[發明專利]一種基于視覺的空投貨臺航向姿態解算方法

有效

• 申請號: 202110261412.0
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113066050B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 李霞;張鑌;張紅英;白亞磊;岳振超
• 申請（專利權）人: 天津理工大學;南京航空航天大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/73;G06T5/00;G06V10/25;G06V10/764;G06K9/62;G06F17/16
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 吳庭祥

本發明提供了一種基于視覺的空投貨臺航向姿態解算方法，本發明方法分別在近地面拍攝合作目標和遠地面自然特征影像，從而得到具有穩定特征的影像序列，能有效提高空投貨臺位姿解算技術的精確性，魯棒性和實時性。

技術領域

本發明屬于空投系統與計算機視覺的交叉領域，尤其涉及一種基于視覺的空投貨臺航向姿態解算方法。

背景技術

隨著我國國產大型軍用運輸機的研制，運輸機投放輜重利用空投貨臺作為載體，為實現空投貨臺的平穩著陸，空投系統需實時解算出空投貨臺的姿態角，使空投系統的平穩降落。

目前空降系統貨臺的位姿估計技術，大多采用GPS或者慣性測量單元(IMU)進行位姿的估計。但GPS在樓宇，山谷等復雜場景中GPS信號被遮擋，無法進行精準的定位；慣性測量單元利用加速度計和陀螺儀長時間工作，逐漸累積誤差產生嚴重的漂移，無法單獨定位。而采用視覺導航系統進行空投貨臺航向姿態的估計，具有抗干擾能力，數據無延遲的優點。視覺導航方法就是利用機載攝像機采集地面人工特征或自然環境下的復雜特征的影像序列，經過視覺位姿算法解算出空投貨臺的航向姿態信息，將姿態信息反饋到空投系統的控制系統，控制牽引傘對貨臺的拉直張滿力度，使貨臺平穩落地。

空投貨臺位姿估計技術國內外研究人員主要從視覺導引的空投貨臺自主著陸和未知環境下空投貨臺視覺定位這兩個方面進行研究。但是針對空投貨臺著陸都是基于10-20米的近地面，而空降系統高空空投貨臺將面臨復雜環境和距地面大距離下降拍攝目標的情況很少有研究。

發明內容

發明目的：本發明針對現有空投活動依賴全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)來進行定位定姿的問題，為進一步提高在有信號遮擋場景的空降空投能力，本發明公開了一種基于視覺的高空空投貨臺航向姿態解算方法。

為了達到上述的方法目的，本發明提出基于視覺的空投貨臺航向姿態解算技術，包括以下步驟：

步驟1，根據空投貨臺初始降落高度將著陸過程分為近地面和遠地面兩個階段，近地面設定為空投貨臺距地高度200m以下的范圍，遠地面設定為距地高度200m-800m范圍內；

步驟2，標定空投貨臺的機載攝像機的參數；

步驟3，當空投貨臺位于遠地面時，通過大氣散射模型和導向濾波降低復雜天氣對影像降質的影響，再利用點線混合特征提取自然環境下的幾何信息，并對線特征壽命進行篩選，提高算法實時性；

步驟4，當空投貨臺位于近地面時，設計合作目標作為地面輔助特征，降低影像中的特征數量，再通過圖像處理篩選出影像中穩定的特征；

步驟5，將特征進行匹配，通過單應性對空投貨臺姿態進行解算，再減去云臺轉動角度，獲取空投貨臺下降過程中的三軸姿態。

步驟1包括：通過安裝在空投貨臺的GPS或者高度計判斷貨臺所降落的高度，當進入著陸窗口時，對空投貨臺進行位姿的解算，將姿態信息反饋給控制系統，控制牽引傘的拉力使空投貨臺的平穩著陸。

步驟2包括：

步驟1-1，標定機載攝像機獲得內參矩陣與機載攝像機的畸變系數，設定畸變參數K₁，K₂；f_x表示焦距橫坐標，f_y表示焦距縱坐標，c_x表示光心位置橫坐標，c_y表示光心位置縱坐標，K₁表示第一個畸變系數，K₂表示第二個畸變系數；

步驟1-2，將機載攝像機下的世界坐標系和影像坐標系的轉換如下：

其中，u v分別表示像素坐標系下平面橫坐標、縱坐標，X_w Y_w Z_w表示世界坐標系下三維坐標；