本發(fā)明屬于微型飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態(tài)角自動(dòng)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
微型飛行器是一種遙控式的無人輕量級(jí)飛行器，由于其體積小、重量輕，在自然災(zāi)害探測(cè)、核生化探測(cè)、森林火災(zāi)探測(cè)、軍事偵察等危險(xiǎn)領(lǐng)域具有廣泛的運(yùn)用前景。但由于其載荷能力不足，搭載的工作設(shè)備有限，一般只搭載微型攝像機(jī)和無線傳輸裝置，并且在飛行過程中需要人為的遙控調(diào)整其飛行姿態(tài)。
微型飛行器自主飛行姿態(tài)調(diào)整，依賴于對(duì)飛行姿態(tài)的檢測(cè)。地平線(天地線)通常是提取飛行器姿態(tài)的基礎(chǔ)。目前比較常用的圖像地平線檢測(cè)方法有如下兩種：
一、利用自動(dòng)閾值分割和hough直線檢測(cè)方法，這種方法在天地背景較為清晰無噪聲的情況下成功率較高，但飛行采用無線信號(hào)傳輸，難免會(huì)受到干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，造成大量誤檢。
二、利用分類識(shí)別的方法，主要通過提取圖像sift特征描述子利用svm進(jìn)行訓(xùn)練和識(shí)別，這種方法需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并且硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，計(jì)算量大，不適合實(shí)時(shí)計(jì)算。
因此需要尋找一種檢測(cè)可靠、計(jì)算量小且易于硬件實(shí)現(xiàn)的方法，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的地平線檢測(cè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的正是為了實(shí)現(xiàn)微型飛行器的姿態(tài)的自動(dòng)校正，設(shè)計(jì)了一種基于前視攝像機(jī)成像、通過提取成像中的天地分界線即地平線的方法，適用于低成本無姿態(tài)測(cè)量裝置的微型飛行器平臺(tái)。
本發(fā)明提供了一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態(tài)角自動(dòng)檢測(cè)方法，微型飛行器安裝有前視攝像機(jī)，主要包含如下步驟：
步驟一，前視攝像機(jī)拍攝圖像，圖像中則包含天空和地面區(qū)域，同時(shí)圖像通過無線鏈路傳回地面控制站；
設(shè)定天地分割線在上述圖像中是一條直線；
步驟二，確定和飛行器姿態(tài)角有關(guān)的天地分割線的直線方程；
飛行器姿態(tài)角包括滾轉(zhuǎn)角φ和俯仰角θ；
步驟三、確定直線方程的最優(yōu)參數(shù)值的判別函數(shù)；
步驟四、確定遍歷角度范圍；其中，
首先，設(shè)定直線將天地面積均衡劃分，遍歷直線所有的角度空間，計(jì)算出判別函數(shù)值，并將判別函數(shù)值進(jìn)行從大到小的排序；
其次，排除不可能出現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)峰值的較低判別函數(shù)值，選取可能出現(xiàn)的角度范圍；
步驟五、遍歷步驟四中的角度范圍，將最優(yōu)取值的直線參數(shù)轉(zhuǎn)換為飛行器滾轉(zhuǎn)角φ和俯仰角θ。
本發(fā)明基于前視攝像機(jī)成像，通過圖像線性判別函數(shù)的參數(shù)尋優(yōu)計(jì)算，提取成像中地，平線的直線方程參數(shù)，計(jì)算飛行器滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，同時(shí)本文改進(jìn)和優(yōu)化了尋優(yōu)計(jì)算過程，大幅度減少了計(jì)算量，適用于低成本無姿態(tài)測(cè)量裝置的微型飛行器平臺(tái)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的姿態(tài)角檢測(cè)流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
需要說明的是，說明書附圖示出的數(shù)據(jù)僅僅是本發(fā)明驗(yàn)證試驗(yàn)的一個(gè)具體案例，其作用是為了便于描述本發(fā)明、并幫助理解本發(fā)明的精神，不能理解成是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。
在一下描述的實(shí)施例中，微型飛行器安裝有前視攝像機(jī)，優(yōu)選采用無人旋翼微型飛行器搭載普通可見光攝像機(jī)。本發(fā)明的一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態(tài)角自動(dòng)檢測(cè)方法主要包含如下步驟：
步驟一，前視攝像機(jī)拍攝圖像，圖像中則包含天空和地面區(qū)域，同時(shí)圖像通過無線鏈路傳回地面控制站。
設(shè)定天地分割線在上述圖像中是一條直線，該直線的斜率為m、截距為b。
步驟二，按照如下方法確定和飛行器姿態(tài)角有關(guān)的天地分割線的直線方程。
飛行器姿態(tài)角包括滾轉(zhuǎn)角φ和俯仰角θ，
飛行器滾轉(zhuǎn)角φ與直線斜率m存在反正切的關(guān)系：
φ＝tan-1(m)(1)。
采用σb表示直線下半部分像素區(qū)域所占整個(gè)圖像的百分比，在前視攝像機(jī)拍攝的矩形圖像中，為便于計(jì)算，假設(shè)攝像機(jī)經(jīng)過標(biāo)定后無畸變，則σb和俯仰角θ成線性關(guān)系。
由于俯仰角θ與像素比σb成線性關(guān)系，當(dāng)像素比σb＝50％時(shí)，圖像中天地區(qū)域平分，此時(shí)俯仰角為0度，當(dāng)像素比σb＝100％時(shí)，圖像都為地面區(qū)域，此時(shí)俯仰角θ為最大正值θmax，當(dāng)像素比σb＝0％時(shí)，圖像都為天空區(qū)域，此時(shí)俯仰角θ為最大負(fù)值-θmax[6]，因此由攝像頭測(cè)量的俯仰角θ計(jì)算如下：
θ＝(1-σb)θmax-σbθmax(2)。
因此本發(fā)明的直線方程采用滾轉(zhuǎn)角角度φ和像素比σb來表示，顯然，滾轉(zhuǎn)角角度φ和像素比σb參數(shù)取值范圍是
φ∈[-π/2,π/2]，σb∈[0％,100％]。
此時(shí)，直線方程從原來的參數(shù)空間(m,b)轉(zhuǎn)換為了(φ,σb)。
步驟三、由判別函數(shù)在上述參數(shù)空間中確定直線方程的最優(yōu)參數(shù)值。
本發(fā)明中，對(duì)于天空和地面區(qū)域的像素值，彩色圖像利用rgb數(shù)值判斷，灰度圖像則利用灰度值。
天空和地面像素大致服從高斯分布，有一條直線將圖像分成天和地兩部分，按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，那么兩個(gè)像素的區(qū)域均值的差別應(yīng)當(dāng)較大，同時(shí)兩個(gè)區(qū)域自身的差別應(yīng)當(dāng)較小，這里則采用兩者區(qū)域的自身協(xié)方差矩陣。設(shè)在直線之上的像素xis為天空區(qū)域，直線之下的
則兩者的協(xié)方差矩陣可表示為：
由于兩者各自的協(xié)方差計(jì)算可能出現(xiàn)0值，考慮不出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，加入特征向量的模值。因此判別函數(shù)j定義為兩個(gè)區(qū)域的協(xié)方差行列式加上特征值的模值。
因此，尋找最優(yōu)的函數(shù)定義為：
在參數(shù)取值范圍內(nèi)，通過遍歷所有參數(shù)，不斷計(jì)算判別函數(shù)j，取值最大時(shí)的(φ,σb)則為直線的方程。由于φ∈[-π/2,π/2]且σb∈[0％,100％]，因此采用i和j設(shè)定遍歷時(shí)的參數(shù)步長(zhǎng)，則有：
步驟四、確定遍歷角度范圍。
首先取σb＝50％，此時(shí)也即直線將天地面積均衡劃分，遍歷直線所有的角度空間，計(jì)算判別函數(shù)值，并將函數(shù)值進(jìn)行從大到小的排序。
其次，排除不可能出現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)峰值的較低判別函數(shù)值，選取可能出現(xiàn)的角度范圍，最后在整個(gè)空間搜索時(shí)，只遍歷這些角度范圍，可以大大減小搜索空間。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，選取前20％行數(shù)的判別函數(shù)值就能夠確定角度范圍。
基于公式(10)進(jìn)行判別函數(shù)參數(shù)最值搜索時(shí)，本發(fā)明沒有進(jìn)行全局遍歷i和j的方式，而是采用了預(yù)選峰值中可能出現(xiàn)的i和j值，也即可能出現(xiàn)的角度范圍，將不會(huì)出現(xiàn)峰值的區(qū)域提前排除掉，最后在整個(gè)空間搜索時(shí)，只遍歷這些可能出現(xiàn)的角度范圍，即可確保能找到最大值，減少了不必要的計(jì)算，同時(shí)免去了無用的搜索。
步驟五、遍歷步驟四中的角度范圍，將最優(yōu)取值(最大)的直線參數(shù)轉(zhuǎn)換為飛行器滾轉(zhuǎn)角φ和俯仰角θ。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
本發(fā)明不限于以上對(duì)實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明揭示的內(nèi)容，在本發(fā)明基礎(chǔ)上不必經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)所進(jìn)行的改進(jìn)和修改，都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。