基于多站測量的無人機高精度目標定位方法
【專利摘要】一種基于多站測量的無人機高精度目標定位方法，包括以下過程：確定無人機裝備衛星接收機、慣性測量單元、攝像機云臺、攝像機；在無人機起飛前，標定攝像機的內參數；在無人機飛行中，選擇感興趣的目標點，調節攝像機云臺的方位角和高低角，保證在設定的時間內，目標點在攝像機視場內；提取出不同時刻所拍攝圖像中目標同名點的坐標；計算出目標點在世界坐標系中的坐標
；將 轉換為經緯度和大地高，完成目標定位過程。本發明基于多目視覺的無人機目標定位方法不需要搭載光電偵察平臺，無需進行激光測距，有效的保證了自身安全，也降低了測量設備的成本。同時，該方法具有較高的定位精度，適用范圍廣，對高精度無人機目標定位領域具有重要的實際意義。
【專利說明】基于多站測量的無人機高精度目標定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高精度無人機無源目標定位，具體是一種基于多站測量的無人機 局精度目標定位方法。
【背景技術】
[0002] 無人機與載人飛機相比，具有體積小、造價低、使用方便、對環境要求低等優點。隨 著技術水平的提高，無人機已被廣泛應用于各個領域，包括偵察監視、搶險救災、地形勘測、 目標打擊等。目標定位是無人機重要功能之一，其目的為求取目標在大地坐標系下的H維 坐標。目前，高精度無人機目標定位已成為國內外無人機研究領域的熱點。
[0003] 無人機目標定位主要可分為有源定位和無源定位。有源定位W基于姿態測量/激 光測距定位模型為主，該種定位模型下，無人機需要裝備光電偵察平臺W完成目標跟蹤、激 光測距等功能。有源定位測量精度一般較高，但激光屬于可見光范疇，不利于自身的隱蔽， 同時配備光電偵察平臺成本開銷較大。無源定位通過攝像機采集目標圖像，利用圖像分析 算法獲取目標位置，主要有：基于圖像匹配模式的目標定位，該種方法利用可獲取的多源圖 像資源，在建立預先基準圖像條件下，將經過校正的無人機電視圖像與基準圖片進行匹配， 從而實現目標定位，該方法目標定位精度較高，但實時性差，且受數據獲取的限制，適用性 不高；基于成像模型的目標定位，是在獲取載體高程、攝像機焦距、攝像機外方位元素等參 數的條件下，利用共線條件方程計算地面目標與載體的相對位置。在實際使用中，該方法需 要假定待測目標區域為平坦地面，目標定位精度較低。
【發明內容】
[0004] 本發明提出了一種基于多目視覺的無人機高精度目標定位方法。通過對同一目標 點的多次觀測，達到類似于多目視覺定位測量的效果。
[0005] 本發明的技術方案是；一種基于多站測量的無人機高精度目標定位方法，其特征 在于，包括W下過程： 第一步、確定無人機裝備衛星接收機、慣性測量單元（IMU)、攝像機云臺、攝像機，其中 攝像機云臺能夠實現二自由度運動； 第二步、在無人機起飛前，標定攝像機的內參數； 第H步、在無人機飛行中，選擇感興趣的目標點，調節攝像機云臺的方位角和高低角， 保證在設定的時間內，目標點在攝像機視場內； 第四步、提取出不同時刻所拍攝圖像中目標同名點的坐標； 第五步、基于加權最小二乘估計的多站目標定位模型計算出目標點在世界坐標系中的 坐標(義r，巧； 第六步、W第一個測量點的地理坐標系作為世界坐標系，將轉換為經締度 和大地高，完成目標定位過程。
[0006] 所述的第二步中，標定攝像機內參數的具體標定方法包括W下步驟： (1) 準備攝像機標定祀標； (2) 利用攝像機拍攝不同方位的15幅圖像，確保獲取的圖像在視場各個范圍內均有分 布，同時攝像機的拍攝距離和祀標的放置角度要有充分變化； (3) 提取拍攝圖像的角點坐標，使用張正友標定方法標定攝像機內參數。
[0007] 本發明的技術效果是：本發明基于多目視覺的無人機目標定位方法不需要搭載光 電偵察平臺，無需進行激光測距，有效的保證了自身安全，也降低了測量設備的成本。同時， 該方法具有較高的定位精度，適用范圍廣，對高精度無人機目標定位領域具有重要的實際 意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發明所使用的無人機目標定位系統； 圖2是本發明攝像機標定祀標； 圖3是交叉目標定位方法示意圖； 圖4是多站目標定位方法7]^意圖； 圖5是坐標轉換流程圖。
【具體實施方式】
[0009] 本發明一種基于多站測量的無人機高精度目標定位方法，包括W下過程： 第一步、確定無人機裝備衛星接收機、慣性測量單元（IMU)、攝像機云臺、攝像機，其中 攝像機云臺可實現二自由度運動(方位旋轉和高低旋轉)。
[0010] 第二步、在無人機起飛前，使用本發明中的攝像機標定方法，確定攝像機的內參 數。
[0011] 第H步、在無人機飛行中，選擇感興趣的目標點，調節攝像機云臺的方位角和高低 角，保證一定時間內，目標點在攝像機視場內。
[0012] 第四步、提取出不同時刻所拍攝圖像中目標同名點的坐標。
[0013] 第五步、根據本發明中的基于加權最小二乘估計的多站目標定位模型計算出目標 點在世界坐標系中的坐標C又。
[0014] 第六步、W第一個測量點的地理坐標系作為世界坐標系，將（乂，轉換為經 締度和大地高，完成目標定位過程。
[0015] W下對上述流程進行進一步詳細說明。
[0016] 1系統構成與坐標定義 1. 1系統總體結構 本發明討論的無人機目標定位系統包括衛星接收機1、慣性測量單元（IMU) 2、攝像機 云臺3和攝像機4,攝像機4安裝在攝像機云臺3上，攝像機云臺3可實現二自由度運動(方 位旋轉和高低旋轉)，如圖1所示（IMU用來測量無人機姿態，衛星接收機用來獲取無人機位 置，攝像機云臺用來調整攝像機的指向）。攝像機云臺3和攝像機4采用吊艙式結構安放在 飛機上。在目標定位過程中，偵察視頻和遙測信息經數據鏈傳輸至地面站顯示，操縱手通過 操縱桿及其它指令控制攝像系統搜索偵察目標，當感興趣的目標出現在畫面上時，通過對 目標同名點的多次拍攝，結合飛機的姿態測量數據、衛星接收機1位置信息、攝像機云臺3 的方位角和高低角等數據，通過一系列的計算，獲取目標的H維坐標，完成定位過程。
[0017] 1.2坐標定義 首先，定義如下坐標系： (1)世界坐標系 也稱全局坐標系，本發明W無人機對目標定位時第一個測量點的地理坐標系為世界 坐標系。
[0018] (2)攝像機坐標系 攝影機坐標系的原點為攝像機光也，X軸與Y軸與圖像的X，Y軸平行，Z軸為攝像機光 軸，它與圖像平面垂直。
[001引 （3)圖像坐標系 圖像物理坐標系是W光軸與像平面的交點為原點（稱為圖像主點)，W實際物理尺度 (毫米、微米等)為單位的直角坐標系。其中X軸、Y軸分別與圖像像素坐標系的X、Y軸平行。
[0020] 圖像像素坐標系是W圖像左上角點為原點，W像素為坐標單位的直角坐標系。X、 Y分別表示該像素在數字圖像中的行數與列數。
[0021] 2無人機目標定位關鍵技術 2. 1攝像機內參數標定 攝像機標定實質上是確定攝像機內外參數的一個過程，其中內部參數的標定是指確定 攝像機固有的、與位置參數無關的內部幾何與光學參數，包括圖像中也坐標、焦距、比例因 子和鏡頭崎變等。無人機航拍搭載的傳感器一般為高分辨率大視場數碼攝像機，存在較為 明顯的鏡頭崎變，且無人機航拍過程中存在飛行平臺姿態不穩定W及發動機引起的機體振 動，同時為了滿足不同攝影環境還需要頻繁變焦。因此，為了提高定地目標定位的精度，攝 像機標定十分必要。
[0022] 攝像機內部參數包括線性變換參數和非線性崎變參數。線性變換是指經典的中也 透視模型，線性透視變換表達了圖像坐標系與攝像機坐標系的映射關系。成像過程不服從 中也透視模型的稱為攝像機的非線性崎變，由于透鏡設計的復雜性和工藝水平等因素的影 響，實際透鏡成像系統不可能嚴格滿足中也透視模型，產生所謂的鏡頭崎變，常見的如徑向 崎變、切向崎變、薄棱鏡崎變等，因而在遠離圖像中也處會有較大的崎變，在實際高精度攝 影測量中，尤其在使用廣角鏡頭時，應該采用非線性模型來描述成像關系。
[0023] 在攝像機成像中，理想像點（電J)應該服從中也透視投影模型，即物點、光也、像 點共線。但由于鏡頭崎變的存在，實際成像點（.rj'）與理想像點（戈J)不重合，它們之間 的差別稱之為像差。鏡頭崎變分為徑向崎變和切向崎變，考慮徑向崎變和切向崎 變的相差模型可由5個相差系數來描述：
【權利要求】
1. 一種基于多站測量的無人機高精度目標定位方法，其特征在于，包括以下過程： 第一步、確定無人機裝備衛星接收機、慣性測量單元GMU)、攝像機云臺、攝像機，其中 攝像機云臺能夠實現二自由度運動； 第二步、在無人機起飛前，標定攝像機的內參數； 第三步、在無人機飛行中，選擇感興趣的目標點，調節攝像機云臺的方位角和高低角， 保證在設定的時間內，目標點在攝像機視場內； 第四步、提取出不同時刻所拍攝圖像中目標同名點的坐標； 第五步、基于加權最小二乘估計的多站目標定位模型計算出目標點在世界坐標系中的 坐標(HD; 第六步、以第一個測量點的地理坐標系作為世界坐標系，將轉換為經緯度和大 地高，完成目標定位過程。
2. 根據權利要求1所述的基于多站測量的無人機高精度目標定位方法，其特征在于， 所述的第二步中，標定攝像機內參數的具體標定方法包括以下步驟： (1) 準備攝像機標定靶標； (2) 利用攝像機拍攝不同方位的15幅圖像，確保獲取的圖像在視場各個范圍內均有分 布，同時攝像機的拍攝距離和靶標的放置角度要有充分變化； (3) 提取拍攝圖像的角點坐標，使用張正友標定方法標定攝像機內參數。
【文檔編號】G01C11/00GK104501779SQ201510010637
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月9日 優先權日:2015年1月9日
【發明者】馬傳焱, 時荔蕙, 王春龍, 郝博雅, 孫宇翔, 高洪興 申請人:中國人民解放軍63961部隊