[发明专利]一种基于双目相机的四旋翼无人机视觉目标跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于双目相机的四旋翼无人机视觉目标跟踪方法，通过目标识别算法检测出跟踪目标，再使用基于相关滤波的视觉追踪算法，完成对目标在像素意义上的位置追踪与尺度追踪，并根据追踪效果判断是否跟踪丢失需要启动重定位程序，或需要对长期跟踪器进行更新；然后，根据跟踪框选定的图像区域，使用LK光流法进行四旋翼无人机与追踪目标相对距离的计算，经过坐标转换后使用卡尔曼滤波器实现对追踪目标的全局状态估计；最后根据估计的目标全局位置、速度状态，设计无人机外环控制系统的状态量，实现无人机对追踪目标无延时的稳定跟踪。

技术领域

本发明属于四旋翼无人机技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于双目相机的四旋翼无人机视觉目标跟踪方法。

背景技术

在四旋翼无人机技术领域，视觉目标追踪无人机具有很好的实用价值。在军事侦察领域，通过在无人机上使用目标识别与跟踪技术，可对打击目标进行持续锁定监视，估计目标的位置及运动状态信息，从而引导己方进行精确火力打击；航空摄影方面，小到消费级市场上普通消费者游玩时对于跟拍的巨大需求，大到行业应用市场中，影视拍摄时的运动特写镜头，这些功能以前都需要经验丰富的无人机操作员来完成，操作门槛高且成功率低。因此研究能够自主跟随进行特殊视角拍摄的无人机系统具有重要意义。

现有类似的无人机目标跟踪系统主要有两种实现方法，第一种要求跟踪目标携带GPS或其他可与无人机通信的电子信标，无人机通过接受信标的定位信息完成对目标的跟踪，这种方法在应用上显然具有很大的局限性；第二种方法则是利用视觉追踪算法对跟踪目标进行跟踪，但使用的追踪算法多为传统跟踪算法，跟踪能力差，不具备长期跟踪能力，此外，很多类似系统为了得到无人机与跟踪目标之间的相对距离及运动速度等状态信息，需要提前知道目标的形状大小，或者以无人机的飞行高度作为状态估计条件之一，这使得其只能跟踪已知目标或者地面运动的目标。这些情况影响了视觉目标跟踪无人机的实用性，应用场景具有很大的局限性。

基于此，本发明设计实现了一套实用的基于视觉的四旋翼无人机目标跟踪系统，该系统具有普适性，在复杂环境下，能够对目标进行识别与状态估计，实现四旋翼无人机对空中及地面目标在没有任何先验知识(如：形状大小)情况下平稳快速的追踪，并且在目标在视野范围内丢失时具有重新发现并定位目标的能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双目相机的四旋翼无人机视觉目标跟踪方法，通过跟踪目标在双目相机中的成像视差以及无人机自身的定位信息对跟踪目标进行状态估计，进而控制无人机的飞行，实现无人机对跟踪目标平稳快速的跟随。

为实现上述发明目的，本发明一种基于双目相机的四旋翼无人机视觉目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、选取跟踪目标

地面站计算机将左相机传回的图像进行实时显示，再通过地面站计算机上运行的目标检测算法在当前帧图像中检测并框出跟踪目标，显示出目标类别，然后用鼠标单击检测到的跟踪目标框区域，框选出跟踪目标；如果目标检测算法未检测出跟踪目标，则通过手动画出跟踪目标框，然后再用鼠标单击跟踪目标框选出跟踪目标；

(2)、训练滤波器并更新

(2.1)、在跟踪目标框以及周围区域，提取包含31维FHOG特征与1维的灰度特征，整个提取区域的大小的长宽为跟踪目标框长宽的p倍，整个提取区域记为S；

(2.2)、分别利用提取区域S训练位置追踪滤波器和外观滤波器；

(2.3)、在下一帧图像到来时，利用上一帧训练好的位置追踪滤波器寻找相关性响应最大的位置，记为P；然后以P为中心，利用尺度滤波器对目标框区域进行缩放，得到新一帧图像上的跟踪目标框；

(2.4)、在新一帧图像上计算平均峰值相关能量APCE值，然后比较APCE与预设的跟踪丢失阈值的大小，如果APCE值低于跟踪丢失阈值时，则判断为跟踪丢失，进入步骤(2.5)，否则，跳转至步骤(2.6)；