[发明专利]基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪目标的控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取旋翼无人机下方的图像，对该图像进行预处理操作；

步骤2、当旋翼无人机稳定在固定高度后，通过计算预处理后的图像中各轮廓面积并与目标物轮廓面积对比来筛选轮廓，再判断该轮廓范围内是否为目标颜色；若为目标颜色则成功检测到目标特征标志，实现自主检测目标物，执行步骤3；若不是目标颜色则返回步骤1；

步骤3、利用步骤2检测到的目标特征标志的轮廓的最小面积包围矩形窗口来初始化连续自适应均值偏移算法的搜索窗口，并对该窗口范围内的目标图像建立HSV中H分量的直方图，再通过反向投影确定目标模板；

步骤4、计算初始搜索窗口的零阶距、一阶距和二阶距，进而得到初始的目标物质点信息，利用该信息初始化卡尔曼滤波器；

步骤5、引入一目标遮挡因子τ，τ为相邻两帧目标特征面积之比；若0.85≤τ＜1.2，则无遮挡；此时，利用卡尔曼滤波器来预测下一帧目标的位置，再利用连续自适应均值偏移算法在预测位置的附近搜索目标物，自适应均值漂移算法输出的目标物质点信息作为测量值来修正卡尔曼滤波算法得到的目标物质点信息的估计值，再将修正后的值作为下一帧的输入值，并利用该修正后的值计算旋翼无人机与目标物之间的实际相对误差距离，根据实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪目标物；

步骤6、若τ＜0.85，引入另一个目标遮挡因子τ′，≤τ′＜为发生遮挡之后每帧的目标特征面积与无遮挡时目标特征面积S之比；若0.2≤τ′＜0.85，判断为部分遮挡；目标物质点信息以卡尔曼滤波算法预测的位置为主，减小连续自适应均值偏移算法测量值在观测更新中的权重，同时固定搜索窗口大小为开始遮挡时搜索窗口的大小，直至τ′的值不发生变化但仍满足0.2τ′0.85，调整搜索窗口为图像中目标特征面积的大小，同时根据计算得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪目标物，直至τ≥0.85，返回执行步骤5；

步骤7、若τ′＜0.2，判断为全部遮挡；在这一情况下，取消搜索窗口，以卡尔曼滤波算法的预测状态更新目标物质点信息，结合此时的目标物质点信息计算旋翼无人机与目标物之间的实际相对误差距离，根据实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪目标物，使用2倍于无遮挡时搜索窗口大小的窗口作为新的搜索窗口在目标的运动方向上进行搜索，直至目标特征标志重新出现，进而返回执行步骤6；

所述步骤1具体如下：

(1.1)、首先对图像进行灰度化并利用中值滤波来滤除噪声影响；

(1.2)、然后对预处理后的图像进行自适应阈值处理，获取二值图像，根据不同的背景环境选取不同的参数；

(1.3)、最后获取二值图像中的轮廓信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制方法，其特征在于，所述目标特征标志为一个带有黑色边框的红色矩形。

3.根据权利要求2所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制方法，其特征在于，所述带有黑色边框的红色矩形的特征标志物包括一A4纸大小的红色矩形，其RGB颜色对应的值为(255,0,0)以及其外围的3厘米宽的黑色边框。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制方法，其特征在于，所述自主检测目标物是在所获取的图像的所有轮廓中，根据目标物的轮廓特征与轮廓面积筛选出目标物的轮廓，并结合目标物的颜色特征来判断是否为目标物。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制方法，其特征在于，所述目标物轮廓面积是结合旋翼无人机飞行的高度和实际的目标物的长和宽，根据小孔成像的原理计算得到的目标物在图像中的理论面积大小；所述目标物质点信息是目标物在图像物理坐标系中成像点的位置信息，即为目标物质点在图像像素坐标系中的成像位置和图像中心点位置之间的物理偏差；所述图像物理坐标系是以图像中心为原点的图像坐标系；图像像素坐标系是以图像左上点为原点的图像坐标系，以上两种图像坐标系之间存在固定的转换关系，图像中心点位置通过对摄像头标定得到。