[發明專利]一種基于可變視場角的加油錐套位姿精確測量方法

有效

• 申請號: 202010065420.3
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111274959B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 王宏倫;阮文陽;李娜;王延祥;左芝勇;康榮雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: G06V20/10
• 分類號: G06V20/10;G06V10/25;G06V10/774;G06T7/00;G06T7/70;G06T7/66;G06T17/00;G01B11/00;G01C11/02;G01C11/00;G01C11/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發明是一種基于可變視場角技術的加油錐套位姿精確測量方法，用于自動空中加油。本發明包括：用高亮LED標志燈標記錐套，構建被測目標；選取三組不同視場角的雙目相機采集錐套目標圖像；采用YOLO v2模型訓練檢測錐套目標的模型，用于相機首幀圖像中錐套目標檢測；對相機采集的圖像提取感興趣區域(ROI)，計算ROI圖像中各標志燈的質心坐標；將雙目相機左右圖像的標志燈進行匹配，獲得標志燈在左相機坐標系下的空間坐標，計算輸出錐套的位姿信息。本發明對30米范圍內的錐套測量精度在x、y向達到5cm以內，z向精度達到0.03×距離，測角精度達到0.5°，實現較高精度測量，且滿足空中加油錐套測量的實時性要求。

技術領域

本發明涉及一種基于可變視場角技術的加油錐套位姿精確測量方法，屬于機器視覺技術、自動空中加油等領域。

背景技術

當今時代，無人機技術發展迅速，無人機越來越多的被用于執行軍事任務。但是對于無人機而言，體積相對較小，起飛時攜帶的燃料有限，造成無人機的留空時間短、限制了無人機的航程。無人機自動空中加油技術可以有效解決這一矛盾，在空中實現對無人機的燃油補給，使無人機免于頻繁返回基地補充燃油，從而大大提高無人機的航程與留空時間。為了實現無人機自動空中加油，則必須實時準確地獲得加油錐套的位姿信息，為無人機提供引導信息。

對于自動空中加油過程中的視覺導航，國內外學者也有一定的研究。現有的對圖像中錐套檢測方法，由于光照、天氣情況的影響，無法準確快速地檢測識別出錐套，給出錐套在圖像中的具體位置。單一視場角相機的測量方法，錐套在圖像中的大小隨著錐套距離的增加逐漸減小，對錐套目標的測量精度較差。在錐套上設置合作目標，在圖像中進行特征點的匹配，然而特征點數量較多，匹配耗時長，使位姿信息的刷新頻率較低，無法滿足實時性要求。

基于上述分析，對于加油錐套位姿測量的解決方案，須滿足如下三個要求：

(1)在首幀快速準確地檢測識別出加油錐套，獲取錐套在圖像中的位置；

(2)較為準確地測量出錐套目標的位姿信息，提供相對準確的視覺引導信息；

(3)加油錐套位姿測量算法處理時間盡可能短，滿足實時性的要求。

發明內容

本發明針對現有技術無法準確快速檢測識別出錐套、測量精度差、匹配耗時、無法滿足實時性要求等問題，提供了一種基于可變視場角的加油錐套位姿實時精確測量方法，滿足上述要求。本發明采用高亮LED燈對錐套目標進行標記，基于深度學習YOLO v2算法對首幀圖像中的錐套進行檢測與識別，截取感興趣區域(ROI)進行圖像處理，提取標志燈在左右圖像中的質心坐標并進行匹配，根據雙目視覺原理計算得到標志燈的三維空間位置，從而求解出錐套的空間位姿。

本發明提供的基于可變視場角的加油錐套位姿精確測量方法，包括如下步驟：

步驟一：采用高亮LED燈對錐套進行標記，構建被測錐套目標；

步驟二：選取三組視場角不同的相機平行安裝到相機支架，將相機USB接口接至圖像采集與處理一體化板卡NVIDIA Jetson TX2；實驗時，將相機支架固定在三腳架上，在實際測量時將相機支架固定安裝在受油機上；根據錐套的距離選取視場角不同的雙目相機采集錐套的圖像；

步驟三：調節相機曝光度，在多種背景、角度下，采用三種視場角不同的相機采集錐套目標的圖像，對圖像中的錐套目標標注，制作用于訓練深度學習模型的數據集；

步驟四：使用YOLO v2模型作為深度學習模型，利用步驟三的訓練數據集訓練用于檢測識別加油錐套的YOLO v2模型；以步驟三中的訓練數據集作為輸入，在裝有4塊NVIDIAGTX1080Ti顯卡的Linux服務器上進行訓練，得到用于檢測識別加油錐套目標的深度學習YOLO v2模型；