基于序列圖像匹配的飛行器全程導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種飛行器導(dǎo)航方法，具體講是一種基于序列圖像匹配的飛行器全程 導(dǎo)航方法，屬于飛行器導(dǎo)航領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像匹配導(dǎo)航是目前飛行器導(dǎo)航的熱門研宄領(lǐng)域，其具有成本低廉、受電磁干擾 影響較小、信息豐富的等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的圖像匹配利用飛行器采集的地面實(shí)時(shí)圖與存儲(chǔ)在存 儲(chǔ)設(shè)備中的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行匹配，獲得的位置信息，其搜索量較大，較難獲得實(shí)時(shí)的信息，而 且不能有效獲得飛行姿態(tài)，特別是俯仰角與橫滾角，影響導(dǎo)航精度。此外，傳統(tǒng)圖像匹配導(dǎo) 航大多為單幅圖像匹配，也很難獲得連續(xù)的飛行參數(shù)，在飛行器導(dǎo)航中處于輔助導(dǎo)航的地 位，一般需要配合慣性導(dǎo)航儀器使用，用于消除慣性導(dǎo)航的累積誤差。
[0003] 慣性導(dǎo)航由于有其受外界影響較小，導(dǎo)航精度高等優(yōu)點(diǎn)，一直作為飛行器導(dǎo)航的 主要手段。但是慣性導(dǎo)航存在累積誤差，在導(dǎo)航過(guò)程要進(jìn)行清除；此外，慣性導(dǎo)航儀器的價(jià) 格成本相對(duì)較高，阻礙其在小型飛機(jī)、無(wú)人機(jī)或者民用設(shè)備的導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決有技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種無(wú)需與慣性導(dǎo)航儀 器配合使用，可連續(xù)獲得導(dǎo)航參數(shù)，導(dǎo)航精度高的基于序列圖像匹配的飛行器全程導(dǎo)航方 法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的基于序列圖像匹配的飛行器全程導(dǎo)航方 法，包括在飛行器機(jī)體上沿機(jī)體坐標(biāo)系分別安裝縱軸向前的攝像頭A、橫軸向右的攝像頭 B、豎軸向下的攝像頭C;在所述攝像頭C的位置處安裝高度計(jì)；
[0006] 1)、在飛行器起飛前，對(duì)飛行路徑進(jìn)行航跡規(guī)劃，生成基準(zhǔn)圖并標(biāo)定特征區(qū)域；
[0007] 2)、飛行過(guò)程中通過(guò)攝像頭A、攝像頭B和攝像頭C，以相同的時(shí)間間隔At，連續(xù)拍 攝序列圖像A、序列圖像B和序列圖像C;
[0008] 3)、對(duì)序列圖像A進(jìn)行地平線提取，并對(duì)地平線進(jìn)行直線擬合，計(jì)算所述直線與圖 像水平方向夾角的絕對(duì)值，得到飛行器的橫滾角巾的絕對(duì)值，取飛行器繞縱軸右滾為正； 對(duì)序列像B進(jìn)行地平線提取，并對(duì)地平線進(jìn)行直線擬合，計(jì)算所述直線與圖像水平方向夾 角的絕對(duì)值，得到飛行器俯仰角0的絕對(duì)值，取飛行器抬頭為正；
[0009] 4)、根據(jù)相鄰幀間高度計(jì)的高度信息變化，對(duì)序列圖像C進(jìn)行圖像采樣，使序列圖 像C中任意相鄰兩幀圖像景物處于同一尺寸；
[0010] 5)、通過(guò)圖像匹配得出序列圖像C中各幀間圖像像素平移向量[、圖像旋轉(zhuǎn)角度和 飛行器的航向角步，航向角力取機(jī)頭沿縱軸右偏為正；所述飛行器的航向角力為序列圖 像C中各圖像旋轉(zhuǎn)角度的累計(jì)；
[0011] 6)、利用高度計(jì)的高度信息與所述橫滾角（K俯仰角0和平移向量I，將平移向量X從圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系；
[0012] 7)、判斷幀間橫滾角（K俯仰角0在兩幀圖像間是否有變化，若有，則對(duì)飛行器在 相機(jī)坐標(biāo)系飛行距離進(jìn)行修正，計(jì)算飛行器幀間飛行距離與速度；
[0013]8)、將飛行器的橫滾角巾、俯仰角0、航向角！D及其角速度，飛行器的高度、位置 以及速度輸出，作為飛行器當(dāng)前的導(dǎo)航參數(shù)。
[0014] 9)、在飛行器導(dǎo)航過(guò)程中重復(fù)上述步驟不斷計(jì)算飛行器位置，當(dāng)序列圖像經(jīng)過(guò)基 準(zhǔn)圖中的特征區(qū)域時(shí)，將序列圖像與所述特征區(qū)域進(jìn)行圖像匹配，消除序列圖像導(dǎo)航中產(chǎn) 生的累積誤差。
[0015] 作為優(yōu)選，上述步驟6)的過(guò)程為：計(jì)算序列圖像C中任意后一幀圖像中心點(diǎn)在前 一幀圖像中位置，同時(shí)計(jì)算后一幀圖像中心點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中位置；計(jì)算序列圖像C中前 一幀圖像中心點(diǎn)位置，同時(shí)計(jì)算前一幀圖像中心點(diǎn)位置在相機(jī)坐標(biāo)系中位置；所述后一幀 圖像中心點(diǎn)位置與前一幀圖像中心點(diǎn)位置在相機(jī)坐標(biāo)系中的之差為相機(jī)坐標(biāo)系中的平移 向量；從圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系的模型為：
[0017] 式中，Xe、Y。為序列圖像C中圖像在相機(jī)坐標(biāo)系中坐標(biāo)，u，v為圖像C中圖像像素 在圖像坐標(biāo)系中坐標(biāo)，IV%攝像機(jī)光軸經(jīng)過(guò)圖像坐標(biāo)系平面的坐標(biāo)，f為焦距，Z。為相機(jī)中 心點(diǎn)到地面距離，Zc=h/(cos( 0 ) ?cos〇))，h為高度計(jì)獲得的高度信息。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：（1)、本發(fā)明基于利用三個(gè)方向的攝像頭拍攝連續(xù)序列圖 像，各序列圖像間由于大小相同，尺度變化小，噪聲分布相同，具有很高的匹配成功率與實(shí) 時(shí)性，可以獲得全程連續(xù)的導(dǎo)航參數(shù)，大大提升了導(dǎo)航精度；其可以在一定程度上代替慣性 導(dǎo)航，降低飛行器的導(dǎo)航成本，可廣泛應(yīng)用于中小型飛行器上；⑵、將序列圖像與基準(zhǔn)圖規(guī) 定特征區(qū)域匹配，可自主消除利用圖像匹配可能產(chǎn)生累積誤差，提升導(dǎo)航精度與效率；（3)、 本發(fā)明器件模塊化程度高，便于維修替換，器件成本低廉，重量輕，可有效保證飛行器的機(jī) 動(dòng)性；(4)、本發(fā)明器件模塊化程度高，便于維修替換，器件成本低廉，重量輕，降低了飛行器 中導(dǎo)航系統(tǒng)的成本，提高了飛行器的機(jī)動(dòng)性；其在進(jìn)行連續(xù)導(dǎo)航的同時(shí)，還可以獲得飛行器 下方的地理信息，以便于更廣泛地應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明飛行器機(jī)體坐標(biāo)系中三個(gè)攝像頭位置示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明基于序列圖像匹配的飛行器全程導(dǎo)航方法流程圖；
[0021] 圖3是本發(fā)明中圖像坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系關(guān)系圖；
[0022] 圖4是攝像頭C拍攝相鄰兩幀拍攝圖不意圖；
[0023] 圖5是地平線擬合線在圖像坐標(biāo)系中的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明是基于序列圖像匹配的飛行器全程導(dǎo)航方法中需沿機(jī)體坐標(biāo) 系安裝縱軸向前的攝像頭A、橫軸向右的攝像頭B、豎軸向下攝像頭C，并在攝像頭C的部位 裝一個(gè)高度計(jì)；同時(shí)安裝數(shù)據(jù)處理芯片、用于存儲(chǔ)基準(zhǔn)圖的存儲(chǔ)器件。
[0026] 如圖2所示，本發(fā)明基于序列圖像匹配的飛行器全程導(dǎo)航方法采取如下步驟：
[0027] 步驟1 :在飛行器起飛前，對(duì)飛行路徑進(jìn)行航跡規(guī)劃，生成基準(zhǔn)圖，對(duì)路徑中特征 明顯、匹配成功率高的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，稱為規(guī)定特征區(qū)域。
[0028] 步驟2 :飛行器起飛及飛行過(guò)程中同時(shí)開(kāi)啟沿機(jī)體坐標(biāo)系機(jī)體縱軸向前的攝像頭 A，橫軸向右的攝像頭B，豎軸向下攝像頭C，連續(xù)拍攝序列圖像A(apa2,a3,......,aM，an),序 列圖像Bh，b2,b3,......，I，bn)和序列圖像C(Cl,c2,c3,......，Cm,cn)。拍攝過(guò)程中，各序 列圖像相鄰幀間的時(shí)間間隔為At，該時(shí)間間隔保證在飛行器最高速度飛行時(shí)，相鄰兩幀圖 像之間仍然保持較高的重疊區(qū)域，以保證序列圖像間的匹配具有較高的成功率，同時(shí)能保 證在At內(nèi)能完成圖像匹配提取導(dǎo)航參數(shù)。飛行過(guò)程中，攝像頭A和攝像頭B并非要嚴(yán)格 沿機(jī)體系軸設(shè)置，如果飛行器飛行高度較高，可適當(dāng)向下調(diào)整，以保證能拍攝到地平線，這 并不影響對(duì)姿態(tài)角的測(cè)量。
[0029]步驟3:對(duì)序列圖像A(ai，a2,a3,……，an)進(jìn)行地平線提取，并對(duì)地平線進(jìn)行 直線擬合，計(jì)算該直線與圖像水平方向的夾角，該夾角的絕對(duì)值即為飛行器的橫滾角0的 絕對(duì)值，因橫滾角有正負(fù)之分，此處采用經(jīng)典的橫滾角定義，取飛行器繞縱軸右滾為正。構(gòu) 建此導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，結(jié)合具體飛行器繞縱軸滾動(dòng)時(shí)，地平線擬合線在圖像中變化來(lái)判斷橫滾 角的正負(fù)性。對(duì)序列圖像……進(jìn)行地平線提取，并對(duì)地平線進(jìn)行直線 擬合，計(jì)算該直線與圖像水平方向的夾角，該夾角的絕對(duì)值即為飛行器的俯仰角0的絕對(duì) 值，因俯仰角有正負(fù)之分，此處采用經(jīng)典的俯仰角定義，取飛行器抬頭為正。構(gòu)建此導(dǎo)航系 統(tǒng)時(shí)，結(jié)合具體飛行器抬頭時(shí)，地平線擬合線在圖像中變化來(lái)判斷俯仰角的