基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用無(wú)疑是跨進(jìn)高科技農(nóng)業(yè)時(shí)代的重 要標(biāo)志，現(xiàn)在農(nóng)用無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用于噴灑農(nóng)藥、施肥等方面，農(nóng)用無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)節(jié)省 了大量的人力勞動(dòng)，而導(dǎo)航方法的精確性直接影響農(nóng)用無(wú)人機(jī)工作效率，因此找到一種精 確度高、噪聲影響小的導(dǎo)航方法十分必要。
[0003] 目前，較常使用的導(dǎo)航方法主要有慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航以及衛(wèi)星導(dǎo)航等，這些 導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在工作在山區(qū)、丘陵等地區(qū)的農(nóng)用無(wú)人機(jī)都存在一定的局限性。申請(qǐng)?zhí)枮?【201410128459.X】的發(fā)明專利公開一種基于景象匹配/視覺里程的慣性組合導(dǎo)航方法，根 據(jù)視覺里程原理，計(jì)算無(wú)人機(jī)航拍實(shí)時(shí)圖像序列的單應(yīng)矩陣，通過累積連續(xù)兩幀實(shí)時(shí)圖之 間的相對(duì)位移，遞推計(jì)算出無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置；由于導(dǎo)航信息經(jīng)積分產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間 增長(zhǎng)，誤差積累較大導(dǎo)致定位精度隨時(shí)間降低，并且要對(duì)誤差進(jìn)行修正，導(dǎo)致高精度的慣導(dǎo) 系統(tǒng)質(zhì)量高、體積大、造價(jià)昂貴，不適用于農(nóng)用無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航。
[0004] 使用無(wú)線電導(dǎo)航發(fā)送無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航時(shí)，需要建立地面基站來(lái)輔助導(dǎo)航，只有 地面基站正常工作時(shí)，無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)才能正常工作，在山區(qū)、盆地或丘陵地區(qū)易受地形遮 擋，容易產(chǎn)生信號(hào)干擾，衛(wèi)星導(dǎo)航方法的傳輸信號(hào)易被山峰阻擋導(dǎo)致導(dǎo)航精度降低，不適用 于有遮擋物的山區(qū)。
[0005] 利用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航成為近年的研究熱點(diǎn)，該方法具有精度 高，不受電子干擾等特點(diǎn)。申請(qǐng)?zhí)枮椤?01410596775.X】公開一種無(wú)人機(jī)視覺導(dǎo)航方法，首 先利用SIFT算法構(gòu)建圖像的多尺度空間，然后精確定位特征點(diǎn)的位置，根據(jù)圖像中提取的 最穩(wěn)定特征點(diǎn)采用最近/次近鄰距離匹配方法對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，利用已經(jīng)匹配的特征點(diǎn) 對(duì)求解基礎(chǔ)矩陣再進(jìn)一步解算本質(zhì)矩陣從而求解了無(wú)人機(jī)的姿態(tài)變換，此類方法是基于搜 尋像素多尺度局部信息極值，并形成特征點(diǎn)描述符從而進(jìn)行匹配的，對(duì)一定范圍內(nèi)的縮放、 光照、尺度變化具有一定的魯棒性，但是不適用于農(nóng)用無(wú)人機(jī)導(dǎo)航，由于農(nóng)田紋理特征極為 相似、大尺度的縮放和角度變化時(shí)容易出現(xiàn)誤匹配，另一方面，這些特征點(diǎn)提取算法能夠在 每幅圖像得到幾百甚至上千個(gè)特征點(diǎn)，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性難以保證，并且不利于進(jìn)行地理位 置等信息的直觀表述。因此，利用點(diǎn)特征等信息進(jìn)行農(nóng)用無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航存在諸多局限 性。
[0006] 為此，亟待提出一種針對(duì)農(nóng)田地形特征，實(shí)現(xiàn)精確、實(shí)時(shí)導(dǎo)航的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)上述導(dǎo)航方法導(dǎo)航精度低、易受信號(hào)干擾，計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性 難以保證等技術(shù)問題提出的一種基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法，基于農(nóng)田中因 作物分壟形成的紋理豐富、田間道路明顯，并利用這些紋理特征便于提取出直線的特點(diǎn)進(jìn) 行導(dǎo)航。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法， 主要包括以下步驟：
[0009] S1、對(duì)航拍的田間直線紋理特征進(jìn)行提取、并與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行直線匹配，所述基準(zhǔn) 圖像為目標(biāo)作業(yè)區(qū)的完整圖像；
[0010] S2、根據(jù)上述匹配結(jié)果求取農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)，過程如下：
[0011] 321、建立世界坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，標(biāo)定匹配直線1^、1^"1^(11>3);
[0012] S22、從圖像中檢測(cè)出匹配直線的對(duì)應(yīng)投影h、V"ln(n>3);
[0013] S23、建立相機(jī)坐標(biāo)系，描述投影直線的圖像坐標(biāo)；
[0014] S24、根據(jù)地面匹配直線與像平面上投影直線間的幾何關(guān)系，建立約束方程；
[0015] S25、求解約束方程得到農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)候選初始解；
[0016] S3、對(duì)上述農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)候選初始解進(jìn)行校正，并選取最優(yōu)解；
[0017] S4、剔除導(dǎo)航過程中出現(xiàn)的粗大誤差，進(jìn)而確定農(nóng)用無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，所述導(dǎo)航 數(shù)據(jù)為農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)終值。
[0018] 作為優(yōu)選，所述步驟S21中建立局部坐標(biāo)系時(shí)，為了減少噪聲的影響，選取像平面 上內(nèi)最長(zhǎng)的一條直線記為1:，對(duì)應(yīng)的空間直線為Q，以直線Q作為局部坐標(biāo)系的Xm軸，以地 平面內(nèi)與Xm軸垂直且指向的右方向作為局部坐標(biāo)系Ym軸，利用匹配直線近似位于同一地平 面的特點(diǎn)，建立的局部坐標(biāo)系Zm軸與世界坐標(biāo)系的Z"軸方向一致，將所有局部坐標(biāo)值在Zm 軸上的分量近似為零，降低了計(jì)算的復(fù)雜度，提高實(shí)時(shí)性。
[0019] 作為優(yōu)選，為了取得更為穩(wěn)定可靠的導(dǎo)航結(jié)果，利用無(wú)人機(jī)在飛行的過程中，無(wú)論 在角度上還是方向位移上不會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生極大的變化特點(diǎn)，所述步驟S4中剔除粗 大誤差采用3 〇準(zhǔn)則去除產(chǎn)生粗大誤差的結(jié)果，若當(dāng)前時(shí)刻位姿參數(shù)值超過誤差范圍，則 當(dāng)前時(shí)刻位姿參數(shù)值使用上一時(shí)刻的位姿參數(shù)值替代。
[0020] 作為優(yōu)選，所述步驟S1包括：S11、對(duì)航拍圖像進(jìn)行高斯濾波及圖像金字塔處理， 對(duì)不同尺度下的圖像進(jìn)行邊緣提取，提取的邊緣具有單像素特性，便于直線特征符的描述； S12、直線特征提取之后，利用尺度不變特征點(diǎn)描述符的匹配思想，對(duì)提取出的直線進(jìn)行局 部特征描述，并利用最近鄰距離比率的方法進(jìn)行匹配，該描述符對(duì)圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、光照 變化都具有魯棒性。
[0021] 作為優(yōu)選，對(duì)所述約束方程求解時(shí)采用最小二乘法和奇異值分解法，最小二乘法 通過將誤差最小化，實(shí)現(xiàn)最大程度地?cái)M合出真實(shí)數(shù)據(jù)的走向，提高計(jì)算精度，奇異值分解原 理中不涉及復(fù)數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)單，速度快。
[0022] 作為優(yōu)選，所述農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣R:,和平移向量T。
[0023] 作為優(yōu)選，所述步驟S3中對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)進(jìn)行校正時(shí)，先設(shè)定求得的旋 轉(zhuǎn)矩陣W和平移向量T與真實(shí)值相差A(yù)R和AT，將AR和AT作為對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)位姿參 數(shù)的修正，根據(jù)修正后的參數(shù)滿足直線上的點(diǎn)與相應(yīng)投影平面的法向量的點(diǎn)乘加權(quán)求和為 零，反求AR和AT，進(jìn)而對(duì)位姿參數(shù)校正。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：
[0025] 1、根據(jù)田間作物分壟以及農(nóng)田中道路形成的直線紋理清晰豐富等特征，提出根據(jù) 直線匹配進(jìn)行農(nóng)用無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的新思路，受外界環(huán)境約束較少，且不受電子信號(hào)干擾，該方 法適用于任何位置關(guān)系的直線。
[0026] 2、通過對(duì)直線紋理特征的提取與匹配，并基于平面直線特征建立局部坐標(biāo)系，使z 軸方向的坐標(biāo)值近似為零，降低了計(jì)算的復(fù)雜度，計(jì)算速度快、實(shí)時(shí)性好，對(duì)地面高度變化 的魯棒性好。
[0027] 3、利用3〇準(zhǔn)則去除導(dǎo)航過程中產(chǎn)生的粗大誤差，獲得更為穩(wěn)定可靠的導(dǎo)航結(jié) 果，提高了導(dǎo)航精度。
【附圖說明】
[0028] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029] 圖1為實(shí)施例中基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法流程圖；
[0030] 圖2為實(shí)施例中建立的坐標(biāo)系示意圖；
[0031] 圖3-1為基準(zhǔn)圖像直線提取結(jié)果示意圖；
[0032] 圖3-2為無(wú)人機(jī)導(dǎo)航過程中拍攝圖像的直線提取結(jié)果示意圖；
[0033] 圖4為直線匹配結(jié)果示意圖；
[0034] 圖5-1為剔除粗大誤差后位移誤差仿真結(jié)果圖；
[0035] 圖5-2為剔除粗大誤差后角度誤差仿真結(jié)果圖；
[0036] 圖6-1為實(shí)施例中導(dǎo)航方法位移誤差與直線條數(shù)的關(guān)系曲線圖；
[0037] 圖6-2為實(shí)施例中導(dǎo)航方法角度誤差與直線條數(shù)的關(guān)系曲線圖；
[0038] 圖7為實(shí)施例中導(dǎo)航方法計(jì)算時(shí)間不意圖；
[0039] 圖8-1為實(shí)施例中導(dǎo)航方法位移誤差與地面起伏的關(guān)系圖；
[0040] 圖8-2為實(shí)施例中導(dǎo)航方法角度誤差與地面起伏的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 本發(fā)明提出一種基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說 明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0042] 如圖1所示，為本實(shí)施例提供的基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法流程 圖，基于直線匹配的農(nóng)用無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航方法主要包括：步驟S1、對(duì)航拍的田間直線紋理 特征進(jìn)行提取、并與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行直線匹配，所述基準(zhǔn)圖像為目標(biāo)作業(yè)區(qū)的完整圖像；步驟 S2、根據(jù)上述匹配結(jié)果求取農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參數(shù)；步驟S3、對(duì)上述農(nóng)用無(wú)人機(jī)的位姿參 數(shù)進(jìn)行校正，并選