[發明專利]一種基于光流相機的姿態定位方法

在審

• 申請號: 202011235690.0
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112254721A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 王元慶;劉捷;李希才
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16;G01S11/12;G06T7/77;G06T5/00
• 代理公司: 暫無信息
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本發明公開了一種基于光流相機的姿態定位方法，涉及無人機定位技術領域，主要用于實現無人機的自主控制飛行。本發明的系統結構主要由中央處理單元、圖像傳感單元、姿態傳感單元、高度傳感單元、補光單元、預警單元和電源單元組成。中央處理單元與圖像傳感單元、姿態傳感單元、高度傳感單元相連，分別對圖像傳感數據進行光流算法處理、對姿態傳感數據進行二維速度補償、對高度傳感數據進行三維速度計算。中央處理單元與補光單元、預警單元相連，分別控制近紅外補光燈、聲光預警的開啟與關閉。電源單元為上述單元提供供電。本發明在克服傳統視覺定位方法精度不高、準度隨時間漂移的同時，還保證低亮度情況下系統的穩定運轉，提供實時監測和預警。

技術領域

本發明涉及無人機定位技術領域，特別是一種基于光流相機的姿態定位方法。

背景技術

近年來，隨著科學技術的日益發展，無人機已被廣泛應用于軍事領域和民用領域中，如在室外環境中用于空中預警、低空攝影，室內環境中用于情報偵察、搜索救援等。然而，無人機能否實時感知自身的位置信息和速度信息對于其實現自主飛行至關重要，目前廣泛使用的定位方法主要是基于全球衛星定位系統(GPS)的定位方法。但在一些GPS信號較弱的環境中，如樓群之間、大型建筑之內等，傳統定位方法就無法發揮出作用。而基于視覺的定位方法不需要依靠GPS信號，且具有體積小、重量輕、價格低、精度高等優勢，正逐漸成為無人機實現自主飛行的主流定位方法。

傳統視覺定位方法系統組成實例結構如圖1所示，主要由圖像傳感器MT9V034 1、陀螺儀L3GD20 2、聲吶MB1240 3以及微控制器STM32F407 4組成。圖像傳感器MT9V034 1是一款1/3英寸CMOS有源數字圖像傳感器，負責視覺圖像數據的采集與發送。陀螺儀L3GD20 2是一款三軸角速度傳感器，負責系統角速度數據的采集與發送。聲吶MB1240 3是一款超聲波測距傳感器，通過聲波發送和接收的時間差來計算距離，負責系統高度數據的采集與發送。微控制器STM32F407 4是一款具有Cortex M4F內核的168MHz的32位微控制器，包含圖像采集卡401、直接存儲器訪問402、內存403、中央處理器404，負責圖像數據、角速度數據、高度數據的接收與處理，并發送當前速度數據以進行積分定位。

由此可知，現有方法存在如下缺點：

1.圖像傳感器MT9V034 1在圖像最高分辨率752×480下的最高幀率為60fps，當無人機在復雜場景中進行高速飛行任務時，受分辨率低的影響，導致微控制器不能精準計算出速度數據；受幀率低的影響，導致微控制器不能實時發送出速度數據。

2.陀螺儀L3GD20 2測量的角速度數據具有不確定性，且隨著時間的推移，陀螺儀會出現穩定增大的角速度誤差，導致微控制器用角速度數據補償計算的速度數據的誤差會越來越大。

3.聲吶MB1240 3超聲波測距的測量精度是厘米級的，易受溫度和風向的影響，且在障礙物較多的環境中回波干擾較多，導致無人機不能精準定位當前飛行高度。

4.微控制器STM32F407 4提供的工作頻率為168MHz的Cortex M4F內核浮點運算性能不足以支撐高分辨率高幀率的圖像光流計算，目前僅可支持到圖像分辨率為64*64，幀率為30fps的圖像光流計算。

5.在亮度較低情況下，圖像傳感器不能較好的對周圍環境進行感知，導致微控制器的光流算法失效，無法給出正確的速度數據。

6.當系統運行不正常時，無法實時查看各個單元的運轉情況，缺乏一定的指示及預警。

發明內容

針對上述現有方法的缺點，本發明提供了一種基于光流相機的姿態定位方法，用于無人機的視覺定位導航。

為解決上述問題，本發明采用如下技術方案：

一種基于光流相機的姿態定位方法，系統結構主要由中央處理單元、圖像傳感單元、姿態傳感單元、高度傳感單元、補光單元、預警單元和電源單元組成；