專利名稱：無人機(jī)視覺導(dǎo)航中的飛行路線合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視覺導(dǎo)航領(lǐng)域，涉及一種無人機(jī)視覺導(dǎo)航中的飛行路線合成方法研究。
背景技術(shù)：
無人機(jī)(UAV)在軍事上和民用上的作用 日趨重要，先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)是決定無人機(jī)完成作戰(zhàn)任務(wù)、提高生存力的關(guān)鍵。近十年來，無論在定位、跟蹤還是在自主信息處理及無人機(jī)載荷方面的發(fā)展已取得重大進(jìn)展，如現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊和監(jiān)控技術(shù)等，此外，新的視覺感知和處理設(shè)備也已經(jīng)裝備到無人機(jī)上。目前廣泛使用的UAV導(dǎo)航手段為GPS導(dǎo)航，由于其使用的具有一定的環(huán)境局限性，后來出現(xiàn)了基于地形的導(dǎo)航方式(TRN)，通過載體攜帶有源傳感器(雷達(dá)、激光)或無源傳感器(相機(jī))實(shí)測地形與先驗(yàn)地形圖進(jìn)行匹配，它是根據(jù)環(huán)境信息(地形、標(biāo)記)確定載體的相對位置和速度。地形導(dǎo)航系統(tǒng)如地形等值線導(dǎo)航(TERCOM)、數(shù)字景像區(qū)域相關(guān)導(dǎo)航(DSMAC)還在使用。近些年來，大量的科研集中在無GPS的導(dǎo)航方法研究，如利用激光傳感器避障和室內(nèi)定位。由于視覺傳感器是無源的，而且在成本、重量、功率消耗和尺寸上的優(yōu)勢，成為替代GPS導(dǎo)航的首選。利用飛行載體的視覺信息導(dǎo)航方法最早是將地面載體的視覺導(dǎo)航方法引入，如基于圖像算法是去找和跟蹤預(yù)先存儲的路標(biāo)。在載體飛行前，通過規(guī)劃好的路線，預(yù)先把路標(biāo)和位置信息存儲在數(shù)據(jù)庫里。在載體飛行時(shí)，通過機(jī)載像機(jī)觀察的特征與數(shù)據(jù)庫中的路標(biāo)相比較，當(dāng)匹配成功后，載體相對于路標(biāo)的位置和姿態(tài)信息就能被估計(jì)出來，從而得到導(dǎo)航參數(shù)。但是，它需要預(yù)告的路標(biāo)及位置信息的確定，而很多應(yīng)用場合沒有預(yù)先觀測信息或者預(yù)告觀測信息發(fā)生重大變化。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要無人機(jī)深入未知復(fù)雜環(huán)境去完成探測、監(jiān)視、跟蹤或攻擊任務(wù)，無法預(yù)先認(rèn)為設(shè)置地面控制點(diǎn)。因此，研究不受先驗(yàn)信息約束的、自主尋找自然地標(biāo)進(jìn)行視覺導(dǎo)航誤差校正的導(dǎo)航方法是保障復(fù)雜未知環(huán)境下無人機(jī)順利執(zhí)行任務(wù)的前提。未知環(huán)境中導(dǎo)航算法如二維SLAM算法，是同時(shí)定位和繪圖的方法，根據(jù)測量特征及位置信息，估計(jì)未知環(huán)境中導(dǎo)航參數(shù)，盡管SLAM算法比較高效，但是對于UAV(計(jì)算受限情況)應(yīng)用來說，有兩個(gè)瓶頸，首先視覺SLAM算法需要觀測目標(biāo)被跟蹤一段時(shí)間，其次，隨著路標(biāo)的增加，SLAM算法的計(jì)算量與計(jì)算時(shí)間增加巨大。還有一些方法對特定的自然路標(biāo)提取其不變特征點(diǎn)，利用特征點(diǎn)聚類的方法來識別判斷路標(biāo)。這類方法具有較強(qiáng)的魯棒性，能應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境中，是自然路標(biāo)導(dǎo)航的發(fā)展方向，但一般計(jì)算量也較大，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求目。SIFT算法具有良好的尺度、旋轉(zhuǎn)、光照以及三維視角的不變性，因而SIFT特征點(diǎn)具有很好的區(qū)分性，很適合用于圖像特征匹配。由于飛行器的飛行導(dǎo)致圖像序列中的某些特征某一時(shí)刻進(jìn)入圖像，某一時(shí)刻又走出圖像，所以要利用這些圖像特征解算出的位置信息，合成載體飛行路線并與慣導(dǎo)位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲得優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)航參數(shù)。因此，本發(fā)明研究的無人機(jī)視覺導(dǎo)航中路線合成方法，正是為了適合中小型無人機(jī)的高定位精度、微型化及低成本的特點(diǎn)，具有理論與實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明重點(diǎn)研究無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行路線合成問題。在利用圖像特征匹配獲得導(dǎo)航信息的同時(shí)，有個(gè)問題不能忽視，那就是無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)問題，即無人機(jī)高度及角度的變化影響。本發(fā)明提出利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的歐拉角和角速度補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，然后根據(jù)圖像中路標(biāo)的運(yùn)動軌跡合成一個(gè)完整的基于視覺信息的飛行路線。即利用自然路標(biāo)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的圖像(像素位移)坐標(biāo)變換關(guān)系解算出無人機(jī)的位置信息。具體的研究方案如圖I所示。主要內(nèi)容如下I)無人機(jī)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)補(bǔ)償2)飛行路線的合成


·圖I是本發(fā)明的研究方案圖。圖2是飛行路線特征點(diǎn)示意圖。
具體實(shí)施例方式主要環(huán)節(jié)的具體設(shè)計(jì)思路如下(I)無人機(jī)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)補(bǔ)償無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對圖像中特征點(diǎn)位移有影響。所以在特征點(diǎn)位置信息后，要去除旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的歐拉角(θ，Φ)和角速度(ωχ，coy，ωζ)，基于公式⑴和公式(2)。
「 ^ I Xtl =X1 -(/ tan^)I^(I)
[y, =yl-(ftanφ)
^ = ^ 丄ωγ+γ,ωζ)r\(2)
y\ = y,^y' ωχ-^(Oy-XlWz)其中f為相機(jī)焦距，O,')為圖像特征位移速度。I)飛行路線的合成利用視覺信息確定出自然路標(biāo)的位置信息后，提出根據(jù)圖像中路標(biāo)的運(yùn)動軌跡合成一個(gè)完整的基于視覺信息的飛行路線。即利用自然路標(biāo)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的圖像(像素位移)坐標(biāo)變換關(guān)系解算出無人機(jī)的位置信息。其特征點(diǎn)示意圖2所示。步驟I :圖像坐標(biāo)系下的位置解算。圖2中的三個(gè)子圖分別表示了以舊特征點(diǎn)(三角特征)為中心、舊的特征移出圖像及新的特征(圓型特征)移進(jìn)圖像，及以新特征為中心的圖像位移過程。則在圖像坐標(biāo)下，t時(shí)刻圖像序列總的位移是t時(shí)刻圖像上各特征點(diǎn)位移的和，如公式(3)所示。
權(quán)利要求
1.一種無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行路線合成方法。其特征在于(I)解決無人機(jī)高度及角度的變化影響；(2)利用自然路標(biāo)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的圖像(像素位移)坐標(biāo)變換關(guān)系解算出無人機(jī)的位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行路線合成方法，其特征在于，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的歐拉角和角速度補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)效，解決無人機(jī)高度及角度的變化影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行路線合成方法，其特征在于，無人機(jī)位置信息的合成方法是基于光流原理，由特征點(diǎn)像素位移、相機(jī)焦距、特征點(diǎn)與載體間距離的關(guān)系解算，并由kalman濾波合成飛行路線。
全文摘要
本發(fā)明研究一種無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行路線合成方法。在利用圖像特征匹配獲得導(dǎo)航信息的同時(shí)，無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)問題不能忽視。本發(fā)明提出利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的歐拉角和角速度補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，然后根據(jù)圖像中路標(biāo)的運(yùn)動軌跡合成一個(gè)完整的基于視覺信息的飛行路線。即利用自然路標(biāo)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的圖像(像素位移)坐標(biāo)變換關(guān)系解算出無人機(jī)的位置信息。本發(fā)明研究的無人機(jī)視覺導(dǎo)航中路線合成方法，正是為了適合中小型無人機(jī)的高定位精度、微型化及低成本的特點(diǎn)，具有理論與實(shí)用價(jià)值。
文檔編號G01C21/20GK102788580SQ20121020403
公開日2012年11月21日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者成怡 申請人:天津工業(yè)大學(xué)