[发明专利]一种无人机视觉追踪实现方法

权利要求书

1.一种无人机视觉追踪实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、进行无人机摄像机标定、获取摄像机内参矩阵，进行图像畸变矫正；

2)、无人机起飞，摄像机拍摄图像，无人机控制器获取图像数据并通过无线通讯模块实时发送给地面站控制系统；

3)、地面站控制系统实时检测接收的图像数据，并判断被追踪目标是否出现当前图像中，即摄像机视野中：

3.1)、如果否，则地面站控制系统遥控摄像机的云台，再次拍摄图像，并传递给地面站控制系统检测，所述云台为三轴云台；

3.2)、如果是，则地面站控制系统在当前图像中框选出被追踪目标，并将框选出的被追踪目标数据传递给无人机；

4)、无人机控制器对框选出的被追踪目标数据进行校验，判断框选出的被追踪目标数据是否有效：

4.1)、如果无效，则将校验失败的结果传递给地面站控制系统，传递给地面站控制系统重新在当前图像中框选被追踪目标；

4.2)、如果有效，则无人机进行被追踪目标识别，并判断是否成功识别到框选出的被追踪目标；

4.2.1)、如果失败，则将识别失败的结果传递给地面站控制系统，传递给地面站控制系统重新在当前图像中框选被追踪目标；

4.2.2)、如果成功，则无人机控制器根据图像识别输出的像素偏差控制云台对准待追踪目标；

5)、判断追踪目标是否位于图像中心：

5.1)如果否，则无人机控制器重新根据当前图像识别输出的像素偏差控制云台对准待追踪目标；

5.2)如果是，则获取此时云台的姿态角(ψ、θ、)，其中，ψ为滚转角，θ为俯仰角，为偏航角，无人机控制器根据姿态角控制无人机继续飞行；根据无人机上设置的加速度计、陀螺仪、磁传感器可以直接得出云台姿态角；无人机控制器根据姿态角控制无人机飞行追踪目标物包括两种策略：一种为使用云台的姿态角作为输入量进行控制；另一种为根据目标物和无人机在地面坐标系中的坐标偏差作为输入量控制无人机飞行；

所述根据目标物和无人机在地面坐标系中的坐标偏差作为输入量控制无人机飞行的步骤如下：

5.2.1)、建立地面坐标系、机体坐标系、云台坐标系、相机坐标系、像素坐标系和成像坐标系：

地面坐标系：原点O_g为旋翼无人机的起飞点，O_gX_g轴在地平面内指向地球北极或旋翼无人机的前飞方向，O_gZ_g轴垂直与地平面朝下，O_gY_g轴垂直于X_gO_gZ_g平面，正方指向右侧；

机体坐标系：O_b为旋翼无人机中心，O_bX_b轴指向机体正前方，O_bY_b轴指向机体右侧，O_bZ_b轴垂直与X_bO_bY_b平面并指向机体下方；

云台坐标系：定义云台三个旋转轴的交点为云台坐标系的原点O_p，O_pX_p轴位于云台的倾转轴上，正方向指向右侧，O_pY_p位于滚转轴上，正方向指向云台的后方，O_pZ_p轴垂直于X_pO_pY_p平面并指向下方；

设定假设相机光心、云台中心和无人机机体重心三者重合，则在视觉跟踪阶段，只控制俯仰角θ和偏航角而不用考虑ψ滚转角，因为云台滚转只影响图像的方向，而不会影响图像的位置；

5.2.2)、计算无人机在地面坐标系中的位置坐标，假设无人机当前的位置坐标为(Xa、Ya、Za)：

5.2.2.1)、根据姿态角(ψ、θ、)，并结合无人机上气压计上的显示值可以计算出无人机的当前飞行高度H，即Za＝H；

5.2.2.2)、无人机上设置有GPS定位装置，可以直接读出测量值，以无人机起飞点为地面坐标系的原点，测得原点处的经度值Lo₀、纬度值La₀，无人机实际执行追踪命令时当前的经度值为Lo₁、纬度值为La₁，则原点与无人机当前位置的经度偏差为(Lo₁-Lo₀)、纬度偏差为(La₁-La₀)；设定在同一经度上纬度偏差1度所对应的距离是定值，为111Km；纬度偏差1分所对应的距离为1.85Km，纬度偏差1秒所对应的距离为31.8m；

则Xa＝111(La₁-La₀)；

同一纬度上经度偏差1度所对应的距离随纬度增高逐渐减小，可按以下公式计算：经度偏差1度所对应的距离＝111.413cos La_i-0.094cos(3La_i)；La_i为纬度值；

则Ya＝(Lo₁-Lo₀)[111.413cos La₁-0.094cos(3La₁)]；

得出当前无人机在地面坐标系的位置(Xa、Ya、Za)；

5.2.3)、计算追踪目标在地面坐标系中的位置坐标，

5.2.3.1)、当姿态角为(0、90、0)，即云台朝向垂直向下，无人机位于追踪目标物正上方：

5.2.3.2)、当姿态角为：(0、θ、)，设定在地面坐标系中目标物与无人机的坐标偏差量为(a、b、c)，

则

c＝-H；

则目标物在地面坐标系中的坐标为(0)；

5.2.4)、控制器根据目标物的位置精确控制无人机进行追踪目标物：

无人机在飞行过程中，云台目标追踪的输出量为云台的姿态角(ψ、θ、)和被追踪目标的实际距离，测量距离存在偏差，控制器使用aruco图案识别算法，用相机内参矩阵进行像素偏差到实际距离偏差的转换，用Dx表示x方向的实际偏差距离，px表示x方向的像素偏差值，dx/f为内参矩阵输出数据，H为无人机飞行高度，即有：Dx＝px*dx*H/f；

用Dy表示y方向的实际偏差距离，py表示y方向的像素偏差值，dy/f为内参矩阵输出数据，H为高度，即有Dy＝py*dy*H/f；

控制器根据实际偏差距离Dx、Dy来控制无人机进行追踪目标物，Dx、Dy的方向性由px、py决定，形成闭环参数，完成对无人机的精准控制，实现精确视觉追踪；

6)、判断无人机是否飞行至追踪目标正上方：

6.1)如果否、则控制器继续根据此时云台的姿态角控制无人机继续飞行；

6.2)如果是，则无人机达到机视觉追踪的目的。