本发明专利技术涉及一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计方法，首先，前视与下视摄像机组成飞行器光流检测装置，实时采集前视和下视图像，分别计算前视和下视图像当前帧和前一帧之间对应多个特征点的光流值和其次，利用前视图像平移光流的分布特点及光流的解耦思想，计算飞行器的角速度，更新姿态角。再次，利用获得的角速度与获得下视图像平移光流。利用获得的姿态角，将各个特征点深度表征为飞行器离地高度的函数，建立新型平移运动估计方程，用UKF求解飞行器速度v。最终得到飞行器的六自由度运动估计。本发明专利技术适用于室内、低空或深空如火星探测飞行器的导航；涉及到的前视摄像机还可完成攻角、侧滑角的计算，障碍物规避等其他导航任务。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及，仅依靠视 觉传感器，实现了飞行器的六自由度实时运动估计，适用于室内、低空或深空如火星探测飞 行器的导航。
技术介绍
由于对传感器的成本、体积、重量的限制，视觉导航成为无人机导航的重要发展方 向。"光流"指的是由于观察者与外界环境的相对运动，在人眼或昆虫复眼的视网膜上形成 的一系列流动着的图像光强信息。运动场反映真实场景中的=维运动，光流场是运动场在 二维图像上的投影，光流蕴含着丰富的导航信息，可W由飞行过程中实时获取的图像序列 计算出光流值，从而分析与估计相机和环境的相对运动。 光流导航经过多年的发展，已经成功应用于固定翼或旋翼无人机，成为重要的辅 助导航或独立导航手段，可W实现无人机的自主避障、高度保持、自动着陆、目标检测和空 中悬停等导航任务。利用前视摄像机的光流避障成为常用的低空无人机避障手段，而下视 摄像机常作为运动估计或导航定位的手段。某些光流运动估计方法仅采用下视摄像机，再 利用惯性器件得到的角速度计算下视摄像机的平移光流，进行飞行器速度估计，但是巧螺 仪有漂移特性，导航时间长时精度会下降，并且没能充分利用周围环境的视觉信息。某些光 流运动估计方法仅利用下视摄像机完成六自由度运动参数的估计，准确度较低，特别是速 度估计易受到旋转运动的影响，当飞行器具有大幅度=维运动时，速度估计误差较大。还有 些基于光流的速度估计与导航定位方法，在二维情形下进行速度估计与定位，局限性较大， 并不能很好地应用于实际导航。前视摄像机比下视摄像机含有更丰富的信息，比下视摄像 机能更好地估计旋转运动，不仅可W完成避障的任务，更可W和下视摄像机结合完成飞行 器的姿态估计，或导航定位任务。 此外，现有的运动估计方程将每个特征点的深度作为状态量，每增加一个特征点 的光流值作为量测量，系统就会增加一维，计算量大。总之，现有的基于单独下视摄像机的 运动估计方法精确度较低，基于平飞假设的运动估计方法局限性较大，运动估计方程计算 量有待降低。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是；克服现有技术的不足，提供一种基于双摄像机的飞行 器光流检测装置的运动估计方法，利用基于前视和下视摄像机的光流检测装置，可W实现 飞行器的六自由度实时运动估计，能够最大限度的避免飞行器的=维旋转对速度估计的影 响，并利用一种维数较低的运动估计方程作为量测方程求取=维速度，减少计算量。 本专利技术的技术解决方案为；一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计 方法，通过下列步骤实现： (1)采用前视与下视摄像机组成飞行器光流检测装置，飞行过程中实时采集前 视和下视图像，分别计算前视和下视图像当前帖和前一帖之间对应多个特征点的光流值 戸/'。1"和戸細,,。；[000引 （2)利用前视图像平移光流分布特点和光流的解禪思想，建立非线性方程组求解 飞行器的角速度，进而更新姿态角； (3)利用获得的角速度计算下视图像旋转光流，再由计算下视图像平移光 流。利用获得的姿态角，将下视图像的各个特征点的深度表征为飞行器离地高度的函数，建 立新型平移运动估计方程，用UKF求解飞行器速度V; (4)在飞行器飞行过程中，不断重复（1)到（3)，直至导航结束。 本专利技术的原理是：光流场是运动场在二维图像上的投影，光流蕴含着丰富的导航 信息，可W由飞行过程中实时获取的图像序列计算出光流值，从而分析与估计相机和环境 的相对运动。前视图像的平移光流交于一点，利用光流的解禪思想可W用旋转光流代替平 移光流，进而求得飞行器的角速度和姿态角。将角速度传入下视摄像机的运动估计，得到下 视摄像机图像的平移光流作为量测量；将姿态角传入下视摄像机的运动估计，写出一种维 数较低的运动估计方程作为量测方程求取飞行器的=维速度。 本专利技术与现有技术相比的优点在于： (1)本专利技术通过前视与下视摄像机的结合，可W完成飞行器六自由度运动估计。 将基于前视光流信息的运动估计结果传入下视运动估计，避免了=维旋转对速度估计的影 响，提高了运动估计的精度，并且估计结果无漂移。将=维姿态用于深度的计算，适用于飞 行器的=维导航，具有很强的实用性。此外，本专利技术用到的前视摄像机可W同时进行避障和 运动估计，不需增加额外的设备，减少无人机的载荷。 (2)本专利技术设及到的新型运动估计方程不W特征点的深度作为状态量，降低了系 统维数。系统最少只有四个状态量，增加特征点只会增加量测信息，并不会增加系统维数， 降低了计算量，提高了运算速率。【附图说明】 图1为本专利技术的设计流程图；图2为本专利技术设及的摄像机安装方向及摄像机坐标系示意图； 图3为本专利技术设及的摄像机成像及图像坐标系示意图； 图4为本专利技术设及的前视图像平移光流交点示意图。【具体实施方式】 如图1所示，本专利技术的具体实现步骤如下： (1)飞行器机体安装了基于前视与下视摄像机的光流检测装置。前视摄像机的光 轴与飞行器纵轴平行，并使图像横坐标与飞行器横轴平行，采集正前方图像。下视摄像机的 光轴与前视摄像机光轴垂直，并使图像横坐标与飞行器横轴平行，采集正下方图像。摄像机 安装方向如图2所示。 在飞行器飞行过程中实时采集前视和下视图像，用基于特征点的金字塔LK算法 计算光流值。分别对前视和下视摄像机采集到的前一帖图像进行Harris角点检测，并计算 亚像素级角点位置。在特征点处对图像分块处理，并用金字塔LK算法计算前一帖图像和当 前帖之间特征点处的光流值和戸。 (2)惯性坐标系F。定义；惯性坐标系是与地球表面固连的坐标系，忽略地球的曲 率和转动，将当地东北天坐标系认为是惯性坐标系，且惯性坐标系是固定坐标系。 机体坐标系Fb定义；原点取在飞行器的质屯、，OXb轴与飞行器横轴重合，指向右侧 为正；OYb轴与飞行器纵轴重合，指向头部为正；OZb轴垂直于OXbYb平面，方向按右手坐标系 确定。 前视摄像机坐标系Fti定义；摄像机与飞行器固连，其坐标系的原点0与飞行器质 屯、重合，0右1轴与OXb轴重合，指向右侧为正；02。1轴与摄像机的光轴重合指向飞行器头部 为正；0Y。湘垂直于0《。占1平面，方向按右手直角坐标系确定。前视摄像机坐标系如图2所 /J、- 〇 图像坐标系及摄像机成像方式如图3所示。对应W上坐标系定义可W推导出对应 前视摄像机的光流运动估计方程。【主权项】1. ，其特征在于包括以下步 骤： (1) 采用前视与下视摄像机组成的飞行器光流检测装置，在飞行过程中飞行器光流检 测装置实当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采用前视与下视摄像机组成的飞行器光流检测装置，在飞行过程中飞行器光流检测装置实时采集前视和下视图像，并分别计算前视和下视图像当前帧和前一帧之间对应多个特征点的光流值和(2)利用前视图像平移光流分布特点和光流的解耦思想，建立非线性方程组求解飞行器的角速度，进而更新姿态角；(3)利用获得的角速度计算下视图像旋转光流，再由计算下视图像平移光流，利用获得的姿态角，将下视图像的各个特征点的深度表征为飞行器离地高度的函数，建立新型平移运动估计方程，用UKF求解飞行器速度v；(4)在飞行器飞行过程中，不断重复(1)到(3)，直至导航结束。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭雷，刘梦瑶，王岩，张霄，李晨阳，齐孟超，王俊逸，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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