一种无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法

摘要

本发明提出了一种无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法，其包括如下步骤：探测特征点或特征块，并在通信信号和外界定位信号良好的情况下，确定参考点或参考块；在通信信号和外界定位信号受阻或不能使用的情况下，重新探测特征点或特征块；将上述步骤中探测的特征点或特征块与参考点或参考块进行匹配，确定飞行器的位置和姿态。本发明使飞行器在通信及定位信号受阻的情况下，在缺少飞行区域的地理信息时，应用携带的成像系统能够准确地进行飞行器的位置及姿态确定，为飞行器的安全飞行提供保障。另外，本发明也可以结合陀螺仪、测距机、惯性测量单元等传感器进一步提高精度，亦可结合此方法进行飞行器的自主导航。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别涉及一种无标识环境下基于视觉的 飞行器位置与姿态确定方法。

背景技术

目前，典型的无人机飞行控制有两种方法：一是通过通信链路进行远距离 的地面或空中指挥平台进行人工控制实现自动飞行，另一种是地面站规划航线 进行自动飞行，这两种方法往往都需要定位卫星提供位置信息。但是，在某些 条件下，会发生通信信号、卫星定位信号受阻或缺失的情况，例如有意干扰、 近地或在峡谷里飞行、有建筑物遮挡或是在室内，这些情况将导致无人机失去 或暂时失去控制。此时，需要采取一定的措施保证无人机安全飞行，其中一个 关键的问题是无人机要有能力自行确定自己的位置和姿态。目前，现有技术中 对类似问题有如下解决方法：一种解决方法是飞行器利用机载的成像器件采集 图像，然后与其所携带的飞行区域参考地图进行匹配等相关处理，从而确定飞 行器的位置或相对位置及姿态。另一种解决方法是在飞行区域事先设置有已知 准确坐标的标识物，飞行器在机载设备生成的图像上寻找这些标识物，并进行 相关处理，以确定自己的位置或相对位置及姿态。

虽然上述方法能够有效地解决无人机等飞行器在丢失通信及外界定位信 号时的位置及姿态确定等问题，但都需要对飞行区域有足够多的信息，如参考 地图、人工标识等信息，因而不适用于缺少地理信息的飞行环境，如敌对地域、 陌生地域、环境改变等地域的飞行。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种 无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种无标识环境下基于视觉的 飞行器位置与姿态确定方法，其包括如下步骤：

S1：探测特征点或特征块，并在通信信号和外界定位信号良好的情况下， 确定参考点或参考块；

S2：在通信信号和外界定位信号受阻或不能使用的情况下，重新探测特征 点或特征块；

S3：将步骤S2中探测的特征点或特征块与步骤S1中确定的参考点或参考 块进行匹配，确定飞行器的位置和姿态。

本发明使飞行器在通信及定位信号受阻的情况下，在缺少飞行区域的地理 信息时，应用携带的成像系统能够准确地进行飞行器的位置及姿态确定，为飞 行器的安全飞行提供保障。另外，本发明也可以结合陀螺仪、测距机、惯性测 量单元等传感器进一步提高精度，亦可结合此方法进行飞行器的自主导航。

在本发明的优选实施例中，还可以包括以下步骤：

S4：在飞行器飞行过程中，根据已经确定的参考点或参考块确定新的参考 点或参考块，以保证持续地确定飞行器的位置和姿态。

S5：在通信信号和外界定位信号恢复时，利用通信信号和外界定位信号修 正飞行器的位置和姿态，并重新确定参考点或参考块。

本发明使飞行器在飞行的过程中，不断确定新的参考点或参考块，使飞行 器能够持续地确定位置和姿态。在通信信号和外界定位信号恢复时，及时修正 飞行器的位置及姿态信息，能够保障飞行器在缺少地理信息的环境中安全飞 行。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法的流 程图；

图2是本发明无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法的一 种优选实施方式的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元 件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 理解为对本发明的限制。

图1是本发明无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法的流 程图，从图中可见，该无标识环境下基于视觉的飞行器位置与姿态确定方法包 括如下步骤：

S1：探测特征点或特征块，并在通信信号和外界定位信号良好的情况下， 确定参考点或参考块；

S2：在通信信号和外界定位信号受阻或不能使用的情况下，重新探测特征 点或特征块；

S3：将步骤S2中探测的特征点或特征块与步骤S1中确定的参考点或参考 块进行匹配，确定飞行器的位置和姿态。

本发明在步骤S3后还可以包括以下步骤：

S4：在飞行器飞行过程中，根据已经确定的参考点或参考块确定新的参考 点或参考块，以保证持续地确定飞行器的位置和姿态。

本发明在步骤S4后还可以包括以下步骤：

S5：在通信信号和外界定位信号恢复时，利用通信信号和外界定位信号修 正飞行器的位置和姿态，并重新确定参考点或参考块。

本发明探测特征点或特征块的方法为：飞行器利用携带的相机在飞行区域 采集图像，在采集的图像中探测便于查找和匹配的具有稳定性的关键点或区块 作为特征点或特征块。在通信信号和外界定位信号良好的情况下，确定参考点 或参考块的方法为：利用计算机视觉方法对特征点或特征块进行精确定位，定 位后的特征点或特征块即为参考点或参考块。在本实施方式中，计算机视觉方 法可以是但不限于单目视觉方法，双目视觉方法和多目视觉方法之一。

在本实施方式中，在通信信号和外界定位信号受阻或不能使用的情况下， 确定飞行器的位置和姿态的方法为：

S31：在采集的飞行区域图像中探测出特征点或特征块，与参考点或参考 块进行匹配；

S32：过滤去掉误匹配的参考点或参考块，选择足够数目的匹配参考点或 参考块，在本实施方式中，匹配参考点或参考块的数目可根据具体实际情况进 行确定；

S33：计算出相机坐标系和着陆平台坐标系间的位置和姿态，在本实施方 式中，可以根据透视投影原理或利用匹配点之间的仿射关系，计算出相机坐标 系和着陆平台坐标系间的位置和姿态；

S34：通过相机坐标系到飞行器机体坐标系的转换，计算出飞行器的位置 和姿态。

由于飞行器在实际飞行时，通常只是在一段飞行区域内通信信号和外界定 位信号受阻或不能使用，在其他飞行区域内通信信号和外界定位信号能够正常 使用，在这种情况下，本发明在全部飞行区域都能够进对飞行器的位置与姿态 确定，这种优选实施方式的流程图如图2所示。飞行器利用携带的相机在飞行 区域采集图像，为保证后续处理的速度与精度，相机应事先进行标定。在采集 的图像中探测便于查找和匹配的具有稳定性的关键点或区块作为特征点或特 征块。其目的是保证在不同视角的图像中都能探测并匹配到这些特征点或特征 块，特征点或特征块可以选择特征明显的角点或区块，或是具有对旋转、尺度 缩放、亮度变化保持不变性，对视角变化、仿射变换、噪声也保持一定程度的 稳定性的关键点或区块，如SIFT特征点。

在通信信号和外界定位信号良好的情况下，读取飞行器的位置和姿态信 息，利用双目视觉方法对特征点或特征块进行精确定位，定位后的特征点或特 征块称为参考点或参考块。此过程随着无人机的飞行持续进行。

在通信信号和外界定位信号受阻或不可用的情况下，在飞行区域图像中重 新探测出特征点或特征块，并与已经获得的参考点或参考块进行匹配；然后， 过滤去掉误匹配的参考点或参考块，选择足够数目的匹配参考点或参考块；随 后，根据透视投影原理，即已知平面目标的几个点和它们之间的几何尺寸，通 过对应的像点位置以及它们在图像中的几何尺寸可以解算出相机坐标系和着 陆平台坐标系间的位置和姿态；最后，通过对相机坐标系到无人机机体坐标系 的转换，进而精确计算出无人机的位置和姿态。

当通信信号和外界定位信号恢复时，利用通信信号和外界定位信号修正飞 行器的位置和姿态，并重新确定参考点或参考块的位置。在飞行器飞行过程中， 可以根据已经确定的参考点或参考块不断确定新的参考点或参考块，以保证持 续地确定无人机的位置和姿态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体 特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说 明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且， 描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例 中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理 解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。