一种植保无人机定高技术制造技术

本发明专利技术公开了一种植保无人机定高技术，具体步骤如下：步骤1，利用无人机挂载的摄像机向前侧拍摄图片序列；步骤2，对拍摄图片进行特征点提取；步骤3，使用SAD算法对提取的特征点进行特征点匹配；步骤4，交叉定位；根据匹配的同名点对集合和飞机的位置、姿态以及摄像机的角度，计算各个同名点的三维坐标；步骤5，基于上述的定位方法，对同名目标点的多次测量，建立基于加权最小二乘估计的多站定位模型；本发明专利技术公开的技术具有较好的抗干扰能力，设备简单，价格低廉；只需要在普通植保无人机上挂载一个摄像设备即可实现无人机定高，便于部署，具有较大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种植保无人机定高技术
本专利技术属于农业
，具体而言，涉及一种植保无人机定高技术。
技术介绍
近年来，农用植保无人机被广泛应用，对于水田、丘陵、山地等这些地面施药机械以及固定翼有人驾驶飞机无法施展的地区，植保无人机有着独特的优势。无人机在作业过程中需要始终与农作物保持1～2米的相对高度，以保证农药的均匀和高效喷洒。但在实际作业过程中，经常会遇到农田起伏不平整的情况，天气、光照等因素也对植保无人机定高影响很大，因此，一个合理的定高方案就显得尤为重要。目前的定高方案主要有GPS、气压计、超声波以及激光测距等。GPS获取的是相对海拔高度，误差大且刷新慢；气压计获取的是绝对高度，不是飞机到农作物间的距离，且气压、风等外界因素导致测高不准；超声波测高容易穿透植被，且受温度、压力影响较大，抗干扰能力稍差；激光测距方式精度高、抗干扰能力强，但是设备价格昂贵，不适合广泛使用。这些传统定高方案有较大的局限性，带来的后果是植保无人机在作业过程中漏喷、重喷，影响喷洒效果，甚至因掉高导致炸机事故。因此提出一个合理的、适用性广的植保无人机的定高方案十分必要。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术公开了一种植保无人机定高技术，该技术是基于立体视觉技术，其中立体视觉技术能够重构成像区域的深度信息，从而为基于视觉的无人机定高提供了理论基础和途径，本专利技术在无人机上安装单目相机，从数据精度和计算实时性两个方面综合考虑，选择准稠密匹配进行三维重建，从而确保植保无人机的准确定高。本专利技术是这样实现的，一种植保无人机定高技术，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，利用无人机挂载的摄像机向前侧拍摄地面景物，并等时间间隔保存图片序列；这样做的目的是考虑到采集、传输图像以及计算均需消耗时间，为了保证定高数据的及时更新，故采用摄像机前视的策略；步骤2，对拍摄的当前图片帧进行特征点提取；步骤3，从保存的图片序列中逆向提取n帧图片，使用SAD算法对提取的特征点进行特征点匹配；步骤4，若n＝2，使用交叉定位；根据匹配的同名点对集合、飞机的位置、姿态以及摄像机的角度，计算各个同名点的三维坐标；步骤5，若n>2，使用基于加权最小二乘估计的多站定位，计算各个同名点的三维坐标。进一步，所述的步骤2的具体步骤如下：2.1，采用SILC图像分割算法，对第k帧图像进行超像素分割，并计算每个区域块的质心坐标，获取点集合I1；2.2，利用Harris角点检测提取第k帧图像的角点坐标，获取点集I2，并融合I1和I2，得到待配特征点集Ip。进一步，所述的步骤3的具体步骤如下：3.1，特征点周边选取一个N×N区域作为模板；3.2，然后在第k-1帧图像中找到该模板的匹配，其中搜索区域限定在(Nsearch×Nsearch)特征点周围区域；匹配的相似性度量是用下式表示：SAD(dx,dy)＝∑|template(x,y)-imagek(x+dx,y+dy)|式中，x，y为特征点的坐标，dx，dy为相对x，y的坐标偏移；3.3，改变搜索窗中心点位置，以最大限度的减少相似性度量，当相似性度量最小时，该点即为匹配点；进一步，所述的步骤4的具体步骤为交叉定位，具体如下：设空中C1和C2两个点对地面目标摄影，地面目标点P在左右相片上的像点为p1和p2；显然，同名射线C1p1和C2p2相交于地面目标点P；根据中心透视投影成像关系，可以推导出C1和C2的成像共线方程分别为：其中，(xi,yi),i＝1,2为P点实际成像点坐标；(Fx,Fy)为等效焦距；(Cx,Cy)为像主点坐标；为P点在Ci摄站摄像机坐标系下的坐标；根据摄像机坐标系与世界坐标系的相对位姿关系，可得：其中，(X,Y,Z)为目标点在世界坐标系中的坐标，r0～r8为世界坐标系与摄像机坐标系姿态一致而需要的旋转矩阵分量；Tx，Ty，Tz代表将世界坐标系原点移到摄像机坐标系原点的平移量；以第一个测量点的地理坐标系作为世界坐标系，则第一次测量点Tx＝Ty＝Tz＝0，第二个测量点的Tx，Ty，Tz的值通过卫星定位接收机两次定位差值计算出；通过惯性测量单元和摄像云台，获取飞机偏航角φ、俯仰角γ、横滚角θ以及摄像机的方位角α和高低角β，可得：联立以方程，可解出点P的坐标(X,Y,Z)。进一步，所述的步骤5具体如下：无人机在预定航迹的飞行过程中，对目标点进行n(n>2)次摄像，获取n张图像；则根据共线方程，有Z＝H(S)其中：Z＝[x1y1...xnyn]T，S＝[X,Y,Z]T将上式在初值处进行一阶泰勒展开，可得：Z＝H(S0)+B·(S-S0)+Δn其中：令U＝Z-H(S0)V＝S-S0因此，U＝BV+Δn根据最小二乘估计，可得无人机在各个测量点，飞机的姿态都不同，这种情况下，即使使用的是同一个摄像机，但是由于摄像机外参数不同，导致各测量点定位精度不同，对误差的贡献也不一样。因此，引入加权最小二乘估计；令R-1为加权矩阵，且则因此，S0可以根据交叉定位原理求得。由于初始值的位置误差较大，加上线性化带来的误差，使得初次求得的与真实值偏差较大。采用迭代法，当定位结果趋向稳定值时，迭代结束。加权矩阵的估计较为困难，通常选择对角线矩阵或更简单的单位矩阵，尽管选择的权矩阵有误差，但对未知参数的加权最小二乘估计依然是无偏估计。本专利技术采用了一种方便、科学的方法来获取权矩阵，在实用中取得良好的效果。其核心思想为：对于引起误差较大的测量点，给予较小的权值，误差较小的测量点，给予较大的权值，从而可加大较好的测量点的“贡献”，改善最小二乘估计的精度。在定位过程中，测量点距离目标点越远，定位精度越差，而测量点与目标点的距离由测量点的高程和测量点摄像机光轴指向角共同决定，符合基本的三角关系。由此可得，其中，σ为权矩阵中的元素，ε为摄像机光轴指向角，H为测量点高程。本专利技术相对于现有技术的有益效果在于：本专利技术能够精确、实时的获取无人机与农作物间的深度信息，相比较与现有的植保无人机受温度、压力影响较大，本专利技术的植保无人机技术具有较好的抗干扰能力，且设备简单，价格低廉；只需要在普通植保无人机上挂载一个摄像设备即可实现无人机定高，便于部署，具有较大的应用前景。附图说明图1为本专利技术一种植保无人机定高技术的基于单目序列图像的定高技术逻辑框图；图2为本专利技术一种植保无人机定高技术的SAD搜索策略示意图；图3为本专利技术一种植保无人机定高技术的交叉定位示意图。具体实施方式本专利技术提供一种植保无人机定高技术，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本专利技术进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。步骤1，利用无人机挂载的摄像机向前侧拍摄图片序列；首先摄像机内参数标定：摄像机标定实质上是确定摄像机内外参数的一个过程，其中内部参数的标定是指确定摄像机固有的、与位置参数无关的内部几何与光学参数，包括图像中心坐标、焦距、比例因子和镜头畸变等。本专利技术中的植保无人机装备卫星接收机、惯性测量单元(IMU)、摄像机、图像传输设备等。在无人机进行植保工作时，无人机挂载的摄像机向前侧拍摄图片序列，这样做的目的是考虑到采集、传输图像以及计算均需消耗时间，为了保证定高数据的及时更新，故采用摄像机前视的策略。张正友提出的摄像机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种植保无人机定高技术，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，利用无人机挂载的摄像机向前侧拍摄地面景物，并等时间间隔保存图片序列；步骤2，对拍摄的当前图片帧进行特征点提取；步骤3，从保存的图片序列中逆向提取n帧图片，使用SAD算法对提取的特征点进行特征点匹配；步骤4，若n＝2，使用交叉定位；根据匹配的同名点对集合、飞机的位置、姿态以及摄像机的角度，计算各个同名点的三维坐标；步骤5，若n>2，使用基于加权最小二乘估计的多站定位，计算各个同名点的三维坐标。

【技术特征摘要】
1.一种植保无人机定高技术，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，利用无人机挂载的摄像机向前侧拍摄地面景物，并等时间间隔保存图片序列；步骤2，对拍摄的当前图片帧进行特征点提取；步骤3，从保存的图片序列中逆向提取n帧图片，使用SAD算法对提取的特征点进行特征点匹配；步骤4，若n＝2，使用交叉定位；根据匹配的同名点对集合、飞机的位置、姿态以及摄像机的角度，计算各个同名点的三维坐标；步骤5，若n>2，使用基于加权最小二乘估计的多站定位，计算各个同名点的三维坐标。2.根据权利要求1所述的一种植保无人机定高技术，其特征在于，所述的步骤2的具体步骤如下：2.1，采用SILC图像分割算法，对第k帧图像进行超像素分割，并计算每个区域块的质心坐标，获取点集合I1；2.2，利用Harris角点检测提取第k帧图像的角点坐标，获取点集I2，并融合I1和I2，得到待配特征点集Ip。3.根据权利要求2所述的一种植保无人机定高技术，其特征在于，所述的步骤3的具体步骤如下：3.1，特征点周边选取一个N×N区域作为模板；3.2，然后在第k-1帧图像中找到该模板的匹配，其中搜索区域限定在(Nsearch×Nsearch)特征点周围区域；匹配的相似性度量是用下式表示：SAD(dx,dy)＝∑|template(x,y)-imagek+1(x+dx,y+dy)|式中，x，y为特征点的坐标，dx，dy为相对x，y的坐标偏移；3.3，改变搜索窗中心点位置，以最大限度的减少相似性度量，当相似性度量最小时，该点即为匹配点；4.根据权利要求3所述的一种植保无人机定高技术，其特征在于，所述的步骤4的具体步骤为交叉定位，具体如下：设空中C1和C2两个点对地面目标摄影，地面目标点P在左右相片上的像点为p1和p2；根据中心透视投影成像关系，推导出C1和C2的成像共线方程分别为：其中，(xi,yi),i＝1,2为P点实际成像点坐标；(Fx,Fy)为等效焦距；(Cx,Cy)为像主点坐标；为P点在Ci摄站摄像机坐标系下的坐标；根据摄像机坐标系与世界坐标系的相对位姿关系，可得：其中，(X,Y,Z)为目标点在世界坐标系中的坐标，r0～r8为世界坐标系与摄像机坐标系姿态一致而需要的旋转矩阵分量；Tx，Ty，Tz代表将世界坐标系原点移到摄像机坐标系原点的平移量；以第一个测量点的地理坐标系作为世界坐标系，则第一次测量点Tx＝Ty＝Tz＝0，第二个测量点的Tx，Ty，Tz的值通过卫星定位接收机两次定位差值计算出；通过惯性测量单元和摄像云台，获取飞机偏航角φ、俯仰角γ、横滚角θ以及摄像机的方位角α和高低角β，可得：

【专利技术属性】
技术研发人员：徐诚，王东振，黄大庆，韩伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32