[发明专利]一种基于梯形与圆形组合地标的无人机位姿估计方法

说明书

一种基于梯形与圆形组合地标的无人机位姿估计方法，属于图像处理技术领域。所述方法如下：步骤1、无人机对地标图案成像二值化处理分割出地标图案，基于形态学滤波去除孤立噪声；步骤2、提取地标边缘，利用霍夫变换提取地标中梯形轮廓直线信息，利用最小二乘法拟合椭圆方程并计算椭圆参数；步骤3、根据步骤2解算出的椭圆参数估计无人机姿态参数；步骤4、建立无人机对地成像模型，利用梯形轮廓直线信息确定梯形四个顶点坐标估计位置参数。本发明针对无人机视觉导航中的位姿精确估计和以及自主着陆等问题，基于梯形和圆形组合的地标图案，根据几何成像特性估计姿态参数，简化共线方程求解模型，进而求解位置参数，计算过程简单，更加适合实际工程应用。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种基于梯形与圆形组合地标的无人机位姿估计方法。

背景技术

随着无人机及其上搭载的信息处理技术的不断发展和军事战略思想的转变，无人机因具备昼夜可用、机动灵活、使用便捷、成本低、效率比高等特点，已广泛应用于军事侦察、区域监视、地理测绘、智慧交通、电力巡线、农业植保等军民领域。与此同时，无人机也存在对军事要地、机场、大型展会等区域造成重大威胁的可能性，因此准确、实时获取无人机飞行过程中的姿态和位置，对于无人机的自主控制、智能化处理等实际应用和跟踪定位具有重要意义。

目前无人机系统通常携带获取自身位置的GPS数据，但难以保证定位的精确性，无法精确、实时地获取无人机飞行过程中的高程信息以及姿态参数。尽管目前已有基于双目视觉、模板匹配、特征跟踪颜色分割以及地平线检测等姿态估计方法和算法研究，但仍存在计算复杂、处理速度慢等问题，难以支持实际工程中应用。

发明内容

本发明针对无人机飞行过程中位姿精确自主估计的迫切需求，提供一种基于梯形与圆形组合地标的无人机位姿估计方法，该方法开展基于固定图形地标的无人机位姿参数自主估计方法研究，依据对圆形地标成像结果的椭圆长短轴之比仅与俯仰角有关且长轴倾角仅与滚转角有关的成像特性和直角梯形几何形状简单且满足解算无人机位置参数的最小顶点数目的几何特性，设计了梯形和圆形组合的地标图案。基于该地标图案，首先根据圆形投影到像面上的椭圆特征估计无人机飞行过程中的姿态参数，进而求得旋转变换矩阵带入成像共线方程，避免了正弦、余弦方程求解问题，再将梯形顶点代入无人机对地成像模型解算无人机的位置参数，从而提出基于梯形与圆形组合地标的无人机位姿估计方法。该方法能够在保证估计精度的同时，避免直接求解共线方程时的繁杂计算过程，更加适合实际工程应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于梯形与圆形组合地标的无人机位姿估计方法，所述方法步骤如下：

步骤一：无人机对地成像结果二值化处理分割出地标图案，基于形态学滤波去除孤立噪声；

步骤二：提取地标边缘，利用霍夫变换提取地标中梯形轮廓直线信息，利用最小二乘法拟合椭圆方程并计算椭圆参数；

步骤三：根据步骤二计算出的椭圆参数求解无人机姿态参数；

步骤四：利用步骤三的无人机姿态参数建立无人机对地成像模型，利用梯形轮廓直线信息确定梯形四个顶点坐标估计位置参数。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)本发明针对无人机视觉导航中的位姿精确估计以及自主着陆等问题，基于梯形和圆形组合的地标图案，根据地标图案几何成像特性估计出无人机姿态参数，简化共线方程求解模型，进而求解无人机位置参数。与现有位姿估计方法相比，该方法具有较高估计精度的同时，计算过程简单、时效性强，更加适合实际工程应用。