[發明專利]用于無人機精準著陸的多特征信息地標檢測方法

有效

• 申請號: 201710197369.X
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107063261B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 蘇卓;王曉哲;費文;周呂福
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C11/04;G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 21234 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 俞魯江

1.一種用于無人機精準著陸的多特征信息地標檢測方法，包括多特征地標的設計方法以及相應的高效檢測算法，其特征是：包括輪廓層次信息、幾何位置信息、顏色信息、投影不變量多種特征信息構成地標的識別、判斷及定位方法，實現無人機的實時定位并輔助無人機著陸；

地標圖案由具有嵌套關系的圓和圓環組成，外層大圓環確定地標的興趣區域，大圓環內部設置四個實心圓，這構成地標的輪廓層次信息；有一個實心圓位于外圓環中心，其他三個實心圓按照一定角度和距離環繞在外圓環中心，構成幾何位置信息；四個實心圓填充不同的顏色，色彩的特定分布作為顏色信息；其中兩個實心圓距離外圓環圓心長度相同，這兩個實心圓圓心與外圓環圓心連接的兩條直線與外圓環交點形成兩個的交比值，作為投影不變量；

高效檢測算法輔助無人機著陸方法包含以下幾個步驟：

(1.1)將攝像機拍攝到的圖片進行灰度化，得到灰度圖片，為克服光照對地標的影響，對地標進行歸一化操作，將灰度圖片的像素值范圍轉換到0～255之間得到標準化的灰度圖片；

(1.2)運用canny邊緣檢測算法對步驟(1.1)得到的標準化灰度圖片進行邊緣檢測，進行輪廓提取進而得到帶有輪廓信息的輪廓圖片；在實際操作中發現，當地標距離較遠時，輪廓中地標的邊沿可能出現了斷裂的情況，此時，需要在輪廓檢測前對輪廓進行形態學膨脹；

(1.3)梳理上述步驟中得到的地標輪廓的層次信息，包括父輪廓，子輪廓，前輪廓，后輪廓信息并保存成兩個線性表，用vector<Contours>存儲輪廓信息，用vector<Vec4i>存儲輪廓的層次信息；

(1.4)線性遍歷輪廓信息表vector<Vec4i>,對于表中的每一個輪廓，查看它的所有子輪廓的個數，并將子輪廓個數為4的輪廓信息保留下來作為候選地標信息；

(1.5)對于步驟(1.4)得到的輪廓信息，首先對輪廓進行橢圓檢測，排除那些不是橢圓的候選輪廓，對于剩下的輪廓，通過檢測內部輪廓的相對大小判斷是否為真正的地標輪廓；首先計算子輪廓的方差v，計算公式為式中，num_i為第i個子輪廓的點數；其次設置閾值，當子輪廓方差小于方差閾值時，認為這是進一步的候選地標輪廓；選擇適當的閾值,子輪廓半徑為r時，設置方差閾值為：

(1.6)如果步驟(1.5)已經沒有候選輪廓，則退出到下面步驟(1.8)，如果有一個輪廓，則提取子輪廓的中點坐標，并且將它們按照相對位置和顏色進行排序；

(1.7)求取所述這兩個實心圓圓心與外圓環圓心連接的兩條直線與外輪廓圓的交點并計算交比值；并檢驗地標是否滿足交比不變性；如果存在多個候選輪廓，則滿足交比不變性且誤差最小的作為地標；

(1.8)按照顏色順序輸出子輪廓的中點坐標，子輪廓的中點坐標可以通過公式求得，輪廓由n像素點構成，其中x_i為第i點的圖像橫坐標、y_i為縱坐標，為中點坐標；最后通過投影變換求解方程組，就可以求解出無人機相對于地標的位置信息；

(1.9)根據求解的無人機相對位置以及姿態傳感器的數據對無人機姿態做進一步解算，得到最優估計的姿態位置信息并反饋至飛行控制系統以協助飛行控制系統做下一步控制決策。