基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法
【專利摘要】一種基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法，包括以下過(guò)程：確定無(wú)人機(jī)裝備衛(wèi)星接收機(jī)、慣性測(cè)量單元、攝像機(jī)云臺(tái)、攝像機(jī)；在無(wú)人機(jī)起飛前，標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)；在無(wú)人機(jī)飛行中，選擇感興趣的目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)節(jié)攝像機(jī)云臺(tái)的方位角和高低角，保證在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)；提取出不同時(shí)刻所拍攝圖像中目標(biāo)同名點(diǎn)的坐標(biāo)；計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)


；將 轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度和大地高，完成目標(biāo)定位過(guò)程。本發(fā)明基于多目視覺的無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位方法不需要搭載光電偵察平臺(tái)，無(wú)需進(jìn)行激光測(cè)距，有效的保證了自身安全，也降低了測(cè)量設(shè)備的成本。同時(shí)，該方法具有較高的定位精度，適用范圍廣，對(duì)高精度無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位領(lǐng)域具有重要的實(shí)際意義。
【專利說(shuō)明】基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高精度無(wú)人機(jī)無(wú)源目標(biāo)定位，具體是一種基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī) 局精度目標(biāo)定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)人機(jī)與載人飛機(jī)相比，具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。隨 著技術(shù)水平的提高，無(wú)人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括偵察監(jiān)視、搶險(xiǎn)救災(zāi)、地形勘測(cè)、 目標(biāo)打擊等。目標(biāo)定位是無(wú)人機(jī)重要功能之一，其目的為求取目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的H維 坐標(biāo)。目前，高精度無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位已成為國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
[0003] 無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位主要可分為有源定位和無(wú)源定位。有源定位W基于姿態(tài)測(cè)量/激 光測(cè)距定位模型為主，該種定位模型下，無(wú)人機(jī)需要裝備光電偵察平臺(tái)W完成目標(biāo)跟蹤、激 光測(cè)距等功能。有源定位測(cè)量精度一般較高，但激光屬于可見光范疇，不利于自身的隱蔽， 同時(shí)配備光電偵察平臺(tái)成本開銷較大。無(wú)源定位通過(guò)攝像機(jī)采集目標(biāo)圖像，利用圖像分析 算法獲取目標(biāo)位置，主要有：基于圖像匹配模式的目標(biāo)定位，該種方法利用可獲取的多源圖 像資源，在建立預(yù)先基準(zhǔn)圖像條件下，將經(jīng)過(guò)校正的無(wú)人機(jī)電視圖像與基準(zhǔn)圖片進(jìn)行匹配， 從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，該方法目標(biāo)定位精度較高，但實(shí)時(shí)性差，且受數(shù)據(jù)獲取的限制，適用性 不高；基于成像模型的目標(biāo)定位，是在獲取載體高程、攝像機(jī)焦距、攝像機(jī)外方位元素等參 數(shù)的條件下，利用共線條件方程計(jì)算地面目標(biāo)與載體的相對(duì)位置。在實(shí)際使用中，該方法需 要假定待測(cè)目標(biāo)區(qū)域?yàn)槠教沟孛?，目?biāo)定位精度較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種基于多目視覺的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法。通過(guò)對(duì)同一目標(biāo) 點(diǎn)的多次觀測(cè)，達(dá)到類似于多目視覺定位測(cè)量的效果。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是；一種基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法，其特征 在于，包括W下過(guò)程： 第一步、確定無(wú)人機(jī)裝備衛(wèi)星接收機(jī)、慣性測(cè)量單元（IMU)、攝像機(jī)云臺(tái)、攝像機(jī)，其中 攝像機(jī)云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)二自由度運(yùn)動(dòng)； 第二步、在無(wú)人機(jī)起飛前，標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)； 第H步、在無(wú)人機(jī)飛行中，選擇感興趣的目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)節(jié)攝像機(jī)云臺(tái)的方位角和高低角， 保證在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)； 第四步、提取出不同時(shí)刻所拍攝圖像中目標(biāo)同名點(diǎn)的坐標(biāo)； 第五步、基于加權(quán)最小二乘估計(jì)的多站目標(biāo)定位模型計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)(義r，巧； 第六步、W第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的地理坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，將轉(zhuǎn)換為經(jīng)締度 和大地高，完成目標(biāo)定位過(guò)程。
[0006] 所述的第二步中，標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的具體標(biāo)定方法包括W下步驟： (1) 準(zhǔn)備攝像機(jī)標(biāo)定祀標(biāo)； (2) 利用攝像機(jī)拍攝不同方位的15幅圖像，確保獲取的圖像在視場(chǎng)各個(gè)范圍內(nèi)均有分 布，同時(shí)攝像機(jī)的拍攝距離和祀標(biāo)的放置角度要有充分變化； (3) 提取拍攝圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)，使用張正友標(biāo)定方法標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明基于多目視覺的無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位方法不需要搭載光 電偵察平臺(tái)，無(wú)需進(jìn)行激光測(cè)距，有效的保證了自身安全，也降低了測(cè)量設(shè)備的成本。同時(shí)， 該方法具有較高的定位精度，適用范圍廣，對(duì)高精度無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位領(lǐng)域具有重要的實(shí)際 意義。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是本發(fā)明所使用的無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位系統(tǒng)； 圖2是本發(fā)明攝像機(jī)標(biāo)定祀標(biāo)； 圖3是交叉目標(biāo)定位方法示意圖； 圖4是多站目標(biāo)定位方法7]^意圖； 圖5是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 本發(fā)明一種基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法，包括W下過(guò)程： 第一步、確定無(wú)人機(jī)裝備衛(wèi)星接收機(jī)、慣性測(cè)量單元（IMU)、攝像機(jī)云臺(tái)、攝像機(jī)，其中 攝像機(jī)云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)二自由度運(yùn)動(dòng)(方位旋轉(zhuǎn)和高低旋轉(zhuǎn))。
[0010] 第二步、在無(wú)人機(jī)起飛前，使用本發(fā)明中的攝像機(jī)標(biāo)定方法，確定攝像機(jī)的內(nèi)參 數(shù)。
[0011] 第H步、在無(wú)人機(jī)飛行中，選擇感興趣的目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)節(jié)攝像機(jī)云臺(tái)的方位角和高低 角，保證一定時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)。
[0012] 第四步、提取出不同時(shí)刻所拍攝圖像中目標(biāo)同名點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0013] 第五步、根據(jù)本發(fā)明中的基于加權(quán)最小二乘估計(jì)的多站目標(biāo)定位模型計(jì)算出目標(biāo) 點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)C又。
[0014] 第六步、W第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的地理坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，將（乂，轉(zhuǎn)換為經(jīng) 締度和大地高，完成目標(biāo)定位過(guò)程。
[0015] W下對(duì)上述流程進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 1系統(tǒng)構(gòu)成與坐標(biāo)定義 1. 1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本發(fā)明討論的無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位系統(tǒng)包括衛(wèi)星接收機(jī)1、慣性測(cè)量單元（IMU) 2、攝像機(jī) 云臺(tái)3和攝像機(jī)4,攝像機(jī)4安裝在攝像機(jī)云臺(tái)3上，攝像機(jī)云臺(tái)3可實(shí)現(xiàn)二自由度運(yùn)動(dòng)(方 位旋轉(zhuǎn)和高低旋轉(zhuǎn))，如圖1所示（IMU用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)姿態(tài)，衛(wèi)星接收機(jī)用來(lái)獲取無(wú)人機(jī)位 置，攝像機(jī)云臺(tái)用來(lái)調(diào)整攝像機(jī)的指向）。攝像機(jī)云臺(tái)3和攝像機(jī)4采用吊艙式結(jié)構(gòu)安放在 飛機(jī)上。在目標(biāo)定位過(guò)程中，偵察視頻和遙測(cè)信息經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳輸至地面站顯示，操縱手通過(guò) 操縱桿及其它指令控制攝像系統(tǒng)搜索偵察目標(biāo)，當(dāng)感興趣的目標(biāo)出現(xiàn)在畫面上時(shí)，通過(guò)對(duì) 目標(biāo)同名點(diǎn)的多次拍攝，結(jié)合飛機(jī)的姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星接收機(jī)1位置信息、攝像機(jī)云臺(tái)3 的方位角和高低角等數(shù)據(jù)，通過(guò)一系列的計(jì)算，獲取目標(biāo)的H維坐標(biāo)，完成定位過(guò)程。
[0017] 1.2坐標(biāo)定義 首先，定義如下坐標(biāo)系： (1)世界坐標(biāo)系 也稱全局坐標(biāo)系，本發(fā)明W無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)定位時(shí)第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的地理坐標(biāo)系為世界 坐標(biāo)系。
[0018] (2)攝像機(jī)坐標(biāo)系 攝影機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為攝像機(jī)光也，X軸與Y軸與圖像的X，Y軸平行，Z軸為攝像機(jī)光 軸，它與圖像平面垂直。
[001引 （3)圖像坐標(biāo)系 圖像物理坐標(biāo)系是W光軸與像平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)（稱為圖像主點(diǎn))，W實(shí)際物理尺度 (毫米、微米等)為單位的直角坐標(biāo)系。其中X軸、Y軸分別與圖像像素坐標(biāo)系的X、Y軸平行。
[0020] 圖像像素坐標(biāo)系是W圖像左上角點(diǎn)為原點(diǎn)，W像素為坐標(biāo)單位的直角坐標(biāo)系。X、 Y分別表示該像素在數(shù)字圖像中的行數(shù)與列數(shù)。
[0021] 2無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位關(guān)鍵技術(shù) 2. 1攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定 攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是確定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的一個(gè)過(guò)程，其中內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定是指確定 攝像機(jī)固有的、與位置參數(shù)無(wú)關(guān)的內(nèi)部幾何與光學(xué)參數(shù)，包括圖像中也坐標(biāo)、焦距、比例因 子和鏡頭崎變等。無(wú)人機(jī)航拍搭載的傳感器一般為高分辨率大視場(chǎng)數(shù)碼攝像機(jī)，存在較為 明顯的鏡頭崎變，且無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中存在飛行平臺(tái)姿態(tài)不穩(wěn)定W及發(fā)動(dòng)機(jī)引起的機(jī)體振 動(dòng)，同時(shí)為了滿足不同攝影環(huán)境還需要頻繁變焦。因此，為了提高定地目標(biāo)定位的精度，攝 像機(jī)標(biāo)定十分必要。
[0022] 攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)包括線性變換參數(shù)和非線性崎變參數(shù)。線性變換是指經(jīng)典的中也 透視模型，線性透視變換表達(dá)了圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的映射關(guān)系。成像過(guò)程不服從 中也透視模型的稱為攝像機(jī)的非線性崎變，由于透鏡設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和工藝水平等因素的影 響，實(shí)際透鏡成像系統(tǒng)不可能嚴(yán)格滿足中也透視模型，產(chǎn)生所謂的鏡頭崎變，常見的如徑向 崎變、切向崎變、薄棱鏡崎變等，因而在遠(yuǎn)離圖像中也處會(huì)有較大的崎變，在實(shí)際高精度攝 影測(cè)量中，尤其在使用廣角鏡頭時(shí)，應(yīng)該采用非線性模型來(lái)描述成像關(guān)系。
[0023] 在攝像機(jī)成像中，理想像點(diǎn)（電J)應(yīng)該服從中也透視投影模型，即物點(diǎn)、光也、像 點(diǎn)共線。但由于鏡頭崎變的存在，實(shí)際成像點(diǎn)（.rj'）與理想像點(diǎn)（戈J)不重合，它們之間 的差別稱之為像差。鏡頭崎變分為徑向崎變和切向崎變，考慮徑向崎變和切向崎 變的相差模型可由5個(gè)相差系數(shù)來(lái)描述：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法，其特征在于，包括以下過(guò)程： 第一步、確定無(wú)人機(jī)裝備衛(wèi)星接收機(jī)、慣性測(cè)量單元GMU)、攝像機(jī)云臺(tái)、攝像機(jī)，其中 攝像機(jī)云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)二自由度運(yùn)動(dòng)； 第二步、在無(wú)人機(jī)起飛前，標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)； 第三步、在無(wú)人機(jī)飛行中，選擇感興趣的目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)節(jié)攝像機(jī)云臺(tái)的方位角和高低角， 保證在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)； 第四步、提取出不同時(shí)刻所拍攝圖像中目標(biāo)同名點(diǎn)的坐標(biāo)； 第五步、基于加權(quán)最小二乘估計(jì)的多站目標(biāo)定位模型計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)(HD; 第六步、以第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的地理坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，將轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度和大 地高，完成目標(biāo)定位過(guò)程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多站測(cè)量的無(wú)人機(jī)高精度目標(biāo)定位方法，其特征在于， 所述的第二步中，標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的具體標(biāo)定方法包括以下步驟： (1) 準(zhǔn)備攝像機(jī)標(biāo)定靶標(biāo)； (2) 利用攝像機(jī)拍攝不同方位的15幅圖像，確保獲取的圖像在視場(chǎng)各個(gè)范圍內(nèi)均有分 布，同時(shí)攝像機(jī)的拍攝距離和靶標(biāo)的放置角度要有充分變化； (3) 提取拍攝圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)，使用張正友標(biāo)定方法標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104501779SQ201510010637
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月9日
【發(fā)明者】馬傳焱, 時(shí)荔蕙, 王春龍, 郝博雅, 孫宇翔, 高洪興 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)