确定无人机位置和飞行方向的方法、装置及无人机制造方法及图纸

本发明专利技术提出确定无人机位置和飞行方向的方法、装置及无人机。方法包括：根据无人机的云台搭载的相机拍摄的包含m个固定点的图像，计算m个固定点在相机坐标系下的坐标，m≥4；根据m个固定点在世界坐标系下的坐标和在相机坐标系下的坐标，计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系；根据相机拍摄到包含m个固定点的图像时云台相对无人机的旋转角度，计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系；根据相机坐标系到世界坐标系的转换关系，以及无人机坐标系到相机坐标系的转换关系，计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量。本发明专利技术提高了对无人机定位的精度。

Methods, devices and UAVs for determining UAV position and flight direction

【技术实现步骤摘要】
确定无人机位置和飞行方向的方法、装置及无人机
本专利技术涉及无人机
，尤其涉及确定无人机位置和飞行方向的方法、装置及无人机。
技术介绍
无人机已被广泛应用于航拍摄影、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域，有效克服了有人驾驶飞机空中作业的不足，降低了购买与维护成本，提高了运载工具的安全性。在无人机进行空中作业时，需要得知无人机的实时位置，以便对无人机进行控制。
技术实现思路
本专利技术提出确定无人机位置和飞行方向的方法、装置及无人机，以提高对无人机定位的精度。本专利技术的技术方案是这样实现的：根据无人机的云台搭载的相机拍摄的包含m个固定点的图像，计算m个固定点在相机坐标系下的坐标，m≥4；根据m个固定点在世界坐标系下的坐标和在相机坐标系下的坐标，计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系；根据相机拍摄到包含m个固定点的图像时云台相对无人机的旋转角度，计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系；根据相机坐标系到世界坐标系的转换关系，以及无人机坐标系到相机坐标系的转换关系，计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量。通过上述实施例，可同时计算出无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量，从而能够同时得到无人机的位置和飞行方向，提高了对无人机定位的精度。所述计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系包括：计算相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵R和平移向量T；所述计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系包括：计算无人机坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Q；所述计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量包括：确定无人机在世界坐标系中的位置坐标为平移向量T，以及计算出无人机在世界坐标系中的飞行方向向量为：无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量与旋转矩阵Q和旋转矩阵R的乘积。当采用无人机的正前方作为无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量时，无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量为[0,0,1]。所述云台相对无人机的旋转角度包括：翻滚角θ、俯仰角ф和偏航角所述计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系包括：根据如下原则：将无人机先绕偏航角对应轴旋转角度、再绕俯仰角对应轴旋转ф角度、最后绕翻滚角对应轴旋转θ角度，构造无人机坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Q。所述旋转矩阵Q符合以下公式要求：一种确定无人机位置和飞行方向的装置，该装置应用于无人机，所述无人机具有搭载相机和角度传感器的云台，该装置包括：旋转角度获取模块，用于从角度传感器获取相机拍摄到包含m个固定点的图像时云台相对无人机的旋转角度，m≥4；固定点坐标计算模块，用于根据相机拍摄到的包含m个固定点的图像，计算m个固定点在相机坐标系下的坐标；第一坐标系转换关系计算模块，用于根据m个固定点在世界坐标系下的坐标和在相机坐标系下的坐标，计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系；第二坐标系转换关系计算模块，用于根据相机相对无人机的旋转角度，计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系；无人机位置和飞行方向计算模块，用于根据相机坐标系到世界坐标系的转换关系，以及无人机坐标系到相机坐标系的转换关系，计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量。所述第一坐标系转换关系计算模块计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系包括：计算相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵R和平移向量T；所述第二坐标系转换关系计算模块计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系包括：计算无人机坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Q；所述无人机位置和飞行方向计算模块计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量包括：确定无人机在世界坐标系中的位置坐标为平移向量T，以及计算出无人机在世界坐标系中的飞行方向向量为：无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量与旋转矩阵Q和旋转矩阵R的乘积。当所述无人机位置和飞行方向计算模块采用无人机的正前方作为无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量时，无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量为[0,0,1]。所述旋转角度获取模块获取的云台相对无人机的旋转角度包括：翻滚角θ、俯仰角ф和偏航角所述第二坐标系转换关系计算模块计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系包括：根据如下原则：将无人机先绕偏航角对应轴旋转角度、再绕俯仰角对应轴旋转ф角度、最后绕翻滚角对应轴旋转θ角度，构造无人机坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Q。所述旋转矩阵Q符合以下公式要求：一种非瞬时计算机可读存储介质，所述非瞬时计算机可读存储介质存储指令，所述指令在由处理器执行时使得所述处理器执行如上任一项所述的确定无人机位置和飞行方向的方法的步骤。一种无人机，包括：飞行控制器以及搭载有相机和角度传感器的云台，所述飞行控制器执行如上任一所述的确定无人机位置和飞行方向的方法。本专利技术通过根据相机拍摄的包含m个固定点的图像，m≥4，计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系，并根据相机相对无人机的旋转角度，计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系，从而得到无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量，从而能够同时得到无人机的位置和飞行方向，提高了对无人机定位的精度。附图说明图1为本专利技术一实施例提供的确定无人机位置和飞行方向的方法流程图；图2为本专利技术另一实施例提供的确定无人机位置和飞行方向的方法流程图；图3为本专利技术实施例提供的确定无人机位置和飞行方向的装置的结构示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术再作进一步详细的说明。相关技术提出了基于二维标签的无人机定位及目标跟踪方法。该方法是在无人机上搭载相机、云台，将相机对准一个二维标签，已知二维标签在世界坐标系中的位置，通过二维标签在相机中的像的位置来计算相机在世界坐标系中的位置，并将相机在世界坐标系中的位置作为无人机的坐标，其步骤如下：A、对相机进行标定。根据相机拍摄的图像，标定出相机的内参数矩阵其中，fx、fy为相机的焦距，u0、v0为相机的光心。B、进行二维标签的检测。在云台相机拍摄的图像中识别出二维标签，得到二维标签在图像中的坐标[x，y，1]，x、y为用像素值表示的横、纵坐标。C、进行二维标签的定位。根据相机内参数及二维标签在图像中的坐标，计算出相机的外参数，计算公式为：其中，s表示一个比例系数；等式右边第二个矩阵为相机的外参数矩阵，即从世界坐标系到图像中的坐标系的变换矩阵，其中，r1～r9表征两个坐标系之间的旋转关系，t1-t3表征两个坐标系之间的平移关系，[X，Y，Z，1]为二维标签在世界坐标系中的坐标。D、通过相机的外参数计算得到相机在世界坐标系中的坐标，即无人机的坐标。E、以二维标签在画本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定无人机位置和飞行方向的方法，其特征在于，该方法包括：/n根据无人机的云台搭载的相机拍摄的包含m个固定点的图像，计算m个固定点在相机坐标系下的坐标，m≥4；/n根据m个固定点在世界坐标系下的坐标和在相机坐标系下的坐标，计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系；/n根据相机拍摄到所述包含m个固定点的图像时云台相对无人机的旋转角度，计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系；/n根据相机坐标系到世界坐标系的转换关系，以及无人机坐标系到相机坐标系的转换关系，计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量。/n

【技术特征摘要】
1.一种确定无人机位置和飞行方向的方法，其特征在于，该方法包括：
根据无人机的云台搭载的相机拍摄的包含m个固定点的图像，计算m个固定点在相机坐标系下的坐标，m≥4；
根据m个固定点在世界坐标系下的坐标和在相机坐标系下的坐标，计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系；
根据相机拍摄到所述包含m个固定点的图像时云台相对无人机的旋转角度，计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系；
根据相机坐标系到世界坐标系的转换关系，以及无人机坐标系到相机坐标系的转换关系，计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算相机坐标系到世界坐标系的转换关系包括：
计算相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵R和平移向量T；
所述计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系包括：
计算无人机坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Q；
所述计算无人机在世界坐标系中的位置坐标以及无人机在世界坐标系中的飞行方向向量包括：
确定无人机在世界坐标系中的位置坐标为平移向量T，以及计算出无人机在世界坐标系中的飞行方向向量为：无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量与旋转矩阵Q和旋转矩阵R的乘积。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当采用无人机的正前方作为无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量时，无人机在无人机坐标系中的飞行方向向量为[0,0,1]。


4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述云台相对无人机的旋转角度包括：翻滚角θ、俯仰角ф和偏航角
所述计算无人机坐标系到相机坐标系的转换关系包括：
根据如下原则：将无人机先绕偏航角对应轴旋转角度、再绕俯仰角对应轴旋转ф角度、最后绕翻滚角对应轴旋转θ角度，构造无人机坐标系到相机坐标系的旋转矩阵Q。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述旋转矩阵Q符合以下公式要求：





6.一种确定无人机位置和飞行方向的装置，该装置应用于无人机，所述无人机具有搭载相机和角度传感器的云台，其特征在于，该装置包括：
旋转角度获取模块，用于从角度传感器获取相机拍摄到包含m个固定点的图像时云台相对无人机的旋转角度，m≥4；
固定点坐标计算模块，用于根据相机拍摄到的所述包含m个固定点的图像，计算m个固定点在相机坐标系下的坐标；
第一坐标系转换关系计算模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈亢伟，
申请(专利权)人：杭州海康机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33