[發明專利]基于圖像的無人機目標跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 201710204195.5
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號: CN107102647A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 劉錦濤;高麗;吳文海;辛巧
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空工程學院青島校區
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10;G06T7/246;G06T7/62
• 代理公司: 青島聯智專利商標事務所有限公司37101
• 代理人: 王艷珍

技術領域

本發明涉及一種目標跟蹤技術領域，具體地說，是涉及一種基于圖像的無人機目標跟蹤控制方法。

背景技術

目前無人機目標跟蹤控制方式需要通過機器視覺計算出目標相對于無人機的三維位置，該種控制方法具有以下缺點：1、算法復雜且計算量大；2、還需要無人機的航向和姿態信息，通常航向信息通過磁傳感器獲得，但磁航向極易受到干擾，當跟蹤敵對目標或接近高壓電線等磁場時，磁傳感器容易失靈會導致無人機失控，導致無法對目標進行跟蹤。

發明內容

本發明為了解決現有無人機目標跟蹤控制方式計算量大，航向信息通過磁傳感器獲得容易受到干擾的技術問題，提出了一種基于圖像的無人機目標跟蹤控制方法，通過建立虛擬圖像平面，采集目標圖像，并且使用虛擬圖像平面對目標圖像特征點進行坐標變換，通過對圖像特征點進行跟蹤的方式校正無人機的飛行姿態，同樣可以實現對目標跟蹤的目的，且本跟蹤方法計算量小，不依賴通過磁傳感器獲取航向信息，可以避免磁干擾帶來的影響。

為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種基于圖像的無人機目標跟蹤控制方法，所述無人機上固定有攝像機，所述攝像機的鏡頭平面與所述無人機的底部平面平行且朝向下方，所述無人機目標跟蹤控制方法包括以下步驟：

(1)、攝像機在目標上方預定高度d^*垂直向下采集目標的圖像，得到參考圖像，并從目標中提取一組特征點，計算所述特征點在參考圖像中所圍成面積a^*及參考圖像的中心位置，以此建立目標基準；

(2)、使用數學的方法建立虛擬圖像平面，所述虛擬圖像平面與水平面平行，在無人機飛行時攝像機周期采集目標的圖像，得到采集圖像，將采集圖像投影至所述虛擬圖像平面，得到投影圖像，計算所述特征點在投影圖像中所圍成面積a′；

(3)、根據特征點在投影圖像中所圍成面積a′與所述特征點在參考圖像中所圍成面積a^*，計算投影圖像在豎直方向上與目標的相對距離：

計算投影圖像在水平方向與目標的偏移量：

其中，為投影圖像的中心點的橫坐標值，為投影圖像的中心點的豎坐標值；

(4)、計算投影圖像與參考圖像之間的偏移量δ；

(5)、計算位置控制器輸出指令U:

其中，k_p、k_d、k_i為無人機控制參數，由用戶設定；

(6)、由所述位置控制器輸出指令U生成姿態指令r_d和拉力指令f_d，用于控制無人機調整飛行高度以及飛行偏角。

進一步的，步驟(2)中特征點在投影圖像中所圍成面積a′的計算方法為：

其中，N為特征點的數量，為正整數，在投影圖像所在平面做投影直角坐標系，u′_k為在所述投影直角坐標系中，投影圖像中第k個特征點的橫坐標值，v′_k為在所述投影直角坐標系中，投影圖像中第k個特征點的豎坐標值。

進一步的，步驟(1)中特征點在參考圖像中所圍成面積a^*的計算方法為：

其中，在參考圖像所在平面做機器直角坐標系，u_k為在所述機器直角坐標系中，參考圖像中第k個特征點的橫坐標值，v_k為在所述機器直角坐標系中，參考圖像中第k個特征點的豎坐標值。

進一步的，步驟(3)中，投影圖像的中心點的橫坐標值的計算方法為：

投影圖像的中心點的豎坐標值的計算方法為：

進一步的，步驟(4)中偏移量δ的計算方法為：

δ＝[δ_x δ_y δ_z]^T

其中，

進一步的，步驟(6)中姿態指令r_d的計算方法為：

拉力指令f_d的計算方法為：

f_d＝m||U||，其中，m為無人機的質量。