一種基于多圖像的四旋翼飛行器增穩(wěn)系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及飛行器及無(wú)人機(jī)在農(nóng)田小區(qū)域作業(yè)時(shí)位置穩(wěn)定的技術(shù)應(yīng)用，特別設(shè)及 一種基于多圖像的四旋翼飛行器增穩(wěn)系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，飛行器W及無(wú)人機(jī)在監(jiān)測(cè)農(nóng)田病蟲(chóng)害、農(nóng)作物生長(zhǎng)情況和 農(nóng)田水利情況上的應(yīng)用愈加廣泛，在其采集農(nóng)田信息的基礎(chǔ)上，做到準(zhǔn)確施肥和噴灑農(nóng)藥， 降低成本、增加可靠性。而要實(shí)現(xiàn)運(yùn)些要求，便需要飛行器在作業(yè)過(guò)程中保持高度和姿態(tài)的 穩(wěn)定。目前，增穩(wěn)系統(tǒng)在小型飛行器的控制系統(tǒng)中起到越來(lái)越重要的作用。小型飛行器的 增穩(wěn)系統(tǒng)除了增穩(wěn)算法外，還要求物理系統(tǒng)的體積小、重量輕。目前數(shù)字式增穩(wěn)系統(tǒng)應(yīng)用較 多，數(shù)字式增穩(wěn)系統(tǒng)的構(gòu)成主要是單片機(jī)和外圍電路，外圍電路采用mpu6050等S軸巧螺 儀傳感器，增穩(wěn)系統(tǒng)主要是靠算法來(lái)處理指令信號(hào)和傳感器返回的反饋信號(hào)，并向飛行器 相應(yīng)的執(zhí)行單元發(fā)送控制信號(hào)，使得飛行器能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下飛行。但是，對(duì)于數(shù)字增穩(wěn)系 統(tǒng)，其電路搭建有時(shí)過(guò)于復(fù)雜，且傳感器信號(hào)容易受外界干擾，算法較為復(fù)雜，處理層次過(guò) 多時(shí)易引起信號(hào)誤差較大。而對(duì)于多相機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)，現(xiàn)可利用圖像來(lái)確定飛行器的姿態(tài)，減 小采樣和控制誤差，W提高控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多圖像的四旋翼 飛行器增穩(wěn)系統(tǒng)與方法，采用多相機(jī)W實(shí)現(xiàn)飛行器周?chē)h(huán)境的采樣，圖像處理后比較分析 得出飛行器位置及姿態(tài)變化進(jìn)而發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整指令，W此實(shí)現(xiàn)飛行器的增穩(wěn)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 陽(yáng)〇化]一種基于多圖像的四旋翼飛行器增穩(wěn)系統(tǒng)，包括：
[0006]分別布置在飛行器前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)的帶有紅外接收器的=個(gè)可控相機(jī)，在飛行 器到達(dá)需求高度時(shí)，各個(gè)相機(jī)利用紅外接收器接收遙控器的命令按照設(shè)定周期進(jìn)行圖像采 集；
[0007]設(shè)置在飛行器上的與所述=個(gè)可控相機(jī)連接的圖像處理器，圖像處理器對(duì)各個(gè) 相機(jī)采集的圖像進(jìn)行提取，每幅圖像中在固定坐標(biāo)位置選定目標(biāo)物，圖像處理器基于Mean Shift算法分別跟蹤每個(gè)相機(jī)中所規(guī)定的目標(biāo)物；
[0008]設(shè)置在飛行器上的與所述圖像處理器連接的單片機(jī)，單片機(jī)接收所述圖像處理器 的計(jì)算結(jié)果，W各個(gè)相機(jī)第一次拍攝的圖像為基準(zhǔn)，其后各個(gè)相機(jī)每個(gè)周期內(nèi)拍攝的圖像 的目標(biāo)物均與相應(yīng)的原始目標(biāo)物的坐標(biāo)位置進(jìn)行比較，通過(guò)每一側(cè)不同拍攝周期的圖像對(duì) 比，進(jìn)行飛行器的姿態(tài)和位置判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出信號(hào)控制飛行器的調(diào)整，達(dá)到姿 態(tài)、位置反饋，反復(fù)此過(guò)程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行器的增穩(wěn)。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種基于多圖像的四旋翼飛行器增穩(wěn)方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1:在飛行器前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)分別布置一個(gè)帶有紅外接收器的可控相機(jī)，在 飛行器到達(dá)需求高度時(shí)，各個(gè)相機(jī)利用紅外接收器接收遙控器的命令按照設(shè)定周期進(jìn)行圖 像義集；
[0011] 步驟2:每次采集的圖像傳輸至設(shè)置在飛行器上的圖像處理器，在每幅圖像中建 立二維直角坐標(biāo)系，并在固定坐標(biāo)位置選定S個(gè)目標(biāo)物，基于Mean Shift算法跟蹤每幅圖 像每個(gè)選區(qū)的目標(biāo)物；
[0012] 步驟3: W各個(gè)相機(jī)第一次拍攝的圖像為基準(zhǔn)，其后各個(gè)相機(jī)每個(gè)周期內(nèi)拍攝的 圖像的目標(biāo)物均與相應(yīng)的原始目標(biāo)物的坐標(biāo)位置進(jìn)行比較，如果各幅圖像中=個(gè)目標(biāo)物的 坐標(biāo)變化不超過(guò)預(yù)設(shè)的誤差值，則認(rèn)為飛行器穩(wěn)定懸停，即姿態(tài)未變化，如果某一幅圖像或 多幅圖像中的S個(gè)目標(biāo)物的坐標(biāo)同時(shí)變化，則認(rèn)為飛行器姿態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)前后圖片的 目標(biāo)物的位置差值，從而計(jì)算出飛行器姿態(tài)調(diào)整所需的控制量，W控制飛行器的姿態(tài)，保證 飛行器穩(wěn)定；
[0013] 步驟4 :根據(jù)步驟3的判斷結(jié)果，對(duì)飛行器進(jìn)行姿態(tài)控制，多相機(jī)與圖像處理反復(fù) 工作使飛行器不斷進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，直到與基準(zhǔn)各個(gè)目標(biāo)物滿足偏離誤差。
[0014] 所述步驟2中，應(yīng)用基于Mean Shift的目標(biāo)跟蹤算法，在每幅圖像中建立二維直 角坐標(biāo)系，并在固定坐標(biāo)位置選定=個(gè)目標(biāo)物，提取帖圖像的多種特征，得到顯著圖，即一 幅和原始圖像大小相同的二維圖像，其中的每個(gè)像素值表示原圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顯著性大小， 在此基礎(chǔ)上建立目標(biāo)模型的直方圖，然后運(yùn)用Mean Shi ft算法進(jìn)行跟蹤。
[0015] 所述步驟2中，分別在每個(gè)相機(jī)所捕獲的初始帖圖像中選取=個(gè)坐標(biāo)固定的目標(biāo) 物，坐標(biāo)分別為（xl，yl)、（x2，y2)和（x3，y3)，假設(shè)目標(biāo)物初始位置在坐標(biāo)中屯、，通過(guò)分別 比較=組視頻序列中目標(biāo)物坐標(biāo)位置的偏移量，從而判別飛行器的狀態(tài)。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0017] (1)提高穩(wěn)定精度，圖像采集方法的增穩(wěn)精度為像素級(jí)，而現(xiàn)有電子式增穩(wěn)系統(tǒng)受 電磁干擾、傳感器精度等影響精度為分米級(jí)，且受傳感器限制，速度較慢的自身漂移無(wú)法監(jiān) 測(cè)和矯正。
[0018] (2)通過(guò)安裝多相機(jī)進(jìn)行圖像采集，處理器進(jìn)行圖像處理與飛行器控制，避免了對(duì) 多種復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)與使用。
[0019] 做采用算法進(jìn)行飛行器控制，增加使用期限，減小因硬件損壞導(dǎo)致控制作用無(wú)法 運(yùn)行的可能。
[0020] (4)使用多相機(jī)不會(huì)對(duì)原始周?chē)h(huán)境的采集有所影響，減小因圖像等外界誤差導(dǎo) 致的飛行器誤操作。
[oow 妨器件種類(lèi)少，數(shù)據(jù)傳輸可靠，精度較高，可適用于較復(fù)雜的環(huán)境。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明的飛行器及相機(jī)固定位置示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明選取圖片時(shí)坐標(biāo)軸建立示意圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明選取的基準(zhǔn)圖片，固定選區(qū)，S個(gè)框分別對(duì)應(yīng)左、前、右S個(gè)相機(jī)的 圖像。
[00對(duì)圖4是本發(fā)明選取的姿態(tài)圖片1，追蹤選區(qū)，立個(gè)框分別對(duì)應(yīng)左、前、右立個(gè)相機(jī)的 圖像。 陽(yáng)0%] 圖5是本發(fā)明選取的姿態(tài)圖片2,追蹤選區(qū)，=個(gè)框分別對(duì)應(yīng)左、前、右=個(gè)相機(jī)的 圖像。
[0027]圖6是本發(fā)明Mean shift算法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[002引下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明所述四旋翼飛行器包括四軸飛行器、處理器、S臺(tái)相機(jī)和其他 控制器。器件除相機(jī)外集中在飛行器中屯、4,相機(jī)A、5裝在飛行器的前端，相機(jī)B、6裝在飛 行器的左側(cè)，相機(jī)C、7裝在飛行器的右側(cè)。四軸飛行器四軸在結(jié)構(gòu)上采用了四個(gè)旋翼1為 飛行的基本動(dòng)力源，四個(gè)旋翼1通過(guò)支架3連接在飛行器中屯、4。同時(shí)四個(gè)旋翼1兩兩對(duì)稱(chēng) 分布于機(jī)身的前后和左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼1位于同一水平高度，并且各個(gè)旋翼1的半徑 和結(jié)構(gòu)都一樣，一組相對(duì)的旋翼1逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，另一組相對(duì)的旋翼1順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)， 四個(gè)無(wú)刷電機(jī)2對(duì)稱(chēng)分布于飛行器支架的末端，支架的中央交叉空間可W安放飛行姿態(tài)控 制處理器、和傳感器及其它外部拓展的設(shè)備。由于兩組旋翼1 W相反方向旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行 器平衡飛行時(shí)，產(chǎn)生的空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)W及巧螺效應(yīng)均被相互抵消，因此，四軸飛行器能 夠抵抗一定的外部干擾，保證自身的穩(wěn)定及受遙控器的控制。從上述結(jié)構(gòu)和原理可W看出， 四軸飛行器及其多相機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀，可靈活控制，是用于增穩(wěn)的最佳設(shè)備。
[0030] 本發(fā)明所述基于四軸飛行器的多相機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)由=個(gè)小型可控相機(jī)組成。多相機(jī) 的圖像采集能力是本系統(tǒng)的必要條件，同時(shí)也是本系統(tǒng)的顯著特征。本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的兩 軸艙機(jī)云臺(tái)來(lái)支撐和調(diào)節(jié)本發(fā)明所述系統(tǒng)。
[0031] 當(dāng)飛行器需要位置保持時(shí)，遙控器發(fā)出信號(hào)，各個(gè)相機(jī)接受指令開(kāi)始進(jìn)行拍攝。 且相機(jī)設(shè)定有拍攝周期，采集到的圖像傳輸?shù)教幚砥髦?，進(jìn)行每張圖像的處理并利用Mean Shift算法跟蹤出每張圖像中所規(guī)定的目標(biāo)物。第一次拍攝后，左、右、前側(cè)圖像傳輸?shù)綀D像 處理器中進(jìn)行處理得到顯著圖并規(guī)定坐標(biāo)系，每個(gè)相機(jī)顯著圖的坐標(biāo)設(shè)定如圖2所示。分 別在每個(gè)相機(jī)所捕獲的某帖圖像中從左到右選取現(xiàn)實(shí)中的=個(gè)目標(biāo)物，每個(gè)相機(jī)的圖像的 坐標(biāo)分別為（xl，yl)，（x