一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法技术

一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法，首先对无人机的机器视觉引导着落进行设计，根据所搭建的视觉成像系统在保证图像敏感性并对视场畸变进行分析的条件下，结合着落过程可能出现的位姿，设计针对视觉引导着落所需的信标结构及布置方法，接着根据所设计的视觉引导系统，针对不同的合作信标构型，提出三个衡量算法适用性的指标来对位姿解算算法进行评价筛选，最后采用的地面合作信标是红外LED，红外LED成像效果更加稳定，成像距离更远，成像精度更高。本方法简单易行，对着陆场地的配置要求低，从近红外图像中提取特征更加方便、快捷，扩大了视觉系统的适用范围，而且能全天时全天候的检测识别；精确的解算出无人机姿态信息。

Beacon arrangement and image processing method based on UAV pose calculation

A UAV pose calculation beacon layout and image processing method based on the machine vision guided landing UAV is designed according to the built vision imaging system to ensure image sensitivity and analyze field distortion conditions, combined with the posture of landing process may appear, for the design of structure and layout of the beacon methods required for vision guided landing guidance system, then according to the design of the visual, the beacon different configurations, puts forward three measure algorithm applicability index to evaluate the position and attitude solution algorithm selection, finally uses the ground beacon infrared LED, infrared LED imaging effect is more stable, imaging distance the imaging precision is higher. This method is simple, the landing site configuration requirements low, more convenient and efficient feature extraction from near infrared image, expanding the scope of the visual system, but also can detect the all-weather all day long; accurately calculate UAV attitude information.

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法
本专利技术涉及无人机降落时信标位置确认，具体涉及一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法。
技术介绍
无人机(UnmannedAerialVehicles，UAV)自问世以来就受到人们广泛的关注，随着科学技术的进步，无人机已经应用到了地形探测、灾难检测、空中侦察等多个方面。而无人机着落阶段是无人机执行任务中事故率最高的阶段，因此研究安全可靠的自动化着落引导方法对于保障无人机安全、减少事故率、有效完成作战任务、减少无人机使用成本等有着重要的意义。寻求一种简易、快捷、自主、可靠的无人机着落引导方式，是目前需要解决的重要问题。与传统着陆导航技术相比，基于视觉的着陆导航技术具有设备简单便宜、信息量大、无源、隐蔽性好等显著优点，在抗电子干扰方面和在提高自主化程度方面都有较大的优越性。但是，由于成像受环境的影响，基于视觉的着陆引导系统，其鲁棒性是需要解决的关键技术。目前多数视觉着陆导航系统都是基于可见光范围的图像处理技术，而在自然界中影响可见光成像的因素很多，此外，夜间着陆也是可见光视觉着陆导航系统的难点。目前国内外在研究视觉着陆导引技术中，对于合作信标的设计条件不够严格，大多数仅限于保证可见性即可，对于非可见光红外信标的研究也多停留在发热金属。另外，对于长距离大尺度变换下的视觉着落引导过程中，未考虑到信标的设计对位姿解算的影响。同时国内外对于合作信标特征点检测、提取和匹配的方法很多，但是对于特定结构的合作信标的检测、提取和匹配仍然没有合适的方法。对于位姿解算算法来说，国内外对于其研究同样十分丰富，但是对于在实际工程问题中如何选择位姿解算算法并没有很好的分析。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法。首先对无人机机器视觉引导着落进行设计，根据所搭建的视觉成像系统在保证图像敏感性并对视场畸变进行分析的条件下，结合无人机着落过程中可能出现的位姿，精确严格的设计出针对本系统中视觉着落引导所需要的信标结构及布置方法。接着根据所设计的视觉引导系统，针对不同的合作信标构型，提出了三个衡量算法适用性的指标来对位姿解算算法进行评价筛选。根据不同位姿解算算法的三个指标数据，为本方案所设计的系统选择合适的位姿解算算法：正交迭代法(OI)。最后采用的地面合作信标是红外LED，相对于采用加热金属作为地面合作信标，红外LED成像效果更加稳定，成像距离更远，成像精度更高。针对所设计出的视觉系统所产生的特殊的红外图像以及设计的合作信标几何结构，提出一种基于特殊的特征点匹配算法将合作信标的像点与其在真实场景中的位置进行匹配。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法，包括以下步骤：步骤1、信标设计；根据方案所需满足的引导条件，通过计算所需要的图像成像精度选择成像设备，并对着落过程中成像的变化进行分析从而设计地面信标的布局限制和安放方式；1)近红外相机、镜头和滤镜选择；在引导无人机着落过程中，无人机与信标距离变化范围广阔，而要在远距离时达到相关的解算精度要求，则需要所设计的成像系统对信标的检测精度远小于解算偏差，根据这种思路，对相关视觉设备的选型进行分析；①图像分辨率分析；相机所拍摄的图像中，计算每一像素实际代表的物理距离方法如下所示：式中，FOV为相机视场角，u为水平方向像素个数，v为竖直方向像素个数，h为相机距拍摄物体的距离，p为每像素对应的实际物理尺寸；在对所拍摄的图像进行处理时，由于计算所造成的舍入误差，即将图像物理坐标系下的坐标转换到图像像素坐标系的过程中会进行投影取整，在提取信标点质心的过程后进行反解算图像物理坐标系下的坐标时的计算误差，因此，在不考虑图像处理精度时，由舍入误差造成的影响应该比所要求的位置解算精度小几个数量级，考虑成像的最苛刻条件，即径向距离为1000米时的像素分辨率应小于0.1米；②镜头视场角分析；在选配相机镜头时主要考虑相机的视场角，根据不同焦距相机对应不同的视场角，与不同分辨率相机配合时，在满足像素分辨率小于0.1米的条件下，选择相应的镜头；视场角越大对于信标的布置范围可以有更广阔的选择，能够保证在信标设计布置时的弹性，给着落引导条件留有余度；③滤光片滤波光段选择；希望视觉设备能够抑制除信标外的成像，即抑制太阳光与可见光的影响，采用800～900纳米的带通滤波片；2)近红外光源与信标设计；采用的光源为有向光源，有效发光角度为30°，在选定了相关视觉设备后，根据无人机着落过程中视场的变换情况设计近红外信标光源的安放方式如下：首先需要保证在无人机着落过程中信标一直处于可见状态；其次需要保证视场变化过程中视觉设备对信标的敏感性，即可以通过位姿解算的最小分辨移动距离；最后则是需要保证敏感性的情况下，避免在不同角度下，由视场旋转造成的信标光源间遮挡、模糊及敏感性失效；②信标光源间距离；在无人机着落引导过程中，无人机移动一段距离前后所捕获到的物象大小是否变化，会直接影响位姿解算的精度，考虑视觉系统的精度指标，在纵向距离x米时需要保证纵向距离的计算精度为Δx米，表示在无人机与信标相距x米变化到相距x-Δx米后，视觉设备所捕获的图像应该能反映出信标大小的变化，即信标光源间的距离投影到图像像素坐标系上的变化，本方案中称此为合作信标的图像敏感性；当无人机从P1位置移动到P2位置时，即无人机与信标光源间距在与光轴垂直的平面上的投影的距离由x变化到x-Δx时，该投影D在图像物理坐标平面的成像由h变化到h-Δh，而Δh表示物象的实际变化情况，这种情况表现在图像像素坐标中则需要考虑真实成像单元的大小，表示为Δh≥5.5μm；上述中，P1为无人机起始位置，P2为无人机移动一段距离后的位置，x为P1位置时无人机与信标光源间距在与光轴垂直的平面上投影的距离，x-Δx为P2位置时无人机与信标光源间距在与光轴垂直的平面上投影的距离，D为信标光源间距投影，h为无人机在P1位置时投影D在图像物理坐标平面的成像，h-Δh为无人机在P2位置时投影D在图像物理坐标平面的成像；根据相似三角形原理，可得无人机位移Δx与信标光源间距投影D的关系为：因此D应该满足的条件是：而在实际情况中，无人机着落时，光轴并不能与信标光源之间的连线垂直，设此时相机光轴与机体有一安装角α，相机的视场角为FOV，整个着落过程中无人机会调整俯仰角θ，信标光源间的相对位置用lmark和hmark表示，为便于分析，采用弱透视模型投影，根据几何关系易知：同理，对于无人机有一偏航角ψ的情况，信标光源间的相对位置用wmark表示，使用弱透视模型，采用近似计算，根据几何关系易知：上述中，α为相机光轴与机体的安装角，FOV为相机的视场角，θ为无人机的俯仰角，lmark和hmark为信标光源间的相对位置，x实际距离为无人机相对世界坐标系原点的距离；②信标光源布置范围；视觉引导无人机着落过程中需要保证合作信标始终处于视场中，因此从开始引导，到结束引导的过程中的视场交集便是适宜安放合作信标的范围；相机光轴与机体有一安装角α，相机的视场角为FOV，整个着落过程中无人机会调整俯仰角θ，飞机质心与着落点的距离为x1，飞机质心距地高度为h，则信标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、信标设计；根据方案所需满足的引导条件，通过计算所需要的图像成像精度选择成像设备，并对着落过程中成像的变化进行分析从而设计地面信标的布局限制和安放方式；1)近红外相机、镜头和滤镜选择；在引导无人机着落过程中，无人机与信标距离变化范围广阔，而要在远距离时达到相关的解算精度要求，则需要所设计的成像系统对信标的检测精度远小于解算偏差，根据这种思路，对相关视觉设备的选型进行分析；①图像分辨率分析；相机所拍摄的图像中，计算每一像素实际代表的物理距离方法如下所示：

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机位姿计算的信标布置及图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、信标设计；根据方案所需满足的引导条件，通过计算所需要的图像成像精度选择成像设备，并对着落过程中成像的变化进行分析从而设计地面信标的布局限制和安放方式；1)近红外相机、镜头和滤镜选择；在引导无人机着落过程中，无人机与信标距离变化范围广阔，而要在远距离时达到相关的解算精度要求，则需要所设计的成像系统对信标的检测精度远小于解算偏差，根据这种思路，对相关视觉设备的选型进行分析；①图像分辨率分析；相机所拍摄的图像中，计算每一像素实际代表的物理距离方法如下所示：式中，FOV为相机视场角，u为水平方向像素个数，v为竖直方向像素个数，h为相机距拍摄物体的距离，p为每像素对应的实际物理尺寸；在对所拍摄的图像进行处理时，由于计算所造成的舍入误差，即将图像物理坐标系下的坐标转换到图像像素坐标系的过程中会进行投影取整，在提取信标点质心的过程后进行反解算图像物理坐标系下的坐标时的计算误差，因此，在不考虑图像处理精度时，由舍入误差造成的影响应该比所要求的位置解算精度小几个数量级，考虑成像的最苛刻条件，即径向距离为1000米时的像素分辨率应小于0.1米；②镜头视场角分析；在选配相机镜头时主要考虑相机的视场角，根据不同焦距相机对应不同的视场角，与不同分辨率相机配合时，在满足像素分辨率小于0.1米的条件下，选择相应的镜头；视场角越大对于信标的布置范围可以有更广阔的选择，能够保证在信标设计布置时的弹性，给着落引导条件留有余度；③滤光片滤波光段选择；希望视觉设备能够抑制除信标外的成像，即抑制太阳光与可见光的影响，采用800～900纳米的带通滤波片；2)近红外光源与信标设计；采用的光源为有向光源，有效发光角度为30°，在选定了相关视觉设备后，根据无人机着落过程中视场的变换情况设计近红外信标光源的安放方式如下：首先需要保证在无人机着落过程中信标一直处于可见状态；其次需要保证视场变化过程中视觉设备对信标的敏感性，即可以通过位姿解算的最小分辨移动距离；最后则是需要保证敏感性的情况下，避免在不同角度下，由视场旋转造成的信标光源间遮挡、模糊及敏感性失效；①信标光源间距离；在无人机着落引导过程中，无人机移动一段距离前后所捕获到的物象大小是否变化，会直接影响位姿解算的精度，考虑视觉系统的精度指标，在纵向距离x米时需要保证纵向距离的计算精度为Δx米，表示在无人机与信标相距x米变化到相距x-Δx米后，视觉设备所捕获的图像应该能反映出信标大小的变化，即信标光源间的距离投影到图像像素坐标系上的变化，本方案中称此为合作信标的图像敏感性；当无人机从P1位置移动到P2位置时，即无人机与信标光源间距在与光轴垂直的平面上的投影的距离由x变化到x-Δx时，该投影D在图像物理坐标平面的成像由h变化到h-Δh，而Δh表示物象的实际变化情况，这种情况表现在图像像素坐标中则需要考虑真实成像单元的大小，表示为Δh≥5.5μm；上述中，P1为无人机起始位置，P2为无人机移动一段距离后的位置，x为P1位置时无人机与信标光源间距在与光轴垂直的平面上投影的距离，x-Δx为P2位置时无人机与信标光源间距在与光轴垂直的平面上投影的距离，D为信标光源间距投影，h为无人机在P1位置时投影D在图像物理坐标平面的成像，h-Δh为无人机在P2位置时投影D在图像物理坐标平面的成像；根据相似三角形原理，可得无人机位移Δx与信标光源间距投影D的关系为：因此D应该满足的条件是：而在实际情况中，无人机着落时，光轴并不能与信标光源之间的连线垂直，设此时相机光轴与机体有一安装角α，相机的视场角为FOV，整个着落过程中无人机会调整俯仰角θ，信标光源间的相对位置用lmark和hmark表示，为便于分析，采用弱透视模型投影，根据几何关系易知：同理，对于无人机有一偏航角ψ的情况，信标光源间的相对位置用wmark表示，使用弱透视模型，采用近似计算，根据几何关系易知：上述中，α为相机光轴与机体的安装角，FOV为相机的视场角，θ为无人机的俯仰角，lmark和hmark为信标光源间的相对位置，x实际距离为无人机相对世界坐标系原点的距离；②信标光源布置范围；视觉引导无人机着落过程中需要保证合作信标始终处于视场中，因此从开始引导，到结束引导的过程中的视场交集便是适宜安放合作信标的范围；相机光轴与机体有一安装角α，相机的视场角为FOV，整个着落过程中无人机会调整俯仰角θ，飞机质心与着落点的距离为x1，飞机质心距地高度为h，则信标光源布置范围l1和l2可表示为：另一方面考虑无人机存在需要调整的偏航角ψ，则信标光源布置范围w1和w2可表示为：其中xlight表示无人机上的相机光心到地面某处的距离，结合式(6)与式(7)可知信标光源的布置范围,其中：上述情况假设开始进行视觉引导时无人机机头朝向在地面的投影与机场跑道平行，此外，无人机在整个着落过程中的着落航迹必须在包含机场跑道线且与地面垂直的平面内时，视觉导航方法才有效，因此，考虑无人机的轨迹在一定空间范围内均有效，当开始进行视觉导航时，无人机与跑道中心线在水平面有一偏移距离d，此时对应无人机需要调整的偏航角为ψ，设偏移距离d与无人机偏航角ψ之间存在某一函数关系，则有：d＝f(ψ)(9)无人机质心与着落点之间的距离x1在水平面上的投影为xflat，即：其与机场中心线间的夹角为γ，则设偏移距离d与xflat间的关系为：d＝xflatsinγ(11)对这种情况下信标光源布置的有效位置进行研究，为方便分析，分别按照着落点与伪着落点为原点建立平面直角坐标系oxy和o'x'y'；设在o'x'y'坐标系中的一点坐标为(x',y')，而该点在oxy坐标系中的坐标为(x,y)，则有：由几何关系易知：得出(ψ左偏为负值)：a＝xflat(sin(-γ)-sin(-ψ))(14)无人机视场边界四个点在o'x'y'坐标系中的坐标分别为：(-w1',l2)、(w2',l2)、(-w1,l1)和(w2,-l1)，联立式(6)至式(14)则可以计算出视场边界点在oxy坐标系下的坐标；上述中，α为相机光轴与机体之间的安装角，FOV为相机的视场角，θ为无人机的俯仰角，x为飞机质心与着落点的距离，h为飞机质心距地高度，l1、l2、w1'、w2'、w1和w2为信标光源布置范围参数，表示光源布置范围的大小，xlight表示无人机上的相机光心到地面某处的距离，d为无人机与跑道中心线在水平面的偏移距离，xflat为无人机质心与着落点之间的距离x1在水平面上的投影，γ为机场中心线间与xflat的夹角；③信标间光源布置角度；当距离不变时，光源垂直照射感光平面的相对光强最大，信标光源的光轴应该与无人机视觉设备的光轴平行，以保证在捕获图像时，信标光源的亮度高，在后续进行图像处理时，图像滤波和去噪时具有更高的鲁棒性；④信标形状设计；所设计的信标光源间位置需要满足上述条件，并制得俯视图和正视图，其中：以着落点为原点建立的平面直角坐标oxy中，每一个信标光源在水平面垂直投影的坐标(x,y)，对应于在以伪着落点为原点建立的平面直角坐标系o'x'y'中的坐标为(x',y')，都应该满足约束：式中，l1、l2、w1'、w2'、w1和w2为信标光源布置范围参数，表示光源布置范围的大小，(x',y')为以伪着落点为原点建立的平面直角坐标系o'x'y'中信标光源的坐标；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐泽宇，姚顺，李沅澔，
申请(专利权)人：徐泽宇，姚顺，
类型：发明
国别省市：陕西,61