[发明专利]一种基于视频图像的微型飞行器姿态角自动检测方法

说明书

技术领域

本发明属于微型飞行器控制技术领域，具体涉及一种基于视频图像的微型飞行器姿态角自动检测方法。

背景技术

微型飞行器是一种遥控式的无人轻量级飞行器，由于其体积小、重量轻，在自然灾害探测、核生化探测、森林火灾探测、军事侦察等危险领域具有广泛的运用前景。但由于其载荷能力不足，搭载的工作设备有限，一般只搭载微型摄像机和无线传输装置，并且在飞行过程中需要人为的遥控调整其飞行姿态。

微型飞行器自主飞行姿态调整，依赖于对飞行姿态的检测。地平线(天地线)通常是提取飞行器姿态的基础。目前比较常用的图像地平线检测方法有如下两种：

一、利用自动阈值分割和Hough直线检测方法，这种方法在天地背景较为清晰无噪声的情况下成功率较高，但飞行采用无线信号传输，难免会受到干扰，导致图像质量下降，造成大量误检。

二、利用分类识别的方法，主要通过提取图像SIFT特征描述子利用SVM进行训练和识别，这种方法需要大量的训练数据，并且硬件实现复杂，计算量大，不适合实时计算。

因此需要寻找一种检测可靠、计算量小且易于硬件实现的方法，实现高质量、低成本的地平线检测。

发明内容

本发明的目的正是为了实现微型飞行器的姿态的自动校正，设计了一种基于前视摄像机成像、通过提取成像中的天地分界线即地平线的方法，适用于低成本无姿态测量装置的微型飞行器平台。

本发明提供了一种基于视频图像的微型飞行器姿态角自动检测方法，微型飞行器安装有前视摄像机，主要包含如下步骤：

步骤一，前视摄像机拍摄图像，图像中则包含天空和地面区域，同时图像通过无线链路传回地面控制站；

设定天地分割线在上述图像中是一条直线；

步骤二，确定和飞行器姿态角有关的天地分割线的直线方程；

飞行器姿态角包括滚转角φ和俯仰角θ；

步骤三、确定直线方程的最优参数值的判别函数；

步骤四、确定遍历角度范围；其中，

首先，设定直线将天地面积均衡划分，遍历直线所有的角度空间，计算出判别函数值，并将判别函数值进行从大到小的排序；

其次，排除不可能出现最优参数峰值的较低判别函数值，选取可能出现的角度范围；

步骤五、遍历步骤四中的角度范围，将最优取值的直线参数转换为飞行器滚转角φ和俯仰角θ。

本发明基于前视摄像机成像，通过图像线性判别函数的参数寻优计算，提取成像中地，平线的直线方程参数，计算飞行器滚转角和俯仰角，同时本文改进和优化了寻优计算过程，大幅度减少了计算量，适用于低成本无姿态测量装置的微型飞行器平台。

附图说明

图1是本发明的姿态角检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

需要说明的是，说明书附图示出的数据仅仅是本发明验证试验的一个具体案例，其作用是为了便于描述本发明、并帮助理解本发明的精神，不能理解成是对本发明技术方案的限制。

在一下描述的实施例中，微型飞行器安装有前视摄像机，优选采用无人旋翼微型飞行器搭载普通可见光摄像机。本发明的一种基于视频图像的微型飞行器姿态角自动检测方法主要包含如下步骤：

步骤一，前视摄像机拍摄图像，图像中则包含天空和地面区域，同时图像通过无线链路传回地面控制站。

设定天地分割线在上述图像中是一条直线，该直线的斜率为m、截距为b。

步骤二，按照如下方法确定和飞行器姿态角有关的天地分割线的直线方程。

飞行器姿态角包括滚转角φ和俯仰角θ，

飞行器滚转角φ与直线斜率m存在反正切的关系：

φ＝tan^-1(m) (1)。

采用σ_b表示直线下半部分像素区域所占整个图像的百分比，在前视摄像机拍摄的矩形图像中，为便于计算，假设摄像机经过标定后无畸变，则σ_b和俯仰角θ成线性关系。

由于俯仰角θ与像素比σ_b成线性关系，当像素比σ_b＝50％时，图像中天地区域平分，此时俯仰角为0度，当像素比σ_b＝100％时，图像都为地面区域，此时俯仰角θ为最大正值θ_max，当像素比σ_b＝0％时，图像都为天空区域，此时俯仰角θ为最大负值-θ_max[6]，因此由摄像头测量的俯仰角θ计算如下：