本发明专利技术属于无人机飞行控制与机器视觉交叉融合的技术领域，具体涉及一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法。所述方法建立大地坐标系、机体坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系、机体大地过渡坐标系，通过上述建立的坐标系之间的关系，根据目标的成像序列，进行目标的定位及目标跟踪的姿态角给定值和航线跟踪的姿态角给定值的计算，完成视觉伺服控制。本发明专利技术仅需使用单一固定相机对目标成像，通过控制无人机位姿，实现对机动目标的高精度连续定位跟踪，该方法无需跟踪云台和激光测距设备，有效地降低了载荷的体积和成本，提高了侦察的隐蔽性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人机飞行控制与机器视觉交叉融合的
，具体涉及一种无人 机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法。
技术介绍
与有人机相比，无人机具有体积小、造价低、机动灵活、使用方便和对环境条件要 求较低等诸多优点。从无人机诞生之日起，它就随着科学技术水平的不断提高而不断进步， 并已逐步被广泛应用于军用、民用、警用等众多领域，所执行的任务包括：目标侦察、跟踪监 视、目标打击、毁伤评估、抢险救灾、人员搜救、地形勘察等。无人机在人们的日常生活中的 功能、价值已崭露头角；在现代化战争中的作用、地位正逐步提高，已成为不可或缺的战术 武器，凭借战场零伤亡的独特优势，其成为未来战场的重要航空武器已毋庸置疑。因此近年 来，国内外无人机技术的发展势头十分迅猛。 机动目标的定位和跟踪是无人机侦察跟踪的重要功能之一。目标定位就是通过无 人机飞行参数和载荷信息，计算出目标点在大地坐标系下的坐标值；目标跟踪则是根据定 位信息，通过设计控制策略将机动目标始终锁定在无人机载荷视场之中，并计算得到目标 的运动信息。利用图像数据进行目标识别的技术已经日趋成熟，而如何利用目标识别的定 位结果设计伺服控制策略进行有效的目标跟踪仍是国内外无人机研究的热点和难点。 由于小型和微小型无人机载荷能力有限，侦察任务中一般使用无云台摄像机进行 成像侦察，摄像机本身没有跟踪能力，若要实现目标跟踪功能，需要利用图像信息设计控制 算法，控制无人机的位置和姿态将目标锁定在图像中心区域，实现基于视觉伺服的机动目 标的定位和跟踪。 本专利技术方法可在军事行动中，实现目标精确定位、监视跟踪和精确打击等任务；在 多机协作中，有利于协同完成任务；在灾难救援中，实现伤员快速救治等。因此，机动目标精 确定位跟踪有着重要的研究意义和广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提出了，通过对无人 机进行视觉伺服控制，将目标锁定在摄像机视场之中，达到精确目标定位和跟踪效果。 本专利技术的具体技术方案如下：第一步、确定无人机、GPS、惯性测量单元、摄像机等 设备状态，确定摄像机内参数和安装角度；定义光轴上单位向量i，由坐标系关系得到单位 向量在大地坐标系{G}下的表示，由飞机高度和共线成像原理求的光轴与地面交点A在 {G}下的表示，进而求得A在机体坐标系下的表示bPa; 第二步、根据侦察成像选择目标点，由目标点t在图像中的坐标值〇Xt，Vt)和摄像 机内参数，求出目标点在摄像机坐标系{C}下的坐标值ePt，结合摄像机安装位置、角度、飞 机当前经度、炜度、高度和姿态角，求出目标点在大地坐标系{G}的坐标再由地球模型 解算得到目标点经炜度，实现目标精确定位； 第三步、结合上次目标定位结果，根据时间间隔、飞机的飞行信息，得到目标当前 的运动状态，并估计机动目标下一时刻位置e君； 第四步、以图像中心九为机动目标在图像中的期望位置1p&，则目标在{G}下的期 望位置eP&为I，根据误差s ptl-s Pt*程求出姿态角给定值Θ t、（^和φ t; 第五步、由飞行航迹中飞机期望位置&汽()和飞机当前位置％。的误差A spB。，根据 横侧向控制律和纵向控制律分别求出姿态角给定值Φ4Ρ Θ P结合任务权重和第四步中 姿态角给定值，得到各姿态角总给定量，以此伺服控制无人机各相关舵面，实现目标定位跟 踪过程中稳定裕度最大化的视觉伺服控制。 有益效果：本专利技术仅需使用单一固定相机对目标成像，通过控制无人机位姿，实现 对机动目标的高精度连续定位跟踪，该方法无需跟踪云台和激光测距设备，有效地降低了 载荷的体积和成本，提高了侦察的隐蔽性。该方法普遍适用于无人机的目标定位跟踪系统， 尤其是载有固定摄像机的小型无人机和云台运动失效的无人机系统。该方法对无人机（和 其他类似执行机构）高精度目标定位跟踪具有重要的实际意义和有广阔的应用前景，对定 位新方法的开辟有一定的引导作用。【附图说明】 图1是无人机目标定位跟踪方法涉及的装置连接示意图； 图2是机动目标定位跟踪过程中所用各坐标系； 图3是地球模型下经炜度与坐标系表示关系示意图； 图4是无人机航迹飞行下动目标定位跟踪过程示意图。【具体实施方式】 下面结合附图，对本专利技术提出的一种基于视觉伺服的无人机机动目标定位跟踪方 法【具体实施方式】进行详细说明。 1无人机平台及坐标系定义 以侦察用无人机系统为例，本专利技术所涉及无人机平台包括飞行器子系统、飞行控 制计算机、图像处理计算机、摄像机等部分，飞行器子系统包含有惯性测量单元和GPS等设 备，用来测量无人机姿态和位置。主要装置连接示意图如图1所示。 机动目标定位跟踪过程中所用各坐标系如图2所示，各坐标系定义如下： 大地坐标系{G}:以无人机开始进行目标定位跟踪时刻，重心在地面的投影作为 全局固定不变的大地坐标系原点，X轴平行于经线，Y轴平行于炜线，Z轴垂直于Χ0Υ平面指 向地心。 机体坐标系{B}:以无人机重心为原点，固连在无人机上，X轴在无人机对称平面 内平行于设计轴线指向机头，Y轴垂直于无人机对称平面指向机体右侧，Z轴在对称平面内 垂直于X轴指向机身下方。 摄像机坐标系{C}:以摄像机光心为原点，X轴与Y轴分别平行于图像的纵向和横 向直线，Z轴为摄像机光轴，与图像平面垂直。定义摄像机光轴与{B}的Χ0Υ平面夹角为高 低角α，光轴在平面之上为正；光轴与{B}的Χ0Ζ平面夹角为方位角β，光轴在平面右侧为 正。 图像坐标系{1}:以图像左上角点为原点二维坐标系，X轴平行于图像最左侧纵向 像素连线，Y轴平行于横向像素连线，坐标值X和y分别表示像素的行数和列数。 机体大地过渡坐标系{GB}:以无人机重心为原点，X、Y、Z各轴平行于大地坐标系 {G}〇 无人机侦察飞行过程中，任意时刻机体坐标系{B}相对于大地坐标系{G}的位 姿表示，由飞机的经度、炜度、高度和姿态角唯一决定。根据大地坐标系{G}和机体坐标 系{B}的经度、炜度和高度，由图3所示地球模型可解得{B}原点在{G}下的坐标％。= OX。，、。，、。，，结合机体的俯仰角Θ、偏航角φ、滚转角φ可得{B}在{G}下的表示"ST和 {Β}在{G}下的表示|Τ : 由坐标系定义可以得出，{Β}在{GB}下的表示巧Τ和{Β}在{GB}下的表示^饮为： 摄像机坐标系{C}相对于{Β}的位姿由摄像机固定位置BPra= (BXa]，ByC(]，BZJT、i 前的高低角α和方位角β决定，当安装角度固定后，{C}在{B}下的表示固定不变：图像坐标系与摄像机坐标系关系由摄像机内参数确定，摄像机内参数包括图像中 心坐标、焦距f、比例因子λ等。由中心透视投影模型可知，图像 中心像素坐标在摄像机坐标系{C}下坐标表示为eP^nt= (0,0，f) τ，则{1}在{C}下的表 示为： 根据上述各坐标系之间的关系，可以方便地求出某一坐标系下任意点在其他坐标 系的坐标表示。 2机动目标精确定位 当无人机飞至侦察区域后，打开载荷摄像机开始进行侦察，记光轴与地面的交点 为A。根据上文所述各坐标系之间的关系，定义摄像机光轴线上单位向量i，则其在摄像机 坐标系{C}下的齐次坐标为'=(0,0, 1，1) τ，根据摄像机的位姿由公式（5)，可得机体坐 标系{Β}下的表示ΒΡ1:本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特征在于，所述方法应用无人机进行视觉伺服控制，将目标锁定在摄像机视场之中。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王立鹏，刘培强，周英伟，韩松，樊鹏辉，王小刚，杨超峰，
申请(专利权)人：中国航天时代电子公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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