[发明专利]无人机视频图像目标定位系统、定位方法及云台控制方法

权利要求书

1.一种基于元数据的无人机视频图像目标定位系统，其特征在于，该系统包括元数据处理模块、高程数据管理模块、视频定位模块；所述元数据处理模块实时接收无人机传回的飞行数据及载荷数据，并从中提取元数据信息，所述元数据信息包括：无人机的经纬度、高度、俯仰角、方位角、侧滚角、云台的俯仰角和方位角，以及视频的分辨率、传感器的水平视场角和垂直视场角；所述高程数据管理模块根据无人机的飞行轨迹动态加载并缓存目标及其周边区域的DEM高程数据，将DEM高程数据转换到地心坐标系；所述视频定位模块对接收到的视频帧，根据其时间戳查询该视频帧前后的元数据，并进行插值获得当前视频帧所对应的元数据信息；再利用元数据信息计算视场中心角度，并进行坐标转换，在地心坐标系下计算视轴线与高程数据的交点得到视场中心的经度、纬度及高度，实现对视频帧中框选目标的定位。

2.根据权利要求1所述的无人机视频图像目标定位系统，其特征在于，该系统还包括云台辅助控制模块；所述云台辅助控制模块获取GIS框选目标的经纬度，结合DEM高程数据获取目标高程，并根据无人机实时元数据信息获取云台方位角与俯仰角偏差进而控制云台转动。

3.一种基于元数据的无人机视频图像目标定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)实时接收无人机传回的飞行数据及载荷数据，并从中提取元数据信息，所述元数据信息包括：无人机的经纬度、高度、俯仰角、方位角、侧滚角、云台的俯仰角和方位角，以及视频的分辨率、传感器的水平视场角和垂直视场角；

(2)根据无人机的飞行轨迹动态加载并缓存目标及其周边区域的DEM高程数据，将DEM高程数据转换到地心坐标系；

(3)对接收到的视频帧，接收的元数据计算视场中心角度，并进行坐标转换，在地心坐标系下计算视轴线与高程数据的交点，从而得到框选目标的经度、纬度及高度。

4.根据权利要求3所述的无人机视频图像目标定位方法，其特征在于，步骤(3)中获取视频框选目标的经纬度及高度，包括以下步骤：

(31)根据视频分辨率和传感器水平视场角ψ_h计算CCD面板到镜头的距离L；

(32)以CCD的一个顶点为原点，以连接该顶点的两条垂直边所在直线分别为x轴和y轴，以垂直于该CCD面板的直线为z轴，构建三维坐标系，得到镜头中心的坐标ω_c、CCD中心的坐标D_c、视频框选目标的坐标P_c；

(33)计算视轴线到目标视线的旋转矩阵

(34)将无人机经纬度及高度转换为地心坐标系坐标，在地心坐标系中，将无人机从初始点旋转到对应经纬高的旋转矩阵记为R_α，记旋转矩阵记为过无人机所在点且与水平面垂直的一条直线，为穿越南北极的一条直线；

(35)根据无人机的方位角β_y、俯仰角β_p及侧滚角β_r，计算机身轴线与无人机所在经线之间的旋转矩阵R_β；

(36)根据云台方位角λ_y和俯仰角λ_p，计算传感器视轴线与机身轴线之间的旋转矩阵R_λ；

(37)将无人机飞行区域的高程数据其转换到地心坐标系，记高程曲面为S；

(38)设为地心坐标系中与水平面垂直的一条直线，计算根据无人机及云台参数旋转后的直线

(39)计算直线与高程曲面S的交点，利用Kalman滤波进行去噪，并转换为经纬高作为视频框选目标的坐标。

5.一种基于元数据的无人机云台控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)实时接收无人机传回的飞行数据及载荷数据，并从中提取元数据信息，所述元数据信息包括：无人机的经纬度、高度、俯仰角、方位角、侧滚角、云台的俯仰角和方位角，以及视频的分辨率、传感器的水平视场角和垂直视场角；

(2)根据无人机的飞行轨迹动态加载并缓存目标及其周边区域的DEM高程数据，将DEM高程数据转换到地心坐标系；

(3)根据GIS框选目标的经纬度结合高程数据获取目标高程，再根据无人机实时元数据信息进行解算，获取云台方位角与俯仰角偏差，进而根据计算结果控制云台转动使目标出现在视频图像中心。

6.根据权利要求5所述的无人机视频图像目标定位方法，其特征在于，步骤(3)中获取云台方位角与俯仰角偏差，包括以下步骤：

(31)根据GIS框选目标的经纬度坐标和高程数据获取目标的高度，并将经纬度及高度转换为地心坐标系中的坐标；

(32)将无人机经纬度及高度转换为地心坐标系坐标，记旋转矩阵记为过无人机所在点且与水平面垂直的一条直线，为穿越南北极的一条直线；

(33)根据无人机的方位角β_y、俯仰角β_p及侧滚角β_r，计算机身轴线与无人机所在经线之间的旋转矩阵R_β；

(34)设为地心坐标系中与水平面垂直的一条直线，计算根据无人机参数旋转后的直线

(35)计算GIS框选目标与无人机所在点构成的直线与直线的方位角偏差κ_y和俯仰角偏差κ_p；

(36)根据方位角偏差κ_y和俯仰角偏差κ_p旋转云台，使目标出现在视频图像中心。