[发明专利]一种基于多无人机编队的航拍相机姿态外部动态标定以及测绘方法

说明书

一种基于多无人机编队的航拍相机姿态外部动态标定以及测绘方法，属于图像地理信息标定技术领域。本发明在多无人机编队主机相机的航拍图像中，多架协作无人机的全局绝对坐标信息及其在主无人机相机图片中像素位置信息相结合，反演计算出主无人机相机的姿态视角，从而进行测绘，以克服现有技术精度低的问题。本发明建成对图像特征点依赖性低、测绘精度高、动态拍摄精度高、效率高的无人机航拍系统，突破传统图像拼接技术对图像可用特征的依赖性。

技术领域

本发明属于图像地理信息标定技术领域，具体是实现一种不依赖飞行姿态的多无人机编队航拍图像地理信息标定方法。

背景技术

对于缺乏可有效识别的图像特征的航拍图像，即缺乏可识别和参照的光学特征，往往导致基于特征匹配的图像拼接方法失效，严重影响着环境识别、探测和建模的精确度和一致性等指标。无姿态数据在精度、效率、频次以及实时性等方面要求较高，需要较高的硬件成本，不适用于低配置的无人机系统。同时，实现时间同步、空间同步是一个难题。

当面临比较复杂的航拍环境时，需要拼接的图像中会包括很多特征点，但是在面对湖泊航拍时，航拍对象中图像特征稀疏，机载光学测绘对航拍图像的姿态精度要求高，传统的标定方法内部惯性传感器和罗盘定位精度无法满足高精度的航拍测绘需求，因此是无法完成的，所以亟待寻找一种精度高的方法来解决现有技术存在的这一问题。

发明内容

本发明提供一种不依赖于飞行姿态的多机编队航拍图像地理信息标定方法，建成对图像特征点依赖性低、测绘精度高、动态拍摄精度高、效率高的无人机航拍系统，突破传统图像拼接技术对图像可用特征的依赖性。

一种基于多无人机编队的航拍相机姿态外部动态标定以及测绘方法，标定方法是由动态飞行无人机协作编队标定系统实现的，标定系统包括一架主无人机和三架以上协作无人机；标定以及测绘方法具体如下：

步骤一、对主无人机和协作无人机进行合理编队和航迹规划，确保协作无人机全部处在主无人机拍摄的图像范围内，并与主无人机构成一定的空间几何关系。多架协作无人机的全局绝对坐标信息(即GPS定位等)对应着多机实际空间几何关系。各个无人机时间同步，坐标实时同步共享。

步骤二、主无人机和协作无人机保持队形和高度不变，同步按照规划的航迹飞行，主无人机在需要测绘的坐标点对协作无人机和测绘区域拍摄；

步骤三、拍摄完成后，由于两种几何关系的形状与主机相机的姿态视角直接相关，所以将多架协作无人机在主无人机相机拍摄的图像中的像素位置信息及其全局绝对坐标信息相结合获得主无人机相机的姿态视角；即首先识别多架协作无人机在主无人机相机图像中的像素位置信息以确定相机视角中多机几何关系，其次基于多架协作无人机的全局绝对坐标信息以确定多机实际空间几何关系，然后利用上述两个几何关系的投影变换关系反演计算出主无人机相机的姿态视角，所述的姿态视角包括俯仰角、横滚角和偏航角；

步骤四、在采集到的主机相机的拍摄图像中，利用协作无人机在主无人机相机图像中的像素位置信息以及其全局定位坐标，结合主机相机的全局坐标以及步骤三所确定的姿态视角，通过对图像各像素点进行旋转正射投影处理，反演出该图像中除了协作无人机像素点之外的像素点对应的全局绝对坐标信息，从而完成对于原始图像的处理。

步骤五、结合航拍数据的全局绝对坐标数据，将多无人机编队、多帧航拍测绘反演后的正射投影图像数据拼接，形成统一坐标系下的完整图像信息和坐标一致性映射数据。采用黎曼流形空间描述方式，在流形空间内对图像和坐标数据进行标定，可有效提高图像像素标定精度和一致性。

进一步地，所述的无人机均为四旋翼无人机。

进一步地，四旋翼无人机包括机体碳纤维支架、电机、碳纤维螺旋桨叶片、可充电锂电池、无线数传通信模块、GPS模块、Pixhawk飞控模块和firefly相机云台。所述的无线数传通信模块、GPS模块、Pixhawk飞控模块和firefly相机云台的功能：