[发明专利]一种基于虚拟仿真环境的合作二维码的无人机定位方法

权利要求书

1.一种基于虚拟仿真环境的合作二维码的无人机定位方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，使用Unity3D 5.0开发工具构建无人机着陆场景；构建虚拟摄像机；在场景中放置棋盘格构建平面模板，放置视觉导航着陆地标，记录着陆地标中心的水平、垂直、高度坐标；

步骤2，调整虚拟摄像机视场角，对放置的棋盘格进行拍摄，记录获取图像组时的摄像机视场角；变换方向角度再次拍摄棋盘格获取图像，采集多角度观测景象；

步骤3，读取获取的棋盘格场景图，检测图像HARRIS角点；将景象平面坐标转化为世界坐标；对所有平面特征点计算最小二乘解，得到内参矩阵；通过至少3个平面来构建至少6个等式方程，联立方程计算得到内参矩阵K中每个参数的闭合解，进一步解得各个平面的外参闭合解，即旋转矩阵R和平移矩阵T；将上述的闭合解作为求解过程的初始值，通过最大似然估计求解内参矩阵K；

步骤4，在场景中设置AprilTag图标；记录图标的大小尺寸，以及放置在场景中位置；调整摄像机位置拍摄AprilTag图标，记录此时的摄像机位置坐标；用此时摄像机视场角对应的内参值，通过基于AprilTag图标摄像机定位算法解算摄像机当前位置调整摄像机位置用获取的标定参数解算得到相机位置坐标；对AprilTag图标中的二维码进行检测和解码；利用EPNP算法进行摄像机位姿解算，迭代求解得到旋转矩阵R和平移矩阵T；

基于二维码的摄像机位置姿态解算步骤如下：

4.1)在场景中设置标识，选用AprilTag图标；记录图标的大小尺寸，以及放置在场景中位置；调整摄像机位置拍摄AprilTag图标，记录此时的摄像机位置坐标；用此时摄像机视场角对应的内参值，通过基于AprilTag图标摄像机定位算法解算摄像机当前位置，调整摄像机位置用获取的标定参数解算得到相机位置坐标；

4.2)二维码检测：二维码的检测工作的思路是提取一块四边形的区域，这个区域具有比周围亮度更低的特点，利用降采样方法进行线段检测，然后对检测到的线段进行分组，每一组线段都构成四边形的候选者，通过筛选检测四边形后，进行单应矩阵和外参的估计；

4.3)二维码的解码与编码：在二维码的解码过程中，首先将二维码中每一块的坐标通过单应性矩阵映射到图像平面，判断图像平面上映射后的点的像素值是否大于某一个阈值，若大于该阈值，二维码这个坐标上为1，相反，小于该阈值则判定为0，解码完成后进行二维码的编码检测结果如下：

4.4)利用EPNP算法进行摄像机位姿解算：

EPnP算法处理所有n≥4的情况，且算法复杂度达到了O(n)，其算法的核心思想是用四个虚拟控制点坐标的加权表示空间内的点，这样就将PnP问题转化为了在摄像机坐标下求这四个控制点的问题，迭代求解得到旋转矩阵R和平移矩阵T；

4.5)相机坐标系与图标坐标系转换

涉及两种坐标系，即相机坐标系和图标坐标系其转化关系如下：

其中R为旋转矩阵，t为平移向量，对于AprilTag系统，得到r和t，其中t与式中平移向量一致，而r为AprilTag系统旋转向量，通过罗德里格斯变换，将其转换为R。