[发明专利]一种基于单目视觉系统的多尺度空-地参数自动标定方法

说明书

技术领域

本发明属于无人机自主环境感知技术领域，涉及到一种小型飞行器基于机载单目视觉系统的多尺度空-地参数自动标定方法。

背景技术

视觉传感器是无人机实现环境感知的主要设备之一，其具有实时采集图像功能。无人机基于机载单目视觉可实现航拍、目标检测、跟踪以及场景理解等功能，实现无人机上述功能，必须首先完成基于单目视觉的多尺度空-地参数的自动标定。文献(WangIH,DobrokhodovVN,KaminerII,etal.“Onvision-basedtargettrackingandrangeestimationforsmallUAVs”.ProceedingsofAIAAGuidance,NavigationandControlConference.2005)提出了一种小型飞行器基于单目视觉的地面移动目标实时检测与跟踪算法，为了给出被跟踪地面目标的运动轨迹，该系统假设飞机与地面目标的相对距离为事先给定的规定值。但如果无人飞行高度是实时变化的，那么该系统将不能计算出地面目标的运动信息。实际飞行中的无人机高度总处于不断变化中，为了在这种工作条件下仍能完成地面目标参数的估计，文献(毛昭军，汪德虎，姿态测量/激光测距的无人机目标定位模型，火力与指挥控制，2003年05期)通过激光传感器以某一固定脉冲间隔对目标连续测距，并将测距数据与无人机的位姿信息(航向角、倾斜角、俯仰角)相融合来建立定位数学模型，从而完成对地面目标的精准定位。但由于并未提供可行的标定方法来提供飞行高度、目标几何参数以及图像分辨率三者之间的具体对应关系，因此无法用于地面目标参数的在线估计。为了获取地面物体的尺寸信息，文献(StefanikKV,GassawayJC,KochersbergerK,etal.“UAV-basedstereovisionforrapidaerialterrainmapping.”GIScience&RemoteSensing,2011,48(1):24-49.)采用基于视差原理的双目视觉系统来获取被测物体的双目视觉图像，并通过计算图像对应点间的位置偏差来估计地面物体的三维几何信息。该方法可以准确提取目标物体的空间参数，但由于双目视觉系统质量大且性价比低，并不适用于载荷有限的近地面小型飞行器。

无人机要准确计算地面物体(例如车辆、树木)的空间参数或地面环境参数(如道路、河道宽度)，必须要解决对地面特定目标信息的在线估计问题。该问题的本质是提供一种可行的标定方法来获得飞行器飞行高度、地面物体几何参数、图像分辨率三者之间的关系。为了实现这一功能，本发明提出了一种基于单目视觉的小型飞行器多尺度空-地参数自动标定方法，从而为无人机基于单目视觉的目标检测、在线跟踪及场景理解提供技术保障。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种基于单目视觉的小型飞行器多尺度空-地参数标定方法。本发明以小型飞行器作为运动载体，以单目视觉传感器以及气压传感器作为测量装置，以机载计算机作为数据收集及处理平台，完成飞行器飞行高度、地面物体几何参数、图像分辨率三个相互关联的空-地参数的在线标定。

本发明的技术方案为：

采用自制的标定板为标定工具，视觉传感器在空中对地面环境进行图像采集得到序列图像，微型计算机根据接收到的图像数据，对图像数据进行二值化、边缘提取和查找轮廓、计算最小外接矩形等预处理；以预处理后的图像为基础，进行去噪处理，提取出属于标定板的特征点，识别出标定板后，得到标定板的内外矩形长度和宽度的像素个数；微型计算机接受飞行器上气压传感器测得的飞行高度数据，在图像中描绘出像素个数与实际距离的比值和飞机飞行高度的关系曲线，由曲线便可以得到地面物体几何参数数据，完成小型飞行器多尺度空-地参数自动标定，其中图像分辨率能够影响地面物体几何参数数据。

技术方案具体包括以下步骤：

第一步，制作标定板，对图像进行数据采集

针对视觉传感器图像采集特性，选用深色材料，自主设计回形标定板，标定板的内外边框的长宽比相同，便于后续标定板角点的识别，标定板样式如图1所示；通过小型飞行器上的单目视觉传感器采集标定板及标定板附近图像信息，每一个图像像素对应一个灰度值，用整型数字0到255表示，系统通过图像处理，可识别出标定板上内外边缘的八条线段，保证了算法的鲁棒性和结果的准确性。

第二步，通过机载单目视觉传感器采集图像信息，对图像信息进行预处理

2.1对采集的图像信息按公式(1)进行二值化预处理，将标定板突显出来，得到二值化图像