[發明專利]一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態角自動檢測方法

在審

• 申請號: 201710487641.8
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107340711A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 錢立志;劉楨;胡春生;馬翰宇;陳棟;陳珅培;殷希梅;陶聲祥;張申浩;王曙光;寧全利;朱建生;馬麗芳;魏新亮;陳凱;蔣濱安;張曉龍;孫姍姍;吳劍;凌沖;馮鵬鵬;任夢潔
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍軍官學院
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02;G06T7/70
• 代理公司: 合肥市上嘉專利代理事務所(普通合伙)34125
• 代理人: 徐紅崗

技術領域

本發明屬于微型飛行器控制技術領域，具體涉及一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態角自動檢測方法。

背景技術

微型飛行器是一種遙控式的無人輕量級飛行器，由于其體積小、重量輕，在自然災害探測、核生化探測、森林火災探測、軍事偵察等危險領域具有廣泛的運用前景。但由于其載荷能力不足，搭載的工作設備有限，一般只搭載微型攝像機和無線傳輸裝置，并且在飛行過程中需要人為的遙控調整其飛行姿態。

微型飛行器自主飛行姿態調整，依賴于對飛行姿態的檢測。地平線(天地線)通常是提取飛行器姿態的基礎。目前比較常用的圖像地平線檢測方法有如下兩種：

一、利用自動閾值分割和Hough直線檢測方法，這種方法在天地背景較為清晰無噪聲的情況下成功率較高，但飛行采用無線信號傳輸，難免會受到干擾，導致圖像質量下降，造成大量誤檢。

二、利用分類識別的方法，主要通過提取圖像SIFT特征描述子利用SVM進行訓練和識別，這種方法需要大量的訓練數據，并且硬件實現復雜，計算量大，不適合實時計算。

因此需要尋找一種檢測可靠、計算量小且易于硬件實現的方法，實現高質量、低成本的地平線檢測。

發明內容

本發明的目的正是為了實現微型飛行器的姿態的自動校正，設計了一種基于前視攝像機成像、通過提取成像中的天地分界線即地平線的方法，適用于低成本無姿態測量裝置的微型飛行器平臺。

本發明提供了一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態角自動檢測方法，微型飛行器安裝有前視攝像機，主要包含如下步驟：

步驟一，前視攝像機拍攝圖像，圖像中則包含天空和地面區域，同時圖像通過無線鏈路傳回地面控制站；

設定天地分割線在上述圖像中是一條直線；

步驟二，確定和飛行器姿態角有關的天地分割線的直線方程；

飛行器姿態角包括滾轉角φ和俯仰角θ；

步驟三、確定直線方程的最優參數值的判別函數；

步驟四、確定遍歷角度范圍；其中，

首先，設定直線將天地面積均衡劃分，遍歷直線所有的角度空間，計算出判別函數值，并將判別函數值進行從大到小的排序；

其次，排除不可能出現最優參數峰值的較低判別函數值，選取可能出現的角度范圍；

步驟五、遍歷步驟四中的角度范圍，將最優取值的直線參數轉換為飛行器滾轉角φ和俯仰角θ。

本發明基于前視攝像機成像，通過圖像線性判別函數的參數尋優計算，提取成像中地，平線的直線方程參數，計算飛行器滾轉角和俯仰角，同時本文改進和優化了尋優計算過程，大幅度減少了計算量，適用于低成本無姿態測量裝置的微型飛行器平臺。

附圖說明

圖1是本發明的姿態角檢測流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：

需要說明的是，說明書附圖示出的數據僅僅是本發明驗證試驗的一個具體案例，其作用是為了便于描述本發明、并幫助理解本發明的精神，不能理解成是對本發明技術方案的限制。

在一下描述的實施例中，微型飛行器安裝有前視攝像機，優選采用無人旋翼微型飛行器搭載普通可見光攝像機。本發明的一種基于視頻圖像的微型飛行器姿態角自動檢測方法主要包含如下步驟：

步驟一，前視攝像機拍攝圖像，圖像中則包含天空和地面區域，同時圖像通過無線鏈路傳回地面控制站。

設定天地分割線在上述圖像中是一條直線，該直線的斜率為m、截距為b。

步驟二，按照如下方法確定和飛行器姿態角有關的天地分割線的直線方程。

飛行器姿態角包括滾轉角φ和俯仰角θ，

飛行器滾轉角φ與直線斜率m存在反正切的關系：

φ＝tan^-1(m) (1)。

采用σ_b表示直線下半部分像素區域所占整個圖像的百分比，在前視攝像機拍攝的矩形圖像中，為便于計算，假設攝像機經過標定后無畸變，則σ_b和俯仰角θ成線性關系。

由于俯仰角θ與像素比σ_b成線性關系，當像素比σ_b＝50％時，圖像中天地區域平分，此時俯仰角為0度，當像素比σ_b＝100％時，圖像都為地面區域，此時俯仰角θ為最大正值θ_max，當像素比σ_b＝0％時，圖像都為天空區域，此時俯仰角θ為最大負值-θ_max[6]，因此由攝像頭測量的俯仰角θ計算如下：