[發(fā)明專利]基于視覺的旋翼無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710106290.1
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106774436B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 單一;劉春生;孫景亮;李蔚藍(lán)
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 朱楨榮

1.一種基于視覺的旋翼無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤移動目標(biāo)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、獲取旋翼無人機(jī)下方的圖像，對該圖像進(jìn)行預(yù)處理操作；

步驟2、當(dāng)旋翼無人機(jī)穩(wěn)定在固定高度后，通過計算預(yù)處理后的圖像中各輪廓面積并與目標(biāo)物輪廓面積對比來篩選輪廓，再判斷該輪廓范圍內(nèi)是否為目標(biāo)顏色；若為目標(biāo)顏色則成功檢測到目標(biāo)特征標(biāo)志，實現(xiàn)自主檢測目標(biāo)物，執(zhí)行步驟3；若不是目標(biāo)顏色則返回步驟1；

步驟3、利用步驟2檢測到的目標(biāo)特征標(biāo)志的輪廓的最小面積包圍矩形窗口來初始化連續(xù)自適應(yīng)均值偏移算法的搜索窗口，并對該窗口范圍內(nèi)的目標(biāo)圖像建立HSV中H分量的直方圖，再通過反向投影確定目標(biāo)模板；

步驟4、計算初始搜索窗口的零階距、一階距和二階距，進(jìn)而得到初始的目標(biāo)物質(zhì)點信息，利用該信息初始化卡爾曼濾波器；

步驟5、引入一目標(biāo)遮擋因子τ，τ為相鄰兩幀目標(biāo)特征面積之比；若0.85≤τ＜1.2，則無遮擋；此時，利用卡爾曼濾波器來預(yù)測下一幀目標(biāo)的位置，再利用連續(xù)自適應(yīng)均值偏移算法在預(yù)測位置的附近搜索目標(biāo)物，自適應(yīng)均值漂移算法輸出的目標(biāo)物質(zhì)點信息作為測量值來修正卡爾曼濾波算法得到的目標(biāo)物質(zhì)點信息的估計值，再將修正后的值作為下一幀的輸入值，并利用該修正后的值計算旋翼無人機(jī)與目標(biāo)物之間的實際相對誤差距離，根據(jù)實際相對誤差距離控制旋翼無人機(jī)跟蹤目標(biāo)物；

步驟6、若τ＜0.85，引入另一個目標(biāo)遮擋因子τ′，≤τ′＜為發(fā)生遮擋之后每幀的目標(biāo)特征面積與無遮擋時目標(biāo)特征面積S之比；若0.2≤τ′＜0.85，判斷為部分遮擋；目標(biāo)物質(zhì)點信息以卡爾曼濾波算法預(yù)測的位置為主，減小連續(xù)自適應(yīng)均值偏移算法測量值在觀測更新中的權(quán)重，同時固定搜索窗口大小為開始遮擋時搜索窗口的大小，直至τ′的值不發(fā)生變化但仍滿足0.2τ′0.85，調(diào)整搜索窗口為圖像中目標(biāo)特征面積的大小，同時根據(jù)計算得到的實際相對誤差距離控制旋翼無人機(jī)跟蹤目標(biāo)物，直至τ≥0.85，返回執(zhí)行步驟5；

步驟7、若τ′＜0.2，判斷為全部遮擋；在這一情況下，取消搜索窗口，以卡爾曼濾波算法的預(yù)測狀態(tài)更新目標(biāo)物質(zhì)點信息，結(jié)合此時的目標(biāo)物質(zhì)點信息計算旋翼無人機(jī)與目標(biāo)物之間的實際相對誤差距離，根據(jù)實際相對誤差距離控制旋翼無人機(jī)跟蹤目標(biāo)物，使用2倍于無遮擋時搜索窗口大小的窗口作為新的搜索窗口在目標(biāo)的運動方向上進(jìn)行搜索，直至目標(biāo)特征標(biāo)志重新出現(xiàn)，進(jìn)而返回執(zhí)行步驟6；

所述步驟1具體如下：

(1.1)、首先對圖像進(jìn)行灰度化并利用中值濾波來濾除噪聲影響；

(1.2)、然后對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行自適應(yīng)閾值處理，獲取二值圖像，根據(jù)不同的背景環(huán)境選取不同的參數(shù)；

(1.3)、最后獲取二值圖像中的輪廓信息。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于視覺的旋翼無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤移動目標(biāo)的控制方法，其特征在于，所述目標(biāo)特征標(biāo)志為一個帶有黑色邊框的紅色矩形。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于視覺的旋翼無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤移動目標(biāo)的控制方法，其特征在于，所述帶有黑色邊框的紅色矩形的特征標(biāo)志物包括一A4紙大小的紅色矩形，其RGB顏色對應(yīng)的值為(255,0,0)以及其外圍的3厘米寬的黑色邊框。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于視覺的旋翼無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤移動目標(biāo)的控制方法，其特征在于，所述自主檢測目標(biāo)物是在所獲取的圖像的所有輪廓中，根據(jù)目標(biāo)物的輪廓特征與輪廓面積篩選出目標(biāo)物的輪廓，并結(jié)合目標(biāo)物的顏色特征來判斷是否為目標(biāo)物。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于視覺的旋翼無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤移動目標(biāo)的控制方法，其特征在于，所述目標(biāo)物輪廓面積是結(jié)合旋翼無人機(jī)飛行的高度和實際的目標(biāo)物的長和寬，根據(jù)小孔成像的原理計算得到的目標(biāo)物在圖像中的理論面積大小；所述目標(biāo)物質(zhì)點信息是目標(biāo)物在圖像物理坐標(biāo)系中成像點的位置信息，即為目標(biāo)物質(zhì)點在圖像像素坐標(biāo)系中的成像位置和圖像中心點位置之間的物理偏差；所述圖像物理坐標(biāo)系是以圖像中心為原點的圖像坐標(biāo)系；圖像像素坐標(biāo)系是以圖像左上點為原點的圖像坐標(biāo)系，以上兩種圖像坐標(biāo)系之間存在固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，圖像中心點位置通過對攝像頭標(biāo)定得到。