專利名稱：基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法
技術領域：
本發明涉及一種圖像處理技術領域的方法，具體公布了一種基于合作目標特征線 的無人機位姿估計方法。
背景技術：
在無人飛行器的導航和著陸導引中，應用最多的是利用GPS/SINS組合導航系統 結合高度表來完成。但是GPS受控于人，一旦GPS被關閉或者我們接收到的是誤碼，無人飛 行器就無法實現自主導航和著陸，甚至發生誤著陸導引導致無 人飛行器損毀，所以我們必 須擁有自主控制的導航和著陸導引系統。只有這樣才能滿足戰時的無人飛行器導航和全天 候自主精確著陸的要求。因此，為了提高我國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，有必要給我國的無人飛行器配備一套抗干擾能力強 且能獨立自主導航和著陸的導引系統。事實上，無人飛行器的全天候自主導航和著陸也是 目前世界上眾多國家迫切需要解決的關鍵問題之一。隨著圖像處理技術、光學攝像技術的發展，機器視覺導航技術已經成為無人機自 主導航領域研究的熱點。視覺導航技術是利用傳感器獲得圖像，通過圖像處理得到無人機 導航定位姿態參數，視覺傳感器具有輕便、低功耗、體積小等優點，此外，視覺導航可以解決 GPS受他國控制和易受干擾的潛在危險問題，且具有精度適中，成本低等優點。因此，本發明 提出了基于紅外合作目標的導航方法，以實現無人機的全天候自主精確著陸。
發明內容
本發明的目的在于提出了一種基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，通過 滅影點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，它們與攝像機的空間 姿態有著確定的關系來計算無人機的姿態信息。本發明是采取以下的技術方案來實現的一種基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，其特征在于包括以下步驟(1)對輸入的圖像進行圖像預處理得到合作目標的兩組平行線；(2)對提取的平行線分析計算出滅影線方程，得出滅影線的斜率，從而計算出無人 機的滾轉角；(3)根據圖像直接得到無人機的偏航角，將已知的四個點坐標代入無人機攝像機 坐標系和世界坐標系的關系方程計算出其余四個位姿參數。前述的基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，其特征在于在上述步驟 (1)中，首先用SObel邊緣檢測方法檢測出合作目標的邊緣，然后對邊緣進行輪廓鏈碼跟 蹤，提取出兩組平行線。本發明的技術效果如下本發明是一種圖像處理技術領域的方法，具體公布了一種基于合作目標特征線的 無人機位姿估計方法。它針對滅影點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，它們與攝像機的空間姿態有著確定的關系來計算無人機的姿態。實現了無人機位 姿信息的精確計算。
圖1為相關坐標系的關系；圖2為合作目標的兩組平行線；圖3偏航角示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明做進一步的詳細說明。如圖2所示，計算出合作目標兩組平行線的滅影線方程；然后，得到滅影線的斜 率，從而計算出滾轉角；如圖3所示得到無人機的偏航角；將已知的四個點坐標代入無人機 攝像機坐標系和世界坐標系的關系方程計算出其余四個位姿參數。如圖1所示，WCS是世界坐標系，原點建立在著陸圖標所在平面上一點，xw-yw面平 行于地面；CCS是攝像機坐標系，原點建立在光心，yc軸與光軸重合，XC-ZC平面平行于像平 面；ICS是圖像坐標系，原點位于攝像機坐標系(0，0，f)處(f是攝像機焦距)，是一個二維 坐標系。根據以上定義，可以得出著陸圖標上的點(XW，yW，zW)與其像面上的投影(xl，zl) 之間的轉換關系。其中世界坐標系和攝像機坐標系之間的關系如下
χ λ fx Λccs-wcs yc ^ R yw +T(D
\zc J VzW其中，T為三維平移向量，是世界坐標系原點在攝像機坐標系中的坐標。攝像機坐 標系和圖像坐標系之間的關系如下ICS-CCS = Tf0-^r'^i= Tq^(2)
^ C C旋轉矩 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、滾轉角和偏航角。設A= B E H。
CF I圖2中兩組平行線分別為Lll、L12與L21、L22，設兩組平行線在像面上成的滅影 點分別為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 接這兩點可得到該平面在像面上所形成的滅影線。設直線方程表示為Lllw = I^b1ζ = 0
(3)L21 :y = k2x+b2ζ = 0則根據滅影點的定義，取Lll上一點p(xp，yp，0)，有
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極限y —⑴，同時代入Xp = (yp-bD/X，得
<formula>formula see original document page 5</formula>同理，對于L21有
O + EOc2 D+ EVk1 ,連接以上兩點，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 得到滾轉角。然后將已知的四個點坐標代入無人機攝像機坐標系和世界坐標系的關系方程 (1)計算出其余四個位姿參數。以上已以較佳實施例公開了本發明，然其并非用以限制本發明，凡采用等同替換 或者等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，其特征在于包括以下步驟(1)對輸入的圖像進行圖像預處理得到合作目標的兩組平行線；(2)對提取的平行線分析計算出滅影線方程，得出滅影線的斜率，從而計算出無人機的滾轉角；(3)根據圖像直接得到無人機的偏航角，將已知的四個點坐標代入無人機攝像機坐標系和世界坐標系的關系方程計算出其余四個位姿參數。
2.根據權利要求1所述的基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，其特征在于 在上述步驟(1)中，首先用sobel邊緣檢測方法檢測出合作目標的邊緣，然后對邊緣進行輪 廓鏈碼跟蹤，提取出兩組平行線。
3.根據權利要求2所述的基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，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、滾轉角，f是攝像機焦距。
4.根據權利要求3所述的基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，其特 征在于在上述步驟(3)中，所述無人機攝像機坐標系和世界坐標系的關系方程為<formula>formula see original document page 2</formula>所述T為三維平移向量，是世界坐標系原點在攝像機坐標系中的坐標，<formula>formula see original document page 2</formula>分別是俯仰角、滾轉角和偏航角。
全文摘要
本發明公開了一種基于合作目標特征線的無人機位姿估計方法，其特征在于包括以下步驟(1)對輸入的圖像進行圖像預處理得到合作目標的兩組平行線；(2)對提取的平行線分析計算出滅影線方程，得出滅影線的斜率，從而計算出無人機的滾轉角；(3)根據圖像直接得到無人機的偏航角，將已知的四個點坐標代入無人機攝像機坐標系和世界坐標系的關系方程計算出其余四個位姿參數。本發明實現了無人機位姿信息的精確計算。
文檔編號G06T7/00GK101833761SQ20101015198
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年4月20日
發明者張勇, 徐貴力, 李文躍, 汪凌燕, 陳燕 申請人:南京航空航天大學