校驗飛機定位方法
【專利摘要】本發明提供一種校驗飛機定位方法。該方法包括：校驗飛機根據獲取的跑道入口標志圖像，確定至少兩個特征點在圖像坐標系中的第一坐標；其中，跑道入口標志圖像由校驗飛機的機載攝像機獲取；校驗飛機根據第一坐標、預先獲得的第二坐標、以及校驗飛機的當前姿態信息，計算至少兩個特征點從世界坐標系變換至攝像機坐標系的平移向量；其中，第二坐標是至少兩個特征點在世界坐標系中的坐標；校驗飛機根據平移向量以及當前姿態信息獲得校驗飛機在世界坐標系中的第三坐標。從而實現校驗飛機的精確定位，并且為校驗飛機提供了在機場跑道附近通過視覺傳感器自主確定自身位置的能力，有效彌補了基于GPS的定位技術在精度、可靠性等方面的缺陷。
【專利說明】校驗飛機定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及飛行校驗技術，尤其涉及一種校驗飛機定位方法。
【背景技術】
[0002] 飛行校驗是為了保證飛行安全，使用裝有專業校驗設備的飛行校驗飛機，按照飛 機校驗的規范檢查評估導航、雷達、通信設備的空間信號的質量、容限以及機場的進港、離 港飛行程序，并根據檢查評估的結果出具飛行校驗報告的過程。飛行校驗的基本原理是將 校驗飛機飛行過程中采集的數據與基準數據作比對，以評估各項數據的誤差。其中，由定位 系統提供的空間基準坐標的精確度直接影響飛行校驗結果的精度和可靠性。
[0003] 目前，校驗飛機定位通常利用差分全球定位系統（DifferentialGlobal PositioningSystem,簡稱：DGPS)方法中的實時載波相位差分（Real-TimeKinematic,簡 稱：RTK)技術，可以得到厘米級精度的全球定位系統（GlobalPositioningSystem,簡稱： GPS)定位信息。
[0004] 但是，GPS作為民用導航系統存在著固有缺陷，如在復雜環境下衛星信號存在丟失 的可能，在高動態條件下跟蹤精度下降且信號容易失鎖等。因此，亟需提出一種新的校驗飛 機定位方法。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種校驗飛機定位方法，以實現校驗飛機的精確定位。
[0006] 本發明提供一種校驗飛機定位方法，包括：
[0007] 校驗飛機根據獲取的跑道入口標志圖像，確定至少兩個特征點在圖像坐標系中的 第一坐標；其中，所述跑道入口標志圖像由所述校驗飛機的機載攝像機獲取；
[0008] 所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲得的第二坐標、以及所述校驗飛機的當 前姿態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標系變換至攝像機坐標系的平移向量；其 中，所述第二坐標是所述至少兩個特征點在所述世界坐標系中的坐標；
[0009] 所述校驗飛機根據所述平移向量以及所述當前姿態信息獲得所述校驗飛機在所 述世界坐標系中的第三坐標。
[0010] 如上所述的方法，其中，所述確定至少兩個特征點在圖像坐標系中的第一坐標，包 括：
[0011] 所述校驗飛機通過邊緣檢測技術和直線檢測技術，提取所述跑道入口標志圖像邊 緣的多條直線；
[0012] 所述校驗飛機通過聚類算法對多條所述直線按照傾斜角聚類，得到第一類直線集 合和第二類直線集合；所述第一類直線集合中包含兩條第一直線；
[0013] 所述校驗飛機確定所述第二類直線集合中最靠近所述跑道入口標志圖像中心的 兩條第二直線；
[0014] 所述校驗飛機計算兩條所述第一直線與兩條所述第二直線的至少四個交點在所 述圖像坐標系中的坐標；其中，所述至少四個交點在所述圖像坐標系中的坐標為所述第一 坐標。
[0015] 如上所述的方法，其中，所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲得的第二坐標、 以及所述校驗飛機的當前姿態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標系變換至攝像機 坐標系的平移向量，包括：
[0016] 所述校驗飛機根據第一矩陣方程計算所述平移向量T;
[0017] 其中，所述第一矩陣方程為P1,i=SM1M2Piu=sMJRT]Piu;
[0018] 其中，i表示所述至少兩個特征點中的第i個特征點，Pti表示第i個特征點在所 述圖像坐標系中的齊次坐標，s表示未知常數，M1表示所述攝像機的內部已知參數矩陣，M2 =[RT]表示所述攝像機的外部參數矩陣，R表示根據所述當前姿態信息獲得的旋轉矩陣， T表示所述平移向量。
[0019] 如上所述的方法，其中，所述校驗飛機通過邊緣檢測技術和直線檢測技術，提取所 述跑道入口標志圖像邊緣的多條直線，包括：
[0020] 所述校驗飛機通過邊緣檢測技術中的羅伯茨Roberts算子提取所述跑道入口標 志圖像的邊緣，得到二值化的邊緣圖像；
[0021] 所述校驗飛機通過直線檢測技術中的Hough變換算法提取所述邊緣圖像的多條 直線，忽略長度短于第一預設閾值的直線，融合間距小于第二預設閾值的直線，得到所述跑 道入口標志圖像邊緣的多條直線；其中，所述第一預設閾值為所述第二預設閾值的3倍。
[0022] 如上所述的方法，其中，所述校驗飛機通過聚類算法對多條所述直線按照傾斜角 聚類，得到第一類直線集合和第二類直線集合，包括：
[0023] 所述校驗飛機通過所述聚類算法對多條所述直線按照傾斜角聚類；
[0024] 所述校驗飛機通過第一公式計算包含直線成員最多的直線集合中所有所述直線 成員的傾斜角平均值其中，所述第一公式為=Σ仍，式中，Gmax為所述包含所 述直線成員最多的直線集合，?為Gmax中的所述直線成員數量，供為中第i個直線成員的 傾斜角；
[0025] 所述校驗飛機計算各所述直線與所述傾斜角平均值的差值，將與所述傾斜角平均 值的差值接近90度的直線歸入所述第一類直線集合，將與所述傾斜角平均值的差值小于 第三預設閾值的直線歸入第二類直線集合。
[0026] 本發明提供的校驗飛機定位方法，通過校驗飛機根據獲取的跑道入口標志圖像， 確定至少兩個特征點在圖像坐標系中的第一坐標；其中，所述跑道入口標志圖像由所述校 驗飛機的機載攝像機獲取；所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲得的第二坐標、以及所 述校驗飛機的當前姿態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標系變換至攝像機坐標系 的平移向量；其中，所述第二坐標是所述至少兩個特征點在所述世界坐標系中的坐標；所 述校驗飛機根據所述平移向量以及所述當前姿態信息獲得所述校驗飛機在所述世界坐標 系中的第三坐標。從而實現校驗飛機的精確定位。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明校驗飛機定位方法實施例一的流程圖；
[0028] 圖2為本發明校驗飛機定位方法實施例一中確定第一坐標的方法流程圖；
[0029] 圖3為本發明跑道入口標志圖像的四個特征點的示意圖；
[0030] 圖4為本發明跑道入口標志圖像提取邊緣結果的示意圖；
[0031] 圖5為本發明對跑道入口標志圖像提取直線邊緣結果的示意圖；
[0032] 圖6為本發明為確定第二直線而建立的馬爾可夫隨機場示意圖；
[0033] 圖7為本發明直線邊緣圖像中需要確定的四個直線交點的示意圖。
【具體實施方式】
[0034] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0035] 圖1為本發明校驗飛機定位方法實施例一的流程圖。如圖1所示，本實施例提供 的方法具體可以包括：
[0036] 步驟101、校驗飛機根據獲取的跑道入口標志圖像，確定至少兩個特征點在圖像坐 標系中的第一坐標；其中，所述跑道入口標志圖像由所述校驗飛機的機載攝像機獲取。
[0037] 具體的，如圖2所示，本步驟中，所述校驗飛機在確定所述第一坐標時，具體可以 包括：
[0038] 步驟1011、所述校驗飛機通過邊緣檢測技術和直線檢測技術，提取所述跑道入口 標志圖像邊緣的多條直線。
[0039] 本步驟中，所述校驗飛機先通過邊緣檢測技術中的Roberts算子提取所述跑道入 口標志圖像的邊緣，得到二值化的邊緣圖像，再通過直線檢測技術中的Hough變換算法提 取所述邊緣圖像的多條直線，忽略長度短于第一預設閾值的直線，融合間距小于第二預設 閾值的直線，得到所述跑道入口標志圖像邊緣的多條直線；其中，所述第一預設閾值為所述 第二預設閾值的3倍。
[0040] 需要說明的是，所述第一預設閾值和所述第二預設閾值是根據實際情況設定的， 本實施例對此不進行限制。
[0041] 步驟1012、所述校驗飛機通過聚類算法對多條所述直線按照傾斜角聚類，得到第 一類直線集合和第二類直線集合；所述第一類直線集合中包含兩條第一直線。
[0042] 實際應用過程中，所述校驗飛機先通過所述聚類算法對多條所述直線按照傾斜角 聚類；再通過第一公式計算包含直線成員最多的直線集合中所有所述直線成員的傾斜角平 均值f;得到所述傾斜角平均值后，所述校驗飛機計算各所述直線與所述傾斜角平均值的 差值，將與所述傾斜角平均值的差值接近90度的直線歸入所述第一類直線集合，將與所述 傾斜角平均值的差值小于第三預設閾值的直線歸入第二類直線集合；其中，所述第一公式 為：歹=^-Σ識，式中，Gmax為所述包含所述直線成員最多的直線集合，~?為6_中的 Gmax仍印龍 所述直線成員數量，為中第i個直線成員的傾斜角。
[0043] 需要說明的是，所述第三預設閾值是根據實際情況設定的，本實施例對此不進行 限制。
[0044] 步驟1013、所述校驗飛機確定所述第二類直線集合中最靠近所述跑道入口標志圖 像中心的兩條第二直線。
[0045] 步驟1014、所述校驗飛機計算兩條所述第一直線與兩條所述第二直線的至少四個 交點在所述圖像坐標系中的坐標；其中，所述至少四個交點在所述圖像坐標系中的坐標為 所述第一坐標。
[0046] 步驟102、所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲得的第二坐標、以及所述校驗 飛機的當前姿態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標系變換至攝像機坐標系的平移 向量；其中，所述第二坐標是所述至少兩個特征點在所述世界坐標系中的坐標。
[0047] 需要說明的是，所述當前姿態信息可以為所述校驗飛機當前的各姿態角度，是由 所述校驗飛機自帶的儀表測得的，本實施例不關注所述當前姿態信息的獲取過程。
[0048] 具體的，所述校驗飛機可以根據第一矩陣方程計算所述平移向量T;其中，所述第 一矩陣方程為PI;i=SM1M2Piu=SM1[RT]Piu;其中，i表示所述至少兩個特征點中的第i個 特征點，Pti表示第i個特征點在所述圖像坐標系中的齊次坐標，s表示未知常數，M1表示 所述攝像機的內部已知參數矩陣，M2=[RT]表示所述攝像機的外部參數矩陣，R表示根據 所述當前姿態信息獲得的旋轉矩陣，T表示所述平移向量。
[0049] 可以理解的是，針對每個所述特征點，均可以得到一個所述第一矩陣方程，將至少 兩個所述第一矩陣方程聯立，即可解出所述第一矩陣方程中的未知常數s和所述平移向量T。
[0050] 步驟103、所述校驗飛機根據所述平移向量以及所述當前姿態信息獲得所述校驗 飛機在所述世界坐標系中的第三坐標。
[0051] 需要說明的是，所述平移向量即為所述校驗飛機上機載攝像機在所述世界坐標系 中的坐標，針對不同的實際應用情況，可以根據所述平移向量推算出所述校驗飛機上任一 點在所述世界坐標系中的第三坐標。
[0052] 本實施例的技術方案，通過校驗飛機根據獲取的跑道入口標志圖像，確定至少兩 個特征點在圖像坐標系中的第一坐標；其中，所述跑道入口標志圖像由所述校驗飛機的機 載攝像機獲取；所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲得的第二坐標、以及所述校驗飛 機的當前姿態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標系變換至攝像機坐標系的平移向 量；其中，所述第二坐標是所述至少兩個特征點在所述世界坐標系中的坐標；所述校驗飛 機根據所述平移向量以及所述當前姿態信息獲得所述校驗飛機在所述世界坐標系中的第 三坐標。從而實現校驗飛機的精確定位。
[0053] 下面以獲取四個特征點為例，對本發明提供的校驗飛機定位方法作進一步說明。
[0054] 首先，在校驗飛機起飛前，先由工作人員實際測量機場跑道入口標志圖像的四個 特征點，如圖3所示，獲得四個特征點在世界坐標系中的坐標Piu;(i= 1，2, 3,4)，并輸入所 述校驗飛機中，作為預先獲得的第二坐標。
[0055] 校驗飛機在機場跑道附近飛行，通過機載單目攝像機拍攝跑道入口標志圖像。通 過Roberts算子提取所述跑道入口標志圖像的邊緣，得到二值化的邊緣圖像，如圖4所示， 再通過Hough變換算法提取邊緣圖像的多條直線，忽略長度短于第一預設閾值的直線，融 合間距小于第二預設閾值的直線，得到跑道入口標志圖像邊緣的多條直線；如圖5所示。
[0056] 校驗飛機通過聚類（kmeans)算法對多條所述直線按照傾斜角聚類，以圖5為例， 圖5中有26條直線，上下兩條橫向直線傾斜角約為0度，其余堅直短直線傾斜角約為90 度。因此理想的聚類結果是聚為水平直線、堅直直線兩類。但考慮到由于透視形變、攝像機 成像失真等因素，跑道入口標志圖像中原本平行的線段在成像后未必保持平行關系，并且 kmeans算法聚類結果具有一定隨機性，因此本實施例中實際聚類結果可以聚為三類，第一 類的聚類中心可以為〇度，包含圖5中上下兩條橫向直線；第二類的聚類中心可以為89度， 包含圖5中24條堅直短直線中的20條；第三類的聚類中心為91度，包含圖5中剩余的4 條堅直短直線。
[0057] 校驗飛機找出包含直線成員最多的類別，即直線集合Gmax，本實施例中為第二類， 計算其包含的所有直線成員的傾斜角平均值歹；具體可以通過第一公式計算歹，其中，第一 公式為，Σ ，式中，Gmax為包含直線成員最多的直線集合，"為Gmax中的直線 成員數量，奶為中第i個直線成員的傾斜角。得到奇后，計算各直線與尹的差值，將差值小 于第三預設閾值Λth的直線歸入第二類直線集合G2，即G2 =·[/11奶-到<A1J;將差值接近 90度的直線歸入第一類直線集合G1,S卩，聚類結果中的第一類歸入G1，聚類結果中的第二類 和第三類歸入G2。
[0058]校驗飛機確定G2中最靠近跑道入口標志圖像中心的兩條第二直線Ia、lb。考慮到 確定兩條所述第二直線存在如下困難：一是由于所述第二直線與G2中其它直線具有基本 一致的形態，因此無法通過考察各條直線的形態特征確定所述第二直線；二是雖然所述第 二直線在G2中最靠近跑道入口標志圖像中心，但跑道入口標志圖像可能只在畫面中部分出 現，校驗飛機難以自動確定其中心位置，因此無法通過考察各條直線的絕對位置確定所述 第二直線。相對于上述兩點困難，所述第二直線還存在如下特性：其與周圍直線的相對位置 關系不同于G2中其它直線。基于上述考慮，本實施例通過考察G2中各條直線間的相互關系 確定所述第二直線。
[0059] 確定所述第二直線的具體方法為：以62中各條直線為節點，按照各直線的相 對位置關系建立鏈式馬爾可夫隨機場，如圖6所示。根據Hammersley-ClifTord定 理，馬爾可夫隨機場的概率分布可以被定義為如下Gibbs公式：= 其 中，1 = &1，\，\3，..4\)為所有1^個節點所取狀態值所組成的向量；其中， ￥表示節點 (vertex),C表示馬爾可夫隨機場中所有基團（clique)的集合；X。表示各個基團內部節點 的狀態值所組成的向量；非負實值函數於(Xe)是各個基團的勢函數；Z是規范化因子，又稱 為拆分函數，取值為z° JCC
[0060] 本實施例中，各節點的狀態空間均為{1，0}，標示著各節點所對應的直線是否屬于 所述第二直線。對于62中的每一條直線Ii，找出G2中與其距離最近的另外兩條直線1 "和 Ii2,計算Ii與Iii的距離dη、1^與Ii2的距離di2,dn>di2;令。由圖4可以看出，對于 跑道入口標志圖像提取直線邊緣得到的堅直短直線中，只有最靠近邊緣的兩條直線和最靠 近中心的兩條直線的^值接近2。令馬爾可夫隨機場中單節點基團的勢函數為：
[0061]
【權利要求】
1. 一種校驗飛機定位方法，其特征在于，包括： 校驗飛機根據獲取的跑道入口標志圖像，確定至少兩個特征點在圖像坐標系中的第一 坐標；其中，所述跑道入口標志圖像由所述校驗飛機的機載攝像機獲取； 所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲得的第二坐標、以及所述校驗飛機的當前姿 態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標系變換至攝像機坐標系的平移向量；其中，所 述第二坐標是所述至少兩個特征點在所述世界坐標系中的坐標； 所述校驗飛機根據所述平移向量以及所述當前姿態信息獲得所述校驗飛機在所述世 界坐標系中的第三坐標。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定至少兩個特征點在圖像坐標系 中的第一坐標，包括： 所述校驗飛機通過邊緣檢測技術和直線檢測技術，提取所述跑道入口標志圖像邊緣的 多條直線； 所述校驗飛機通過聚類算法對多條所述直線按照傾斜角聚類，得到第一類直線集合和 第二類直線集合；所述第一類直線集合中包含兩條第一直線； 所述校驗飛機確定所述第二類直線集合中最靠近所述跑道入口標志圖像中心的兩條 第二直線； 所述校驗飛機計算兩條所述第一直線與兩條所述第二直線的至少四個交點在所述圖 像坐標系中的坐標；其中，所述至少四個交點在所述圖像坐標系中的坐標為所述第一坐標。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述校驗飛機根據所述第一坐標、預先獲 得的第二坐標、以及所述校驗飛機的當前姿態信息，計算至少兩個所述特征點從世界坐標 系變換至攝像機坐標系的平移向量，包括 ： 所述校驗飛機根據第一矩陣方程計算所述平移向量T; 其中，所述第一矩陣方程為PI;i= sMJRT]Pw，i; 其中，i表示所述至少兩個特征點中的第i個特征點，PI;i表示第i個特征點在所述圖 像坐標系中的齊次坐標，s表示未知常數，1^表示所述攝像機的內部已知參數矩陣，M2=[R T]表示所述攝像機的外部參數矩陣，R表示根據所述當前姿態信息獲得的旋轉矩陣，T表示 所述平移向量。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述校驗飛機通過邊緣檢測技術和直 線檢測技術，提取所述跑道入口標志圖像邊緣的多條直線，包括： 所述校驗飛機通過邊緣檢測技術中的羅伯茨Roberts算子提取所述跑道入口標志圖 像的邊緣，得到二值化的邊緣圖像； 所述校驗飛機通過直線檢測技術中的Hough變換算法提取所述邊緣圖像的多條直線， 忽略長度短于第一預設閾值的直線，融合間距小于第二預設閾值的直線，得到所述跑道入 口標志圖像邊緣的多條直線；其中，所述第一預設閾值為所述第二預設閾值的3倍。
5. 根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述校驗飛機通過聚類算法對多條所 述直線按照傾斜角聚類，得到第一類直線集合和第二類直線集合，包括： 所述校驗飛機通過所述聚類算法對多條所述直線按照傾斜角聚類； 所述校驗飛機通過第一公式計算包含直線成員最多的直線集合中，所有所述直線成員 的傾斜角平均值_其中，所述第一公式為 1式中，G_為所述包含所述直
爐； 線成員最多的直線集合，為6_中的所述直線成員數量，供為中第i個直線成員的傾斜 角； 所述校驗飛機計算各所述直線與所述傾斜角平均值的差值，將與所述傾斜角平均值的 差值接近90度的直線歸入所述第一類直線集合，將與所述傾斜角平均值的差值小于第三 預設閾值的直線歸入第二類直線集合。
【文檔編號】G06T7/00GK104484870SQ201410690259
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】曹先彬, 單昊天, 任一存 申請人:北京航空航天大學