[发明专利]一种用于移动平台下视觉着舰导航的位姿估计系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于无人机自主着舰领域，具体涉及一种用于移动平台下视觉着舰导航的位姿估计系统及方法。

背景技术

无人机自主着降能力是自主飞行能力的核心部分。在现有的着陆导航方式中，惯性导航由于需要通过积分运算来得到飞行器大概位置和速度信息，使得误差会随着时间的推移不断增加；GPS(Global Positioning System)卫星导航容易受到电子干扰；INS/GPS(INS:Inertial Navigation System)组合导航系统只能定位自身的位姿信息,若在特定地点实施降落,即便在提前知晓降落点经纬度的情况下,也难以保证降落的精度。当需要在移动平台上实施自主降落时,除非能获知平台的实时姿态及位置信息,否则无法完成降落任务。由此可知,单独使用INS/GPS组合导航系统并不能提供无人机自主降落所需的导航信息。

现有的基于计算机视觉着陆导航技术主要解决无人机在静止平台上的着陆问题，很少涉及到移动平台上的着舰问题；并且对于获取全部三维位姿信息的情况，现有技术一般采用双目立体视觉对场景进行三维重建而获得目标的位姿信息，采用双目立体视觉方法可以处理大部分的场景，但重建后获得的深度信息可能有深度丢失的情况从而导致位姿信息计算不完整或错误；同时基于双目视觉的三维重建计算量大，实时性不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于移动平台下视觉着舰导航的位姿估计系统及方法，以便有效的降低开发成本，缩短视觉导航技术的研发周期，实现无人机在移动平台上安全着陆。

本发明的技术方案是：一种用于移动平台下视觉着舰导航的位姿估计方法，具体步骤是：

步骤101：开始对无人机视觉着舰导航进行位姿估计；

步骤102：设计一个由两个长3米、宽1米的矩形组成的黑色“T”型地标；正视地标时，左上角角点定为地标坐标系原点，坐标为(0,0)；

步骤103：由全球定位系统导航和惯性导航组成的组合导航方式引导无人机飞行；

步骤104：通过目标匹配判断无人机是否到达着舰地标上空，若是则执行步骤105，否则执行步骤103，继续引导飞行；

步骤105：摄像机获取图像；

步骤106：对获取的图像进行二值化、形态学运算、轮廓提取处理，为步骤108提取角点做准备；

步骤107：运用直方图匹配算法进行目标匹配；

步骤108：对匹配成功的图像提取8个Harris角点，结果为像素坐标系下y坐标最小的点为初始点，其余各点依轮廓顺时针排列，并保留每个角点的像素坐标；

步骤109：跟踪步骤108提取的角点；

步骤110：判断步骤108得到的角点排列方式，当a、b两点之间距离大于a、h两点之间距离时步骤109所得排序即为正确顺序，当a、b两点之间距离小于a、h两点之间距离时需要对所有点重新排序，遍历轮廓，取x坐标最小的点为初始点，其余各点按轮廓顺时针依次排序；

步骤111：使用步骤110得到的角点像素坐标、初始化得到的角点世界坐标、摄像机参数矩阵、各坐标系之间的关系求解位姿估计值；

步骤112：对由惯性传感器和全球定位系统估计到的位姿数据和视觉算法解算的位姿数据进行融合，得到最终结果；

步骤113：判断位姿估计算法是否完成，如果是，则视觉着舰导航位姿估计算法结束，否则转至步骤103；

步骤114：视觉着舰导航位姿估计算法结束。

一种用于移动平台下视觉着舰导航的位姿估计系统，其特征是包括：

地标设计模块，用于提供需要的地标；

图像处理模块，用于对当前帧图像进行图像处理，使用多边形拟合算法对着陆地标进行多边形拟合并进行直方图匹配，匹配成功后提取8个Harris角点，对所得角点顺时针排序与着陆地标对应后将结果传至位姿解算模块；

数据融合模块，用于提高位姿估计的准确性；

位姿解算模块，用于计算移动舰船相对于无人机的位姿数据；首先计算无人机相对于着陆地标的旋转矩阵和平移矩阵，然后通过欧拉角与旋转矩阵关系得到姿态角估计值，通过平移矩阵和系统坐标系转换关系计算得到位置估计值，最后，用求得的位姿数据减去由惯性传感器和全球定位系统得到的无人机的位姿数据即可得到船相对于无人机的位姿数据，实时估计位姿数据；

角点提取模块，对摄像机模块传送的图像数据进行角点提取，把提取到的8个角点送至角点跟踪模块；

角点跟踪模块，把跟踪的角点送至角点排序模块；