[发明专利]一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法

说明书

本发明公开了一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法。首先，利用载体的前视摄像头检测出地平线，根据地平线在图像中的位置以及相机参数可以推算出载体的横滚角和俯仰角；其次，根据偏振相机得到天空偏振信息图像，从偏振度图像中利用椭圆拟合方法提取出偏振中性点，根据偏振中性点在相机坐标系和地理坐标系的转换关系建立载体三维姿态方程；最后将由地平线导航得到的横滚角和俯仰角带入载体三维姿态方程，解算出载体航向角，从而得到载体的三维姿态。本发明方法具有全自主、无源性等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法，可用于载体在整个飞行过程中的三维姿态获取。

背景技术

偏振光是由于太阳光在大气传输过程中受到大气粒子散射而形成的，天空中不同偏振态的偏振光形成了大气偏振模式。仿生偏振光导航就是依靠稳定的大气偏振模式的一种导航方法。偏振光导航有着无源无辐射等优点使其近年来被广泛研究。由于单一的偏振光导航只能获取载体的航向角，因此目前大多用偏振导航与惯性器件组合来获取载体三维姿态。已申请的中国专利“一种双模式仿生偏振/地磁辅助组合导航系统”，申请公开号CN105021188，使用仿生偏振导航、地磁导航与惯性导航结合来获取载体的三维姿态，其中载体的横滚角和俯仰角主要由惯性导航提供，因此可能会有累积误差。基于地平线的导航方法由于其简单、环境适应性强等优点被作为常用的导航方法之一，但是现有方法大多忽略了载体高度对地平线导航精度的影响。已发表的论文“基于直线模型的微型飞行器姿态角计算”，没有建立载体高度模型而是直接忽略高度对姿态角估计的影响，最后得到的导航模型会有相应的误差。地平线导航只能获取载体的横滚角和俯仰角，因此地平线导航多与基于其它标志物的视觉导航方法结合获取载体的三维姿态。已发表的论文“基于跑道的视觉导航信息分析”，利用地平线与跑道线的视觉信息建立了无人机在着陆时的三维姿态解算模型，但是这种方法仅适用于无人机自主着陆场合，不能在无人机自主飞行的时候实时得到载体三维姿态信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法。利用地平线导航得到载体的横滚角和俯仰角，利用偏振光导航建立基于偏振中性点的载体三维姿态方程，通过将由地平线导航得到载体的横滚角和俯仰角带入载体的三维姿态方程，解算出载体航向角，实现载体的三维姿态获取。

本发明的技术方案是：一种基于地平线与偏振光的载体三维姿态获取方法，其实现步骤如下：

步骤(1)利用载体前视摄像机获取地平线信息，并计算出地平线在图像坐标系下的直线方程L，利用直线方程L、载体距地面高度H及相机参数估计出载体横滚角γ和俯仰角θ；

步骤(2)利用载体上视偏振相机获取天空偏振图像，计算出天空偏振度信息p和偏振方位角信息并提取出偏振中性点；

步骤(3)通过相机标定计算出偏振中性点在相机坐标系下的方向向量用表示偏振中性点在地理坐标系下的方向向量，然后通过相机坐标系与机体坐标系的转换矩阵和机体坐标系和地理坐标系之间的转换关系建立基于偏振中性点的载体三维姿态方程

步骤(4)将由地平线导航估计出的横滚角γ和俯仰角θ带入基于偏振中性点的载体三维姿态方程，解出载体航向角ψ，得到载体三维姿态信息。

所述步骤(1)具体实现如下：

用载体前视摄像机获取含地平线的图像，用边缘提取和霍夫变换提取出图像中的地平线，并计算出地平线在图像坐标系下的直线方程L：

L:y＝kx+b

其中，x为图像坐标系横轴，y为图像坐标系纵轴，k为直线斜率，b为直线截距。