專利名稱：基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體公布了一種基于合作目標(biāo)特征線 的無人機(jī)位姿估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在無人飛行器的導(dǎo)航和著陸導(dǎo)引中，應(yīng)用最多的是利用GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng) 結(jié)合高度表來完成。但是GPS受控于人，一旦GPS被關(guān)閉或者我們接收到的是誤碼，無人飛 行器就無法實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和著陸，甚至發(fā)生誤著陸導(dǎo)引導(dǎo)致無 人飛行器損毀，所以我們必 須擁有自主控制的導(dǎo)航和著陸導(dǎo)引系統(tǒng)。只有這樣才能滿足戰(zhàn)時(shí)的無人飛行器導(dǎo)航和全天 候自主精確著陸的要求。因此，為了提高我國(guó)無人飛行器抗干擾能力、解決GPS受制于人的 問題以及提高無人飛行器的生存能力，有必要給我國(guó)的無人飛行器配備一套抗干擾能力強(qiáng) 且能獨(dú)立自主導(dǎo)航和著陸的導(dǎo)引系統(tǒng)。事實(shí)上，無人飛行器的全天候自主導(dǎo)航和著陸也是 目前世界上眾多國(guó)家迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一。隨著圖像處理技術(shù)、光學(xué)攝像技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為無人機(jī)自 主導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。視覺導(dǎo)航技術(shù)是利用傳感器獲得圖像，通過圖像處理得到無人機(jī) 導(dǎo)航定位姿態(tài)參數(shù)，視覺傳感器具有輕便、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，此外，視覺導(dǎo)航可以解決 GPS受他國(guó)控制和易受干擾的潛在危險(xiǎn)問題，且具有精度適中，成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明 提出了基于紅外合作目標(biāo)的導(dǎo)航方法，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的全天候自主精確著陸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，通過 滅影點(diǎn)和滅影線在像面上的位置唯一地由該直線或平面的方向決定，它們與攝像機(jī)的空間 姿態(tài)有著確定的關(guān)系來計(jì)算無人機(jī)的姿態(tài)信息。本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟(1)對(duì)輸入的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理得到合作目標(biāo)的兩組平行線；(2)對(duì)提取的平行線分析計(jì)算出滅影線方程，得出滅影線的斜率，從而計(jì)算出無人 機(jī)的滾轉(zhuǎn)角；(3)根據(jù)圖像直接得到無人機(jī)的偏航角，將已知的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)代入無人機(jī)攝像機(jī) 坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系方程計(jì)算出其余四個(gè)位姿參數(shù)。前述的基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于在上述步驟 (1)中，首先用SObel邊緣檢測(cè)方法檢測(cè)出合作目標(biāo)的邊緣，然后對(duì)邊緣進(jìn)行輪廓鏈碼跟 蹤，提取出兩組平行線。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體公布了一種基于合作目標(biāo)特征線的 無人機(jī)位姿估計(jì)方法。它針對(duì)滅影點(diǎn)和滅影線在像面上的位置唯一地由該直線或平面的方向決定，它們與攝像機(jī)的空間姿態(tài)有著確定的關(guān)系來計(jì)算無人機(jī)的姿態(tài)。實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)位 姿信息的精確計(jì)算。


圖1為相關(guān)坐標(biāo)系的關(guān)系；圖2為合作目標(biāo)的兩組平行線；圖3偏航角示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖2所示，計(jì)算出合作目標(biāo)兩組平行線的滅影線方程；然后，得到滅影線的斜 率，從而計(jì)算出滾轉(zhuǎn)角；如圖3所示得到無人機(jī)的偏航角；將已知的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)代入無人機(jī) 攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系方程計(jì)算出其余四個(gè)位姿參數(shù)。如圖1所示，WCS是世界坐標(biāo)系，原點(diǎn)建立在著陸圖標(biāo)所在平面上一點(diǎn)，xw-yw面平 行于地面；CCS是攝像機(jī)坐標(biāo)系，原點(diǎn)建立在光心，yc軸與光軸重合，XC-ZC平面平行于像平 面；ICS是圖像坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于攝像機(jī)坐標(biāo)系(0，0，f)處(f是攝像機(jī)焦距)，是一個(gè)二維 坐標(biāo)系。根據(jù)以上定義，可以得出著陸圖標(biāo)上的點(diǎn)(XW，yW，zW)與其像面上的投影(xl，zl) 之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系如下
χ λ fx Λccs-wcs yc ^ R yw +T(D
\zc J VzW其中，T為三維平移向量，是世界坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。攝像機(jī)坐 標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間的關(guān)系如下ICS-CCS = Tf0-^r'^i= Tq^(2)
^ C C旋轉(zhuǎn)矩 陣 cos φοο^ψ- sin θ sin φ sin ψcos φ ηψ + sin θ sin φ cos ψ-cos6>sin^"
R = -cos^sinycos(9COS^sin(9 ,其中 θ、φ 禾口
sin 沴 cosy+ sin 汐 cos 沴 sin γsin ^ sin - sin θ cos φ cos ψcos ^ cos ^
A D G"
Ψ分別是俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角。設(shè)A= B E H。
CF I圖2中兩組平行線分別為L(zhǎng)ll、L12與L21、L22，設(shè)兩組平行線在像面上成的滅影 點(diǎn)分別為V1 (X1, Z1)(由Lll這組平行線得到)和V2 (χ2, ζ2)(由L21這組平行線得到)，則連 接這兩點(diǎn)可得到該平面在像面上所形成的滅影線。設(shè)直線方程表示為L(zhǎng)llw = I^b1ζ = 0
(3)L21 :y = k2x+b2ζ = 0則根據(jù)滅影點(diǎn)的定義，取Lll上一點(diǎn)p(xp，yp，0)，有
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極限y —⑴，同時(shí)代入Xp = (yp-bD/X，得
<formula>formula see original document page 5</formula>同理，對(duì)于L21有
O + EOc2 D+ EVk1 ,連接以上兩點(diǎn)，并將A-I表示的值代入，得滅影線方程χ □ sin Φ-ζ □ cos Φ -tan θ Df = O,由此可得滅影線斜率 k = tan Φ。則可 得到滾轉(zhuǎn)角。然后將已知的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)代入無人機(jī)攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系方程 (1)計(jì)算出其余四個(gè)位姿參數(shù)。以上已以較佳實(shí)施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換 或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟(1)對(duì)輸入的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理得到合作目標(biāo)的兩組平行線；(2)對(duì)提取的平行線分析計(jì)算出滅影線方程，得出滅影線的斜率，從而計(jì)算出無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角；(3)根據(jù)圖像直接得到無人機(jī)的偏航角，將已知的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)代入無人機(jī)攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系方程計(jì)算出其余四個(gè)位姿參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于 在上述步驟(1)中，首先用sobel邊緣檢測(cè)方法檢測(cè)出合作目標(biāo)的邊緣，然后對(duì)邊緣進(jìn)行輪 廓鏈碼跟蹤，提取出兩組平行線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于 在上述步驟(2)中，所述滅影線方程為x □ sinct-z □ cos (t-tan 0 □ f = 0 ；滅影線斜率 為k = tanct，其中0、小分別是俯仰角、滾轉(zhuǎn)角，f是攝像機(jī)焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特 征在于在上述步驟(3)中，所述無人機(jī)攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系方程為<formula>formula see original document page 2</formula>所述T為三維平移向量，是世界坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，<formula>formula see original document page 2</formula>分別是俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于合作目標(biāo)特征線的無人機(jī)位姿估計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟(1)對(duì)輸入的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理得到合作目標(biāo)的兩組平行線；(2)對(duì)提取的平行線分析計(jì)算出滅影線方程，得出滅影線的斜率，從而計(jì)算出無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角；(3)根據(jù)圖像直接得到無人機(jī)的偏航角，將已知的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)代入無人機(jī)攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系方程計(jì)算出其余四個(gè)位姿參數(shù)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)位姿信息的精確計(jì)算。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101833761SQ20101015198
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者張勇, 徐貴力, 李文躍, 汪凌燕, 陳燕 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)