[发明专利]基于图像的无人机目标跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种目标跟踪技术领域，具体地说，是涉及一种基于图像的无人机目标跟踪控制方法。

背景技术

目前无人机目标跟踪控制方式需要通过机器视觉计算出目标相对于无人机的三维位置，该种控制方法具有以下缺点：1、算法复杂且计算量大；2、还需要无人机的航向和姿态信息，通常航向信息通过磁传感器获得，但磁航向极易受到干扰，当跟踪敌对目标或接近高压电线等磁场时，磁传感器容易失灵会导致无人机失控，导致无法对目标进行跟踪。

发明内容

本发明为了解决现有无人机目标跟踪控制方式计算量大，航向信息通过磁传感器获得容易受到干扰的技术问题，提出了一种基于图像的无人机目标跟踪控制方法，通过建立虚拟图像平面，采集目标图像，并且使用虚拟图像平面对目标图像特征点进行坐标变换，通过对图像特征点进行跟踪的方式校正无人机的飞行姿态，同样可以实现对目标跟踪的目的，且本跟踪方法计算量小，不依赖通过磁传感器获取航向信息，可以避免磁干扰带来的影响。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于图像的无人机目标跟踪控制方法，所述无人机上固定有摄像机，所述摄像机的镜头平面与所述无人机的底部平面平行且朝向下方，所述无人机目标跟踪控制方法包括以下步骤：

(1)、摄像机在目标上方预定高度d^*垂直向下采集目标的图像，得到参考图像，并从目标中提取一组特征点，计算所述特征点在参考图像中所围成面积a^*及参考图像的中心位置，以此建立目标基准；

(2)、使用数学的方法建立虚拟图像平面，所述虚拟图像平面与水平面平行，在无人机飞行时摄像机周期采集目标的图像，得到采集图像，将采集图像投影至所述虚拟图像平面，得到投影图像，计算所述特征点在投影图像中所围成面积a′；

(3)、根据特征点在投影图像中所围成面积a′与所述特征点在参考图像中所围成面积a^*，计算投影图像在竖直方向上与目标的相对距离：

计算投影图像在水平方向与目标的偏移量：

其中，为投影图像的中心点的横坐标值，为投影图像的中心点的竖坐标值；

(4)、计算投影图像与参考图像之间的偏移量δ；

(5)、计算位置控制器输出指令U:

其中，k_p、k_d、k_i为无人机控制参数，由用户设定；

(6)、由所述位置控制器输出指令U生成姿态指令r_d和拉力指令f_d，用于控制无人机调整飞行高度以及飞行偏角。

进一步的，步骤(2)中特征点在投影图像中所围成面积a′的计算方法为：

其中，N为特征点的数量，为正整数，在投影图像所在平面做投影直角坐标系，u′_k为在所述投影直角坐标系中，投影图像中第k个特征点的横坐标值，v′_k为在所述投影直角坐标系中，投影图像中第k个特征点的竖坐标值。

进一步的，步骤(1)中特征点在参考图像中所围成面积a^*的计算方法为：

其中，在参考图像所在平面做机器直角坐标系，u_k为在所述机器直角坐标系中，参考图像中第k个特征点的横坐标值，v_k为在所述机器直角坐标系中，参考图像中第k个特征点的竖坐标值。

进一步的，步骤(3)中，投影图像的中心点的横坐标值的计算方法为：

投影图像的中心点的竖坐标值的计算方法为：

进一步的，步骤(4)中偏移量δ的计算方法为：

δ＝[δ_x δ_y δ_z]^T

其中，

进一步的，步骤(6)中姿态指令r_d的计算方法为：

拉力指令f_d的计算方法为：

f_d＝m||U||，其中，m为无人机的质量。