[发明专利]一种基于单目视觉定位的旋翼无人机姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种基于单目视觉定位的旋翼无人机姿态估计方法，首先对由机载摄像头捕获到的包含视觉标志在内的图像进行预处理，消除图像噪声并突出视觉标志；然后根据视觉标志的几何特征，通过五步法提取出“H”形标志和圆环组成的视觉标志；之后，采用距离三点法检测“H”形标志的12个角点并与预设参考图像中的对应角点进行匹配；最后，根据匹配的角点对计算单应矩阵，并采用直接线性变换DLT方法分解单应矩阵解算出无人机相对视觉标志的姿态角，并依据相机成像的相似三角形原理计算出无人机相对视觉标志的位置数据。该方法计算速度更快，有较好的实用价值。

技术领域

本发明是一种应用于电力巡检、医疗救援、环境监控、灾情监测和农业感 知等领域，在这些应用中，关键的技术就是无人机的自主着陆，要实现无人机的 自主着陆，首要解决的就是无人机姿态的精确估计，而本发明正是基于此给出了 一种精确地无人机姿态估计方法；本发明属于机器学习和图像处理技术领域。

背景技术

随着智能技术、微电子技术、数字通信技术、传感技术和虚拟现实技术等 的蓬勃发展，四旋翼无人机在军事上和民用领域都得到大力发展。四旋翼无人机 涉及到导航、计算机视觉、控制理论、嵌入式电子等多方面的知识，具有体积小、 成本低、机动性灵活、可垂直起降等特点，不仅被应用于医疗救援、环境监控、 灾情监测、远程遥感等领域，而且也越来越多地应用于农业感知和电力检修等特 殊领域。而在无人机的应用中最具挑战的任务之一就是无人机的自主飞行，要实 现自主飞行就要实现无人机的精确自主着陆。传统的无人机自主着陆导航方法主 要有惯性导航、GPS导航和INS/GPS组合导航等方式。惯性导航由于要进行积 分运算，随着运行时间的增加，其累积误差越来越大，甚至发散，而民用领域的GPS精度有限且高精度GPS成本较高，因此，传统的导航方法很难实现无人机 的精确降落。

随着计算机视觉(CV)技术的大力发展，利用视觉获得的图像信息实现无人 机的姿态估计被广泛应用于无人机自主控制。

无人机的视觉定位与导航技术是一种多学科交叉发展而兴起的前沿方式，通 过摄像机等成像装置获取图像，对得到的图像进行处理分析，从而获取运动目标 位置和姿态信息。视觉定位与导航方法无需依靠地面和空中导航设备，能够通过 摄像机实时获取的图像提取丰富的信息，使无人机具有较好的自主运动性能。视 觉定位与导航在无人机上的应用前景十分广阔，也是未来无人机自主控制领域研 究的重要方向，因此，开展对视觉定位的系统关键技术研究意义重大。

1、视觉定位具有以下技术特点和优势：(1)自成体系，无需地面和空中导 航设备辅助；(2)成本低、功耗小、抗干扰能力强。主要依靠机载相机获取信息， 不受电磁等影响；(3)交互能力强，与周围环境信息相互补充、协调；(4)实现 自主定位与跟踪，通过计算相邻帧影像位置关系来得到载体的位姿、运动速度等 导航参数，实现载体的避障、路径规划与场景的实时三维重构等任务，进而实现 定位的自主性以及目标跟踪。

2、目前无人机视觉定位主要存在问题：

(1)无人机视觉定位的实时性有待进一步提高

无人机精确定位时对算法的实时性要求很高，视觉定位中主要涉及到图像的 获取、识别与处理，位姿的解算等内容，由于算法处理方面的不足以及硬件处理 设备的限制，导致图像处理时间损耗较大，对于无人机实现实时精确定位十分不 利。因此在算法优化等方面需要做大量的研究工作。

(2)基于视觉的无人机定位的位姿解算精度有待提高

受限于像机设备的客观不足、图像特征提取精度的不高以及外部环境的复杂 性，在位姿解算中需要的图像特征信息不能够很好的被利用，造成位姿解算结果 有一定的局限性。另外在不同时刻、不同天气状况下飞机处于不同高度的状态时， 拍摄的图像质量都对位姿解算结果影响较大，因此还需要对此类问题进行深入的 分析研究。

发明内容