[發明專利]基于三目立體視覺的無人機避障方法

在審

• 申請號: 201711078365.6
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107885224A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 羅兵;吳城鳳;胡寶軍
• 申請（專利權）人: 北京韋加無人機科技股份有限公司
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G01C11/04
• 代理公司: 北京正鼎專利代理事務所(普通合伙)11495
• 代理人: 岳亞

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，特別是涉及基于三目立體視覺的無人機避障方法。

背景技術

障礙物檢測技術是無人機信息感知系統中的關鍵技術之一，快速準確的檢測飛行環境中的障礙物是無人機安全自主飛行的基礎。基于視覺的無人機避障技術具有探測范圍寬、信息容量大、成本低等優勢，尤其是對飛行環境變化捕捉迅速、反應敏銳等特點，使其在無人機避障技術研究中得到了越來越多的關注。

基于視覺的障礙物檢測可使用單目或雙目立體視覺，目前廣泛采用的是雙目立體視覺避障。公開號為CN103411526A的中國專利申請公布了一種基于雙目立體視覺的駕駛輔助障礙物檢測方法。該方法利用特征點匹配結果，基于雙目重構原理檢測障礙物。類似的，公開號為CN102313536A的中國專利申請公布了一種基于機載雙目視覺的障礙物感知方法。該方法利用匹配點對生成視差圖，并根據視差圖進行障礙物感知。此類方法不適用于存在電力線等線性障礙物環境中的無人機避障。

在電力線巡檢領域，有許多電力線檢測方法。例如，公開號為CN103984355A的中國專利申請公布了一種巡檢飛行機器人與架空電力線路距離預測和保持方法。其電力線距離方法是通過機載全球定位系統獲取地理位置坐標并轉換到電力線三維模型坐標系中，利用三維走廊模型估算飛行機器人與電力線的距離。該方法的主要缺陷是依賴于已知的電力線三維走廊模型，不適用于未建模區域。公開號為CN103810462A的中國專利申請公布了一種基于線狀目標的高壓輸電線檢測方法。該方法將Hessian矩陣特征向量方向近似的點組成小線段，在利用直線擬合方法將小線段連接為長直線，算法僅檢測直線在圖像中的位置，并未給出直線的空間位置。

通過以上分析可知，現有的基于視覺的障礙物檢測技術存在的主要問題是：(1)多數視覺避障檢測算法僅依賴于特征點匹配來探測非線型障礙物，而電力線探測類算法僅探測線型障礙物，缺乏兩種類型障礙物皆能探測的算法；(2)即便存在少數避障算法同時考慮線型和非線型障礙物，但依賴于雙目立體視覺的方案也存在線型障礙物漏撿的風險，即當線型障礙物與雙目立體視覺的基線共面時，無法根據雙目成像原理估算線型障礙物的空間位置。以上問題給無人機在野外環境中自主飛行帶來了極大的安全風險。

發明內容

鑒于上述問題，本發明的一個目的是要提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的基于三目立體視覺的無人機避障方法。

本發明一個進一步的目的是提高障礙物檢測的精度和提高無人機飛行的安全性。

本發明提供了一種基于三目立體視覺的無人機避障方法，包括：

標定三目立體相機，獲得三個相機的內參數和外參數；

采集圖像，獲得三視圖；

提取三視圖中的特征直線，建立直線匹配三元組，根據直線匹配三元組估算線型障礙物的空間位置；

提取三視圖中的角點，建立特征點匹配三元組，根據特征點匹配三元組估算非線型障礙物的空間位置；

根據線型障礙物的空間位置和非線型障礙物的空間位置，建立障礙物空間分布圖；

根據障礙物空間分布圖，獲取可通行區域，規劃無人機安全飛行路徑。

可選地，建立直線匹配三元組的步驟具體包括：

對于提取的三視圖中的特征直線，采用LBD算法建立特征直線描述子；

根據描述子最近鄰原則建立直線匹配三元組。

可選地，在根據直線匹配三元組估算線型障礙物的空間位置之前，還包括：

根據三個相機的外參數，構建歸一化坐標描述下的相機矩陣；

根據相機矩陣構建三焦張量的矩陣；

根據三焦張量的矩陣確定線-線-線三視圖幾何約束；

根據線-線-線三視圖幾何約束剔除直線匹配三元組中錯誤的直線匹配三元組，保留正確的直線匹配三元組。

可選地，線-線-線三視圖幾何約束為：

其中，為直線匹配三元組，為的第i個分量(i＝1,2,3)，是的預測值，T_i為三焦張量的矩陣；

其中，其中和分別表示相機矩陣P²和P³的第i列；

其中，

是第j號相機在第i號相機坐標系中的姿態，是第k號相機相對于第j號相機的平移矢量在第i號相機坐標系中的表示；并且

直線匹配三元組為正確的直線匹配三元組的條件為：

其中，|| ||表示向量的二范數，×表示兩個向量的叉積運算。