本發(fā)明涉及飛行器及無人機(jī)在農(nóng)田小區(qū)域作業(yè)時位置穩(wěn)定的技術(shù)應(yīng)用，特別涉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)：
隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，飛行器以及無人機(jī)在監(jiān)測農(nóng)田病蟲害、農(nóng)作物生長情況和農(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。而要實現(xiàn)這些要求，便需要飛行器在作業(yè)過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等三軸陀螺儀傳感器，增穩(wěn)系統(tǒng)主要是靠算法來處理指令信號和傳感器返回的反饋信號，并向飛行器相應(yīng)的執(zhí)行單元發(fā)送控制信號，使得飛行器能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下飛行。但是，對于數(shù)字增穩(wěn)系統(tǒng)，其電路搭建有時過于復(fù)雜，且傳感器信號容易受外界干擾，算法較為復(fù)雜，處理層次過多時易引起信號誤差較大。而對于多相機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)，現(xiàn)可利用圖像來確定飛行器的姿態(tài)，減小采樣和控制誤差，以提高控制精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，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)以實現(xiàn)飛行器周圍環(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，以此實現(xiàn)飛行器的增穩(wěn)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于多圖像的四旋翼飛行器增穩(wěn)系統(tǒng)，包括：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三個可控相機(jī)，在飛行器到達(dá)需求高度時，各個相機(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；設(shè)置在飛行器上的與所述三個可控相機(jī)連接的圖像處理器，圖像處理器對各個相機(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MeanShift算法分別跟蹤每個相機(jī)中所規(guī)定的目標(biāo)物；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算結(jié)果，以各個相機(jī)第一次拍攝的圖像為基準(zhǔn)，其后各個相機(jī)每個周期內(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，通過每一側(cè)不同拍攝周期的圖像對比，進(jìn)行飛行器的姿態(tài)和位置判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出信號控制飛行器的調(diào)整，達(dá)到姿態(tài)、位置反饋，反復(fù)此過程進(jìn)而實現(xiàn)飛行器的增穩(wěn)。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：步驟1：在飛行器前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)分別布置一個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，各個相機(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；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)位置選定三個目標(biāo)物，采用MeanShift算法來跟蹤每幅圖像中選定區(qū)域的目標(biāo)物；步驟3：以各個相機(jī)第一次拍攝的圖像為基準(zhǔn)，其后各個相機(jī)每個周期內(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，如果各幅圖像中三個目標(biāo)物的坐標(biāo)變化不超過預(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三個目標(biāo)物的坐標(biāo)同時變化，則認(rèn)為飛行器姿態(tài)發(fā)生變化，通過前后圖片的目標(biāo)物的位置差值，從而計算出飛行器姿態(tài)調(diào)整所需的控制量，以控制飛行器的姿態(tài)，保證飛行器穩(wěn)定；步驟4：根據(jù)步驟3的判斷結(jié)果，對飛行器進(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，直到當(dāng)前狀態(tài)圖像上的目標(biāo)物與各個基準(zhǔn)圖像上的目標(biāo)物滿足偏離誤差要求。所述步驟2中，應(yīng)用基于MeanShift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)位置選定三個目標(biāo)物，提取幀圖像的多種特征，得到顯著圖，即一幅和原始圖像大小相同的二維圖像，其中的每個像素值表示原圖像對應(yīng)點的顯著性大小，在此基礎(chǔ)上建立目標(biāo)模型的直方圖，然后運用MeanShift算法進(jìn)行跟蹤。所述步驟2中，分別在每個相機(jī)所捕獲的初始幀圖像中選取三個坐標(biāo)固定的目標(biāo)物，坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，假設(shè)目標(biāo)物初始位置在坐標(biāo)中心，通過分別比較三組視頻序列中目標(biāo)物坐標(biāo)位置的偏移量，從而判別飛行器的狀態(tài)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)提高穩(wěn)定精度，圖像采集方法的增穩(wěn)精度為像素級，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，且受傳感器限制，速度較慢的自身漂移無法監(jiān)測和矯正。(2)通過安裝多相機(jī)進(jìn)行圖像采集，處理器進(jìn)行圖像處理與飛行器控制，避免了對多種復(fù)雜電路的設(shè)計與使用。(3)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)致控制作用無法運行的可能。(4)使用多相機(jī)不會對原始周圍環(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。(5)器件種類少，數(shù)據(jù)傳輸可靠，精度較高，可適用于較復(fù)雜的環(huán)境。附圖說明圖1是本發(fā)明的飛行器及相機(jī)固定位置示意圖。圖2是本發(fā)明選取圖片時坐標(biāo)軸建立示意圖。圖3是本發(fā)明選取的基準(zhǔn)圖片，固定選區(qū)，三個框分別對應(yīng)左、前、右三個相機(jī)的圖像。圖4是本發(fā)明選取的姿態(tài)圖片1，追蹤選區(qū)，三個框分別對應(yīng)左、前、右三個相機(jī)的圖像。圖5是本發(fā)明選取的姿態(tài)圖片2，追蹤選區(qū)，三個框分別對應(yīng)左、前、右三個相機(jī)的圖像。圖6是本發(fā)明Meanshift算法流程示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。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、三臺相機(jī)和其他控制器。器件除相機(jī)外集中在飛行器中心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)上采用了四個旋翼1為飛行的基本動力源，四個旋翼1通過支架3連接在飛行器中心4。同時四個旋翼1兩兩對稱分布于機(jī)身的前后和左右四個方向，四個旋翼1位于同一水平高度，并且各個旋翼1的半徑和結(jié)構(gòu)都一樣，一組相對的旋翼1逆時針方向旋轉(zhuǎn)，另一組相對的旋翼1順時針方向旋轉(zhuǎn)，四個無刷電機(jī)2對稱分布于飛行器支架的末端，支架的中央交叉空間可以安放飛行姿態(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以相反方向旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，產(chǎn)生的空氣動力扭矩效應(yīng)以及陀螺效應(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)和原理可以看出，四軸飛行器及其多相機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單直觀，可靈活控制，是用于增穩(wěn)的最佳設(shè)備。本發(fā)明所述基于四軸飛行器的多相機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)由三個小型可控相機(jī)組成。多相機(jī)的圖像采集能力是本系統(tǒng)的必要條件，同時也是本系統(tǒng)的顯著特征。本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的兩軸舵機(jī)云臺來支撐和調(diào)節(jié)本發(fā)明所述系統(tǒng)。當(dāng)飛行器需要位置保持時，遙控器發(fā)出信號，各個相機(jī)接受指令開始進(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MeanShift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，每個相機(jī)顯著圖的坐標(biāo)設(shè)定如圖2所示。分別在每個相機(jī)所捕獲的某幀圖像中從左到右選取現(xiàn)實中的三個目標(biāo)物，每個相機(jī)的圖像的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，在此后每次拍攝后對初始目標(biāo)物進(jìn)行跟蹤得到新的三個目標(biāo)物坐標(biāo)。將同一相機(jī)所捕獲的目標(biāo)物前后坐標(biāo)信息進(jìn)行比較，從而判斷飛行器的位置變化。如圖3所示，該圖為初始圖像。與圖4對比，三個相機(jī)的圖像中的三個目標(biāo)物的坐標(biāo)y值均增大，結(jié)果說明整個飛行器水平高度增加了。與圖5對比，左側(cè)相機(jī)中的三個目標(biāo)物的坐標(biāo)y值均增大，前方相機(jī)的三個目標(biāo)物從左到右坐標(biāo)y值依次增大，不變，減小，右側(cè)相機(jī)的三個目標(biāo)物坐標(biāo)y值均減小，結(jié)果說明飛行器左側(cè)升高，右側(cè)降低，即飛行器發(fā)生向右的傾斜。根據(jù)比較結(jié)果控制器發(fā)出命令對飛行器進(jìn)行調(diào)整，如發(fā)生圖4結(jié)果時，控制飛行器的四個旋翼轉(zhuǎn)速同時降低，保證在高度降低的同時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如發(fā)生圖5結(jié)果時，控制飛行器左側(cè)相機(jī)處的旋翼轉(zhuǎn)速降低，右側(cè)相機(jī)處的旋翼轉(zhuǎn)速升高，前后旋翼轉(zhuǎn)速保持，從而調(diào)節(jié)飛行器的傾斜。在調(diào)整過程同時多相機(jī)實時采集圖像信息并進(jìn)行處理，反復(fù)調(diào)節(jié)，直至飛行器姿態(tài)穩(wěn)定。本發(fā)明增穩(wěn)方法，包括如下步驟：步驟1：在飛行器前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)分別布置一個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，各個相機(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)行外界圖像采集；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)位置選定三個目標(biāo)物，采用MeanShift算法來跟蹤每幅圖像中選定區(qū)域的目標(biāo)物；如何實現(xiàn)對目標(biāo)物的跟蹤，具體實現(xiàn)如下：(1)視覺模型構(gòu)建:本發(fā)明選取Itti視覺模型，它在特征提取階段，采用多個低層視覺特征，如顏色、強(qiáng)度、邊緣等，這些特征通過高斯濾波和Center-Surround算子(中心——周圍差分)形成各個特征的關(guān)注圖；然后將這些特征合成一幅顯著圖。(2)顯著圖的獲?。韩@取Itti顯著圖的步驟是：a，提取顏色、強(qiáng)度和邊緣特征；b，用高斯濾波器對顏色、亮度和邊緣特征圖像進(jìn)行濾波；c，“中心——周圍”差分(Centersurrounddifference)和歸一化，獲取顏色、強(qiáng)度和邊緣特征圖；d，對特征圖進(jìn)行融合及歸一化后，合成視覺顯著圖。為了滿足實時性的要求，本文主要采用顏色、強(qiáng)度和邊緣特征。(3)視覺特征提?。篴，獲取顏色特征圖HSV模型可以把彩色信息表示為三種屬性：色調(diào)(H)、飽和度(S)、亮度(V)，其中H表示顏色信息，即所處的光譜顏色的位置。通過顏色分量(H)可以提取出顏色特征，公式如下：H(c,s)＝|H(c)ΘH(s)|(1)其中：c∈[2,3],s＝c+δ,δ∈[3,4]c是中心標(biāo)度δ是中心—周圍差標(biāo)度s是周圍標(biāo)度Θ為操作算子H(c)第c級高斯顏色特征圖H(s)第s級高斯顏色特征圖H代表圖像中的色調(diào)，即色彩信息H(c,s)表示顏色特征圖b，獲取強(qiáng)度特征圖強(qiáng)度可以區(qū)分白色和黑色的邊緣，能夠增強(qiáng)兩者之間的顯著性，公式如下：I(c,s)＝|I(c)ΘI(s)|(2)其中：c∈[2,3],s＝c+δ,δ∈[3,4]c是中心標(biāo)度δ是中心—周圍差標(biāo)度s是周圍標(biāo)度Θ為操作算子I(c)第c級高斯強(qiáng)度特征圖I(s)第s級高斯強(qiáng)度特征圖I代表圖像中的亮度，即強(qiáng)度信息I(c,s)表示強(qiáng)度特征圖c，獲取邊緣特征圖邊緣特征是圖像的重要屬性之一，能夠勾劃出目標(biāo)的輪廓。構(gòu)造邊緣特征圖是構(gòu)造目標(biāo)模型的重要步驟之一，由如下公式求出：E(c,s)＝|E(c)ΘE(s)|(3)其中：c∈[2,3],s＝c+δ,δ∈[3,4]c是中心標(biāo)度δ是中心—周圍差標(biāo)度s是周圍標(biāo)度Θ為操作算子E(c)第c級高斯邊緣特征圖E(s)第s級高斯邊緣特征圖E代表圖像中的邊緣信息E(c,s)表示邊緣特征圖(4)生成視覺顯著圖：令顯著圖的標(biāo)度δ＝4,由式(1)、式(2)和式(3)分別獲得的顏色、強(qiáng)度和邊緣三個方面12張?zhí)卣鲌D，將每個方面的4個特征圖組合成特征顯著圖，分別為顏色特征顯著圖強(qiáng)度特征顯著圖邊緣特征顯著圖Itti在模型中定義了歸一化算子N(·)，來對每組特征圖進(jìn)行歸一化，分別由如下公式求得：式中：表示多個尺度下相應(yīng)的特征顯著圖經(jīng)線性插值調(diào)整到同一大小后相加，N()為Itti模型中定義的歸一化算子，分別將各個顯著圖的顯著值標(biāo)準(zhǔn)歸一化到(0,1)區(qū)間；然后將線性組合成視覺顯著圖。(5)目標(biāo)直方圖的建立及跟蹤原理：建立直方圖便于對捕捉到的圖像進(jìn)一步分析，相機(jī)獲取視頻后，在將初始幀圖像處理為顯著圖后選中視頻起始幀的跟蹤目標(biāo)，建立概率模型，在顯著圖計算中，減少了背景的干擾，更真實的反映跟蹤目標(biāo)的直方圖特性。公式如下：其中：k為核函數(shù)，m為特征空間中特征值的個數(shù)，δ為Kronecker函數(shù)，b(x1)為像素x1對應(yīng)的特征值，n為采樣點的個數(shù)，C為歸一化系數(shù)，h為核函數(shù)的帶寬，x0為目標(biāo)中心；偏移目標(biāo)y描述為：因此跟蹤目標(biāo)物的過程可以等效為尋找最優(yōu)的y，使得和最相似，它們之間的相似性用Bhattacharyya系數(shù)來度量，即為了更加逼近運動的目標(biāo)物，采用迭代算法進(jìn)行計算，公式如下：式中為新的目標(biāo)中心位置，其中wi為特征權(quán)值迭代過程就是不斷計算直至Bhattacharyya系數(shù)最大即定位為目標(biāo)的最終中心位置停止迭代；在每個控制周期內(nèi)進(jìn)行迭代，當(dāng)停止迭代時，即三個相機(jī)的每幅圖像都追蹤到了目標(biāo)物的新坐標(biāo)，通過計算每幅圖像的每個選定區(qū)的坐標(biāo)的的偏移量，判斷出飛行器的姿態(tài)狀態(tài)，從而計算給出對飛行器的姿態(tài)控制的調(diào)整量，以保證飛行器的增穩(wěn)。步驟3：以各個相機(jī)第一次拍攝的圖像為基準(zhǔn)，其后各個相機(jī)每個周期內(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，如果各幅圖像中三個目標(biāo)物的坐標(biāo)變化不超過預(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三個目標(biāo)物的坐標(biāo)同時變化，則認(rèn)為飛行器姿態(tài)發(fā)生變化，通過前后圖片的目標(biāo)物的位置差值，從而計算出飛行器姿態(tài)調(diào)整所需的控制量，以控制飛行器的姿態(tài)，保證飛行器穩(wěn)定；步驟4：根據(jù)步驟3的判斷結(jié)果，單片機(jī)接收處理器的判斷結(jié)果后對利用相應(yīng)算法對飛行器進(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，直到當(dāng)前狀態(tài)圖像上的目標(biāo)物與各個基準(zhǔn)圖像上的目標(biāo)物滿足偏離誤差要求。本發(fā)明需要將所得第一周期圖像作為基準(zhǔn)，其他均與其作比較分析，進(jìn)而判斷飛行器位置變化。本發(fā)明通過各個控制處理設(shè)備的多次運行工作進(jìn)行飛行器位置的不斷調(diào)整。即通過反復(fù)調(diào)整后實現(xiàn)飛行器的增穩(wěn)。需要說明的是，本方法是基于多相機(jī)，對相機(jī)的基本要求為：可以在兩軸平臺的輔助下完成對圖像的準(zhǔn)確采集，其各個指標(biāo)根據(jù)不同用途會有所不同。以上描述了本發(fā)明的基本原理、基本特征和基本的實施方案，并且這里通過了說明而不是限制的方式進(jìn)行了闡述。對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說，很顯然的是，在本質(zhì)上不脫離所附權(quán)利要求書限定的發(fā)明精神和范圍的前提下，可以做出許多其他實施案例。