[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

说明书

本发明提供了一种基于虚拟仿真环境的合作二维码的无人机定位方法，通过在虚拟场景中放置棋盘格，进行摄像机标定准确获取虚拟摄像机参数；识别场景中AprilTag二维码并通过AprilTag二维码进行无人机准确定位，并在虚拟场景中验证摄像机标定的准确性以及基于AprilTag二维码定位定姿算法的可行性。本发明在虚拟场景中，放置棋盘格，利用坐标系转换关系求取虚拟摄像机参数，对摄像机进行标定，为虚拟场景下无人机视觉导航验证算法提供摄像机内参，解决了虚拟摄像机内参无法获取问题，并利用标定得到的摄像机参数及AprilTag二维码定位算法来求取摄像机的位置参数，解决了复杂环境下无人机快速、鲁棒定位问题。

技术领域

本发明涉及一种无人机定位方法，属于视觉导航领域。

背景技术

近年来，无人机系统能力不断提升，在城市反恐侦察、灾害监测、物流配送、交 通疏导等军事和民用领域崭露头角，应用前景尤为广阔。无人机定位是无人机遂行动 态任务的必要环节，也是无人机自主能力的重要体现。针对城市建筑群/森林/室内弱 GPS(卫星导航)作战区域伪GPS等环境下的应用需求，深入研究无GPS依赖的无人机 定位方法，视觉导航技术具有高自主性、无源性、低成本性等特点，近年来被成功应 用。

视觉传感器一般通过摄像机采集的图像序列来估计机体的运动，相机的优势是每一帧图像包含的信息丰富、硬件成本低且质量小。现有的视觉定位技术分为基于自然 场景识别和基于人工地标识别两种。基于人工地标识别的方式通常具有更高的识别率 以及更好的鲁棒性，人工标识设置通常有H型、T型等。

本发明选用基于合作二维码的无人机定位方法，利用AprilTag(合作二维码标签)进行识别定位。采用单目相机对旋翼飞行器进行位姿估计，该系统能够适应不同的环 境、不同光照条件，使无人机更加稳定地自主飞行。

AprilTag是由密西根大学April实验室开发的一个鲁棒灵活的基准系统。虽然与其 他的2D图标(例如二维码)类似，但它有着更明确的目标和应用。相较于传统的视觉 地标识别系统，AprilTag增加了对图标的识别编码，因此具有更好的鲁棒性，并且在 快速识别的同时能够有效处理遮挡、翘曲和透镜变形等情况。AprilTag具有良好开源 特性，通过对AprilTag核心算法进行修改，满足基于图标坐标系的相机定位要求并进 行实验。

实验在虚拟场景中进行，本发明选用的是场景提供的虚拟摄像机。没有办法得到不同视场角下的摄像机内参。给视觉导航仿真带来很大的影响。之前在仿真中通常用 已知的摄像机定位反推得到摄像机的参数，但是在实际应用中，修改完算法没有办法 验证算法的准确性，因此得到的摄像机参数也无法验证；再次在视觉导航仿真中，在不同距离观测着陆标志，为了获取清晰的着陆标志，在过程中我们需要不断的调整摄 像机焦距，通过改变场景的视场角来获取标志，在不同视场角下摄像机的内参是变化 的；

因此迫切需要解决虚拟仿真场景中，摄像机参数标定问题，为视觉导航提供虚拟场景验证环境。考虑到在应用领域对摄像机标定的精度、操作性和实时性等方面的要 求，本发明提出了一种快速精确的标定方法。该方法比较全面地考虑了摄像机的各个 参数，以OpenCV库与Visual Studio 2015平台为联合开发工具实现摄像机标定。

得到虚拟摄像机标定参数后，在场景中放置AprilTag标签，基于AprilTag二维码进 行定位。虽然AprilTag系统支持定位，但是其定位方法是基于相机坐标系的，这与大 多数情况需要得到相机相对于图标的定位要求不符。因此，基于AprilTag图标的相机 定位需要对其算法进一步改进。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于虚拟仿真环境的合作二维码的无人机定位方法，通过在虚拟场景中放置棋盘格，进行摄像机标定准确获取虚拟摄像机 参数；识别场景中AprilTag二维码并通过AprilTag二维码进行无人机准确定位，并在虚 拟场景中验证摄像机标定的准确性以及基于AprilTag二维码定位定姿算法的可行性。