[发明专利]一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计方法，仅依靠视觉传感器，实现了飞行器的六自由度实时运动估计，适用于室内、低空或深空如火星探测飞行器的导航。

背景技术

由于对传感器的成本、体积、重量的限制，视觉导航成为无人机导航的重要发展方向。“光流”指的是由于观察者与外界环境的相对运动，在人眼或昆虫复眼的视网膜上形成的一系列流动着的图像光强信息。运动场反映真实场景中的三维运动，光流场是运动场在二维图像上的投影，光流蕴含着丰富的导航信息，可以由飞行过程中实时获取的图像序列计算出光流值，从而分析与估计相机和环境的相对运动。

光流导航经过多年的发展，已经成功应用于固定翼或旋翼无人机，成为重要的辅助导航或独立导航手段，可以实现无人机的自主避障、高度保持、自动着陆、目标检测和空中悬停等导航任务。利用前视摄像机的光流避障成为常用的低空无人机避障手段，而下视摄像机常作为运动估计或导航定位的手段。某些光流运动估计方法仅采用下视摄像机，再利用惯性器件得到的角速度计算下视摄像机的平移光流，进行飞行器速度估计，但是陀螺仪有漂移特性，导航时间长时精度会下降，并且没能充分利用周围环境的视觉信息。某些光流运动估计方法仅利用下视摄像机完成六自由度运动参数的估计，准确度较低，特别是速度估计易受到旋转运动的影响，当飞行器具有大幅度三维运动时，速度估计误差较大。还有些基于光流的速度估计与导航定位方法，在二维情形下进行速度估计与定位，局限性较大，并不能很好地应用于实际导航。前视摄像机比下视摄像机含有更丰富的信息，比下视摄像机能更好地估计旋转运动，不仅可以完成避障的任务，更可以和下视摄像机结合完成飞行器的姿态估计，或导航定位任务。

此外，现有的运动估计方程将每个特征点的深度作为状态量，每增加一个特征点的光流值作为量测量，系统就会增加一维，计算量大。总之，现有的基于单独下视摄像机的运动估计方法精确度较低，基于平飞假设的运动估计方法局限性较大，运动估计方程计算量有待降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计方法，利用基于前视和下视摄像机的光流检测装置，可以实现飞行器的六自由度实时运动估计，能够最大限度的避免飞行器的三维旋转对速度估计的影响，并利用一种维数较低的运动估计方程作为量测方程求取三维速度，减少计算量。

本发明的技术解决方案为：一种基于双摄像机的飞行器光流检测装置的运动估计方法，通过下列步骤实现：

(1)采用前视与下视摄像机组成飞行器光流检测装置，飞行过程中实时采集前视和下视图像，分别计算前视和下视图像当前帧和前一帧之间对应多个特征点的光流值和

(2)利用前视图像平移光流分布特点和光流的解耦思想，建立非线性方程组求解飞行器的角速度，进而更新姿态角；

(3)利用获得的角速度计算下视图像旋转光流，再由计算下视图像平移光流。利用获得的姿态角，将下视图像的各个特征点的深度表征为飞行器离地高度的函数，建立新型平移运动估计方程，用UKF求解飞行器速度v；

(4)在飞行器飞行过程中，不断重复(1)到(3)，直至导航结束。

本发明的原理是：光流场是运动场在二维图像上的投影，光流蕴含着丰富的导航信息，可以由飞行过程中实时获取的图像序列计算出光流值，从而分析与估计相机和环境的相对运动。前视图像的平移光流交于一点，利用光流的解耦思想可以用旋转光流代替平移光流，进而求得飞行器的角速度和姿态角。将角速度传入下视摄像机的运动估计，得到下视摄像机图像的平移光流作为量测量；将姿态角传入下视摄像机的运动估计，写出一种维数较低的运动估计方程作为量测方程求取飞行器的三维速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过前视与下视摄像机的结合，可以完成飞行器六自由度运动估计。将基于前视光流信息的运动估计结果传入下视运动估计，避免了三维旋转对速度估计的影响，提高了运动估计的精度，并且估计结果无漂移。将三维姿态用于深度的计算，适用于飞行器的三维导航，具有很强的实用性。此外，本发明用到的前视摄像机可以同时进行避障和运动估计，不需增加额外的设备，减少无人机的载荷。

(2)本发明涉及到的新型运动估计方程不以特征点的深度作为状态量，降低了系统维数。系统最少只有四个状态量，增加特征点只会增加量测信息，并不会增加系统维数，降低了计算量，提高了运算速率。

附图说明

图1为本发明的设计流程图；

图2为本发明涉及的摄像机安装方向及摄像机坐标系示意图；