基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法技术

本发明专利技术公开一种基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法，属于飞行器组合导航和计算机视觉技术领域；本发明专利技术针对无人机飞行动态几何关系，将无人机飞行视线运动沿径向和法向分解，分别构造了基于法向运动的距离推断模块及其三余度表决机制，以及基于径向运动的距离推断模块及其噪声抑制机制，据此将原始的距离融合推断巧妙转化为组合导航问题，以径向运动推断距离模块作为主要系统，以法向运动推断距离模块作为辅助系统，并对前者进行修正，抑制漂移误差。本发明专利技术有助于显著降低飞行平台成本，且本发明专利技术基于不同的测距原理，计算过程相对简单，能在快速平台MCU上保证高刷新率和远距精度，保证精度的同时测距场景不受限制。保证精度的同时测距场景不受限制。保证精度的同时测距场景不受限制。

【技术实现步骤摘要】
基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法


[0001]本专利技术属于飞行器组合导航和计算机视觉
，具体基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法。

技术介绍

[0002]蜂群系统的关键在于低成本抵消策略，降低飞行平台造价成本是从业人员一直追求的目标。传统通过硬件精简或复用来降低成本的方法，由于摩尔定律渐趋极限等原因，其降低成本的效果面临重大瓶颈。基于飞行平台信息冗余现状，通过软件复用替代硬件设备，有助于在保证测距功能的前提下显著降低成本。
[0003]对于小型无人飞行器而言，主要由飞行平台和任务载荷两部分组成，其中平台包括外壳结构、飞控系统、回收系统、电台天线、舵机电机等部件，任务载荷最典型的有光电吊舱。在这些设备中，光电吊舱通常是价格最高的单体系统。特别地，当光电吊舱具备激光测距功能时，一方面，由于需要昂贵的精密光学设备，将进一步使得其价格成倍增长；另一方面，加装激光测距吊舱意味着更大的重量、体积与功耗，给整机系统带来更大负担，进一步增加附加成本。如果能利用飞行器平台上的冗余信息，基于不带测距功能的普通光电吊舱，深度融合机上设备，对视线径/法向运动进行分解，以组合导航的思路实现系统级的软件测距，有助于显著降低飞行平台成本。
[0004]目前在中小型无人机平台上主要存在如下测距手段：1)激光测距：以激光器作为光源照射到目标，测量往返时间或相位差，再结合光在介质中的传播速度得到飞机到目标的距离。该方法精度较高，但会增加额外的硬件成本，且大气中烟雾、灰尘、雨滴会对精度造成一定干扰。2)单目视觉测距：通过图像匹配进行目标识别，再通过目标先验尺寸及其在图像中的大小依据相似三角形原理估算目标距离。该方法精度相对较低，且依赖于先验信息并更新维护庞大的样本数据库，对库外目标无法进行判断和测距。3)双目视觉测距：在左右相机图像中精确匹配到同一像素点，计算出两幅图像视差，结合基线长度估算像素点距离。该方法精度比单目高，但受限于基线长度，远距测量相对精度会下降，同时由于算法复杂在MCU上实现困难，难以在快速飞行平台上保证高刷新率，在应用上存在诸多限制。4)三角形法估算：近似以飞机平台与起飞点相对高度作为与目标的高度差，依据三角形几何关系估算距离。该方法精度较低，且需要目标与起飞点高度基本一致，测算距离往往参考价值有限，在使用场景上存在明显限制。
[0005]综上所述，以新的思路开展小型飞行平台系统级测距功能开发，通过设备融合实现视线径/法向运动分解，设计组合滤波模块进行距离推断，可以显著降低成本需求，同时较大程度地消除场景限制和先验信息依赖，具有较大的研究前景和应用价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法，提供一种新的利用平台冗余信息的软件测距思路，解决激光测距硬件成本高而单/双目视觉
测距和三角形测距法场景受限明显、依赖先验信息的技术问题。
[0007]为了达到上述目的，解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1、光电吊舱对选中的目标图像通过像素匹配进行持续识别，并驱动吊舱电机改变框架角使其锁定在图像中央位置，以保证测距期间吊舱轴线空间角度等于飞机
‑
目标视线角度；
[0010]步骤2、光电吊舱将测量的视线俯仰角速率ω
θ,L
、视线方位角速率ω
ψ,L
、俯仰框架角θ
F
、方位框架角ψ
F
通过串口通讯发送至飞控MCU；
[0011]步骤3、GPS/INS系统将测量的平台俯仰角θ和方位姿态角ψ通过串口通讯发送至飞控MCU，并与实时接收到的框架角θ
F
和方位框架角ψ
F
分别进行叠加：
[0012][0013]步骤4、差分定位系统将测量的平台精确相对位置信息通过串口通讯发送至飞控MCU，通过微分估计实时计算无人机飞机水平地速v
d
、升降速度v
h
、航迹方位角ψ
v
；
[0014]步骤5、基于法向运动的距离推断模块进行多模计算，并通过三余度表决机制进行选择，使得当L
n,1
,L
n,2
,L
n,3
计算结果存在明显差异时，通过三判二的原则筛选出更为正确的距离推测值；
[0015]待测距离的法向推算通道1为：
[0016][0017]待测距离的法向推算通道2为：
[0018][0019]待测距离的法向推算通道3为：
[0020][0021]其中μ＝v
d
cosθ
L
cos(ψ
v
‑
ψ
L
)+v
h
sinθ
L
；
[0022]表决原则为：
[0023]原则1、对法向运动三通道推算距离执行三判二处理，依次计算每个通道距离与其他两个通道距离的差值，若均大于另外两通道距离差值的5倍，表明该通道严重偏离另外两个通道，则将其舍去，否则保留；
[0024]原则2、对剩下通道距离取平均值，为统一公式表达，记舍去通道编号的集合为Ω，当没有通道被舍去时，Ω为空集，其平均值为
[0025][0026]步骤6、基于径向运动的距离推断模块进行积分计算，利用积分的天然特性实现对白噪声的抑制效果
[0027]待测距离的径向推算公式为：
[0028][0029]其中L
r0
为初始化值，可任取，当ω
θ,L
,ω
ψ,L
绝对值较大时，为加快收敛速度可以初始化为L
n0
；
[0030]步骤7、将步骤5和步骤6中基于法向和径向运动推断的距离同时输入带开关切换机制的组合滤波模块中，开关切换机制用于对法向运动推断的距离进行坏值筛选；引入表示公式(2)
‑
(4)中分母绝对值的上确界，当σ≤ε时，小值ε为设定的灵敏度常数，开关断开，平时保持常闭状态；
[0031]以径向运动推断为主系统，实现平滑输出，法向运动推断为辅助系统，抑制漂移误差，带开关切换机制的径/法向运动组合滤波选用开环架构或闭环架构。
[0032]进一步的，无人机组合测距方法由组合测距系统实现，包括飞控计算机、GPS/INS系统、差分定位系统、光电吊舱、；
[0033]飞控计算机与其它设备通过串口通讯，对设备信息进行中继处理，对设备行为进行调度协调；
[0034]GPS/INS系统将平台姿态角发送给飞控计算机，飞控计算机将平台姿态角转发给光电吊舱，并将其与吊舱框架角进行叠加得到视线角；
[0035]差分定位系统将相对基站的精确位置信息发送给飞控计算机，对平台绝对位置进行精度修正，计算得到飞机的速度大小和方向，传送到飞控计算机的片上径/法向运动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉图像径/法向运动的无人机组合测距方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、光电吊舱对选中的目标图像通过像素匹配进行持续识别，并驱动吊舱电机改变框架角使其锁定在图像中央位置，以保证测距期间吊舱轴线空间角度等于飞机
‑
目标视线角度；步骤2、光电吊舱将测量的视线俯仰角速率ω
θ,L
、视线方位角速率ω
ψ,L
、俯仰框架角θ
F
、方位框架角ψ
F
通过串口通讯发送至飞控MCU；步骤3、GPS/INS系统将测量的平台俯仰角θ和方位姿态角ψ通过串口通讯发送至飞控MCU，并与实时接收到的框架角θ
F
和方位框架角ψ
F
分别进行叠加：步骤4、差分定位系统将测量的平台精确相对位置信息通过串口通讯发送至飞控MCU，通过微分估计实时计算无人机飞机水平地速v
d
、升降速度v
h
、航迹方位角ψ
v
；步骤5、基于法向运动的距离推断模块进行多模计算，并通过三余度表决机制进行选择，使得当L
n,1
,L
n,2
,L
n,3
计算结果存在明显差异时，通过三判二的原则筛选出更为正确的距离推测值；待测距离的法向推算通道1为：待测距离的法向推算通道2为：待测距离的法向推算通道3为：其中μ＝v
d cosθ
L
cos(ψ
v
‑
ψ
L
)+v
h
sinθ
L
；步骤6、基于径向运动的距离推断模块进行积分计算，利用积分的天然特性实现对白噪声的抑制效果待测距离的径向推算公式为：
其中L
r0
为初始化值，可任取，当ω
θ,L
,ω
ψ,L
绝对值较大时，为加快收敛速度可以初始化为L
n0
；步骤7、将步骤5和步骤6中基于法向和径向运动推断的距...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁超，孟志鹏，陈小庆，王波，朱得糠，李彤，吕良，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：