基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，屬于數(shù)字視頻圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法主要依據(jù)航拍圖像信息、高程信息，融合無人機(jī)飛行參數(shù)信息，對無人機(jī)空中位置給出分析和識別。利用無人機(jī)航拍圖像，結(jié)合無人機(jī)高程信息等飛行參數(shù)，對圖像進(jìn)行校正，與先驗(yàn)信息對比分析，由航拍圖像反算出無人機(jī)當(dāng)前位置信息。本發(fā)明針對無人機(jī)特點(diǎn)，充分利用視覺信息，提高無人機(jī)自主性。
【專利說明】基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字視頻圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)不僅在軍事上得到了廣泛的應(yīng)用，而且逐漸延伸到民用場合。在軍事上，它可用于空中偵察、電子干擾、通信中繼、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場監(jiān)視和邊境巡邏等，民用上可用于航空攝影、災(zāi)情監(jiān)測、地球物理探礦、航空攝影等。
[0003]以往,無人機(jī)主要依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)和全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)進(jìn)行導(dǎo)航,然而,導(dǎo)航過程中慣性器件具有累積誤差，對初始值過于敏感，而GPS并不是總是可獲取的，并且即使是可以獲取，其精度往往滿足不了無人機(jī)導(dǎo)航的需要。
[0004]另外，無線電信號和GPS信號傳輸易受阻塞，抗干擾能力不強(qiáng)，在軍事隱蔽偵察上優(yōu)勢并不明顯。據(jù)報(bào)道，伊朗宣稱其破解了美軍GPS信號，控制了通信鏈路，并成功誘騙、捕獲了美軍的一架在伊朗境內(nèi)執(zhí)行任務(wù)的RQ-170“哨兵”無人偵察機(jī)。2009年9月13日，美軍一架MQ-9 “收割者”無人機(jī)在阿富汗北部山區(qū)執(zhí)行任務(wù)時失去控制，美軍無奈之下派戰(zhàn)斗機(jī)將其擊落，以防止其飛入塔吉克斯坦或中國領(lǐng)空。這些事故的發(fā)生都是由于無人機(jī)通信鏈路受阻或被敵方破譯并接管，接收虛假導(dǎo)航位置信息，降低了自身可靠性。
[0005]GPS信號容易受干擾，容易受他國控制，慣導(dǎo)/GPS組合導(dǎo)航精度有限。也正是由于這些原因，為了提高無人機(jī)自主飛行和防欺騙能力，人們對無人機(jī)自主導(dǎo)航產(chǎn)生了很大的研究興趣，并形成了近期無人機(jī)研究領(lǐng)域里的一個熱點(diǎn)，而視覺導(dǎo)航自主性強(qiáng)，導(dǎo)航參數(shù)的獲得不依賴外部設(shè)備，獲得信息量大，完全由飛機(jī)自身提供，抗干擾能力強(qiáng)，位置定位和識別更加準(zhǔn)確，對實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自主導(dǎo)航非常有利。
[0006]目前視覺導(dǎo)航以相對位置定位為主，例如飛機(jī)在著陸過程中，以地標(biāo)如跑道邊線為參考，對飛機(jī)姿態(tài)不斷做出調(diào)整，以達(dá)到安全著陸的目的。導(dǎo)航絕對位置定位的方法比較少，在無人機(jī)飛行過程中，利用GPS/INS組合導(dǎo)航，并基于視覺的輔助導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)了更為準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位，但在通信鏈路失效的情況下，利用視覺導(dǎo)航進(jìn)行絕對位置定位顯得更加重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，針對無人機(jī)自身特點(diǎn)，提出了基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，結(jié)合圖像處理技術(shù)，利用圖像特征，對比先驗(yàn)信息，獲得無人機(jī)空中位置信息，提高無人機(jī)自主性。
[0008]基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，包括以下幾個步驟:
[0009]步驟一，建立無人機(jī)飛行航線地貌數(shù)據(jù)庫；
[0010]步驟二，航點(diǎn)檢測；
[0011]步驟三，數(shù)據(jù)采集；[0012]步驟四，數(shù)據(jù)匹配；
[0013]步驟五,獲取位置信息。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015](I)利用無人機(jī)機(jī)載資源及設(shè)備，進(jìn)行無人機(jī)空間位置的絕對定位；
[0016](2)利用可見光、紅外等自然信息，隱蔽性好；
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0018]圖2是本發(fā)明的圖像信息匹配流程圖；
[0019]圖3是本發(fā)明的無人機(jī)拍攝點(diǎn)和地貌中心點(diǎn)幾何關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明的基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟:
[0022]步驟一，建立無人機(jī)飛行航線的地貌數(shù)據(jù)庫；
[0023]根據(jù)無人機(jī)預(yù)先規(guī)劃好的航線，在無人機(jī)連續(xù)可觀察到的視野范圍內(nèi)，提取多種地貌環(huán)境諸如居民區(qū)、植被、公路、水域等圖像和位置信息，并計(jì)算地貌圖像的顏色、紋理、直線、角點(diǎn)、SIFT等多種特征，存儲入庫；
[0024]具體為:首先對規(guī)劃好的航線采集航點(diǎn)，即信號燈塔、立交橋或者摩天大樓等建筑物地標(biāo)，然后計(jì)算航點(diǎn)的點(diǎn)線特征并存儲，其步驟如下:
[0025]( I)獲取無人機(jī)航線的航點(diǎn)；
[0026]根據(jù)無人機(jī)預(yù)先設(shè)定的規(guī)劃航線，選取無人機(jī)航線上的航點(diǎn)，利用多載荷設(shè)備采集航點(diǎn)的息；
[0027]無人機(jī)飛行航線航點(diǎn)類型包括如下幾種:信號燈塔、立交橋或者摩天大樓等建筑物地標(biāo)，建筑物地標(biāo)具有特征明顯且難以復(fù)制的特點(diǎn)，選取建筑物地標(biāo)作為航點(diǎn)，有利于提高本發(fā)明方法的可靠性。
[0028]根據(jù)規(guī)劃航線，利用多載荷設(shè)備采集航點(diǎn)的多種信息，包括地標(biāo)圖像信息、對應(yīng)高程信息及導(dǎo)航位置信息等；
[0029](2)計(jì)算特征；
[0030]根據(jù)步驟(I)得到航點(diǎn)的地標(biāo)圖像信息，計(jì)算航點(diǎn)的SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征、紋理特征等；
[0031](3)獲取地貌數(shù)據(jù)庫；
[0032]將步驟(1)、(2)采集計(jì)算得到SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征、紋理特征、Hough直線特征以及地標(biāo)圖像的位置信息，存入到地貌數(shù)據(jù)庫，完成地貌數(shù)據(jù)庫的建立。
[0033]地標(biāo)圖像的位置信息包括航點(diǎn)圖名稱、圖像尺寸、中心坐標(biāo)。
[0034]按照表I所示的結(jié)構(gòu)，將信息存儲到地貌數(shù)據(jù)庫，完成地貌數(shù)據(jù)庫的建立。
[0035]表I地貌數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)
[0036]
【權(quán)利要求】
1.基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，包括以下幾個步驟: 步驟一，建立無人機(jī)飛行航線的地貌數(shù)據(jù)庫； 根據(jù)無人機(jī)預(yù)先設(shè)定的規(guī)劃航線，選取無人機(jī)航線上的航點(diǎn)，獲取航點(diǎn)的地標(biāo)圖像信息，計(jì)算航點(diǎn)的SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征、紋理特征、Hough直線特征,將上述特征以及地標(biāo)圖像的位置信息，存入到地貌數(shù)據(jù)庫； 步驟二，無人機(jī)在航線飛行中，進(jìn)行航點(diǎn)檢測； 無人機(jī)飛行中，實(shí)時檢測航線的航點(diǎn)，將檢測到的航點(diǎn)與地貌數(shù)據(jù)庫中已存航點(diǎn)進(jìn)行匹配，若匹配成功則進(jìn)行步驟三，否則繼續(xù)進(jìn)行下一個航點(diǎn)檢測，執(zhí)行步驟二； 步驟三，航點(diǎn)數(shù)據(jù)采集； 對匹配成功的航點(diǎn)，利用機(jī)載CCD攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括高清航拍圖像及無人機(jī)航拍參數(shù)，無人機(jī)航拍參數(shù)包括無人機(jī)高度H，航向角α，俯仰角β，橫滾角Υ以及CCD攝像機(jī)平臺角H，方位角λ ； 步驟四，數(shù)據(jù)匹配； 對采集到的數(shù)據(jù)與地貌數(shù)據(jù)庫分別進(jìn)行庫匹配，訪問地貌數(shù)據(jù)庫，提取當(dāng)前位置的地貌圖像數(shù)據(jù)，利用圖像特征進(jìn)行特征點(diǎn)檢測與匹配，計(jì)算得到匹配特征點(diǎn)數(shù)N ； 步驟五，獲取無人機(jī)位置信息； 完成圖像匹配后，根據(jù)航拍圖像先驗(yàn)信息，反算無人機(jī)經(jīng)緯度信息，完成工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求`1所述的基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，所述的步驟一具體包括以下幾個步驟: (1)獲取無人機(jī)航線的航點(diǎn)； 根據(jù)無人機(jī)預(yù)先設(shè)定的規(guī)劃航線，選取無人機(jī)航線上的航點(diǎn)，航點(diǎn)選取建筑物地標(biāo)，利用多載荷設(shè)備采集航點(diǎn)的信息，獲取航點(diǎn)的地標(biāo)圖像信息； (2)計(jì)算特征； 根據(jù)步驟(1)得到航點(diǎn)的地標(biāo)圖像信息，計(jì)算航點(diǎn)的SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征、紋理特征、Hough直線特征； (3)獲取地貌數(shù)據(jù)庫； 將步驟(1)、(2)采集計(jì)算得到SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征、紋理特征、Hough直線特征以及地標(biāo)圖像的位置信息，存入到地貌數(shù)據(jù)庫，完成地貌數(shù)據(jù)庫的建立； 地標(biāo)圖像的位置信息包括航點(diǎn)圖名稱、圖像尺寸、中心坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，所述的步驟二具體包括以下幾個步驟: (1)航點(diǎn)檢測 當(dāng)無人機(jī)飛行到一個航點(diǎn)時，采用Harris角點(diǎn)檢測方法,獲取該航點(diǎn)的Harris角點(diǎn)特征； (2)航點(diǎn)匹配 將獲取的航點(diǎn)的Harris角點(diǎn)特征,與地貌數(shù)據(jù)庫中存儲的航點(diǎn)的Harris角點(diǎn)特征進(jìn)行匹配，若匹配成功則進(jìn)行步驟三，否則繼續(xù)進(jìn)行下一個航點(diǎn)檢測，執(zhí)行步驟二。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，所述的步驟四具體包括以下幾個步驟:(1)航拍圖像預(yù)處理； 首先，對航拍圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括中值濾波去噪、灰度增強(qiáng)，并計(jì)算航拍圖像數(shù)據(jù)的SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征、Hough直線特征； (2)訪問地貌數(shù)據(jù)庫； 訪問地貌數(shù)據(jù)庫，根據(jù)航點(diǎn)匹配結(jié)果，提取當(dāng)前航點(diǎn)位置的地貌圖像數(shù)據(jù)，包括SIFT點(diǎn)特征、Harris角點(diǎn)特征及Hough直線特征； (3)圖像信息匹配； 通過上述兩個步驟，得到航點(diǎn)的航拍圖像與地貌數(shù)據(jù)庫中地標(biāo)圖像的特征，選取特征進(jìn)行匹配，得到匹配特征點(diǎn)數(shù)N，如果N大于預(yù)設(shè)閾值，則匹配成功，進(jìn)入步驟五，否則匹配失敗，返回步驟二。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺信息的無人機(jī)飛行中空間位置實(shí)時計(jì)算方法，所述的步驟五具體為: 圖像匹配成功后，讀取當(dāng)前無人機(jī)中心點(diǎn)A經(jīng)緯度坐標(biāo)(X，Y)，設(shè)P為無人機(jī)拍攝點(diǎn)，P’為P點(diǎn)在地面投影，反算無人機(jī)經(jīng)緯度公式如下:
【文檔編號】G01C21/20GK103822635SQ201410078669
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】丁文銳, 康傳波, 向錦武, 李紅光, 袁永顯 申請人:北京航空航天大學(xué)