(qū)域圖像；

提取模塊202，用于分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點；

三維重建模塊203，用于對所述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)所述特征點對所述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；

飛行模型建立模塊204，用于根據(jù)預設的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

需要說明的是，無人機導航裝置具體可以表現(xiàn)為與無人機相適應的上位機，即利用該上文機可以對采集到的圖像進行圖像處理，以及飛行模型的建立。

可選地，所述飛行模型建立模塊包括：

模型建立單元，用于根據(jù)所述三維坐標信息，計算得出所述目標區(qū)域所在平面的模型；

獲取單元，用于獲取人為選取的所述飛行路線，所述飛行路線包括飛行軌跡以及飛行高度；

建立單元，用于根據(jù)所述飛行路線以及所述模型，建立包含所述飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

可選地，所述提取模塊包括：

構(gòu)造單元，用于構(gòu)造所述目標區(qū)域圖像的尺度空間；

檢測單元，用于檢測所述尺度空間內(nèi)的所有特征點；

去除單元，用于去除所述特征點中抗干擾性弱的特征點；

確定單元，用于確定剩余的所述特征點的主方向；

生成單元，用于生成剩余的所述特征點的描述子。

可選地，所述獲取模塊包括：

接收單元，用于在所述無人機上的所述雙目圖像采集裝置采集所述目標區(qū)域圖像之后，接收所述無人機通過通信鏈路發(fā)送的所述目標區(qū)域圖像。

本發(fā)明實施例所提供的無人機導航的裝置，基于獲取的目標區(qū)域圖像，提取特征點，利用圖像處理技術(shù)確定出無人機的在目標區(qū)域的飛行路線，不會受到不穩(wěn)定因素的干擾，具有較高的抗干擾性?？梢姡撗b置有利于提高無人機導航的穩(wěn)定性。

請參見圖3，圖3為本發(fā)明實施例所提供的無人機導航系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖，該系統(tǒng)包括：

雙目圖像采集裝置301，設置于無人機上，用于采集目標區(qū)域圖像；

圖像處理裝置302，用于獲取所述目標區(qū)域圖像；分別提取所述目標區(qū)域圖像的特征點；對所述特征點進行檢測和匹配操作，根據(jù)所述特征點對所述目標區(qū)域圖像進行三維重建，得出包含目標區(qū)域的三維坐標信息的三維模型；根據(jù)預先人為選取的飛行路線以及所述三維模型，建立包含飛行路線信息的飛行模型，以使所述無人機根據(jù)所述飛行模型進行導航。

本發(fā)明實施例所提供的無人機導航的系統(tǒng)，基于獲取的目標區(qū)域圖像，提取特征點，利用圖像處理技術(shù)確定出無人機的在目標區(qū)域的飛行路線，不會受到不穩(wěn)定因素的干擾，具有較高的抗干擾性。可見，該系統(tǒng)有利于提高無人機導航的穩(wěn)定性。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同或相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

專業(yè)人員還可以進一步意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結(jié)合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應用和設計約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應認為超出本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內(nèi)存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。

以上對本發(fā)明所提供的無人機導航的方法、裝置以及系統(tǒng)進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。