[发明专利]一种基于视觉的空投货台航向姿态解算方法

说明书

本发明提供了一种基于视觉的空投货台航向姿态解算方法，本发明方法分别在近地面拍摄合作目标和远地面自然特征影像，从而得到具有稳定特征的影像序列，能有效提高空投货台位姿解算技术的精确性，鲁棒性和实时性。

技术领域

本发明属于空投系统与计算机视觉的交叉领域，尤其涉及一种基于视觉的空投货台航向姿态解算方法。

背景技术

随着我国国产大型军用运输机的研制，运输机投放辎重利用空投货台作为载体，为实现空投货台的平稳着陆，空投系统需实时解算出空投货台的姿态角，使空投系统的平稳降落。

目前空降系统货台的位姿估计技术，大多采用GPS或者惯性测量单元(IMU)进行位姿的估计。但GPS在楼宇，山谷等复杂场景中GPS信号被遮挡，无法进行精准的定位；惯性测量单元利用加速度计和陀螺仪长时间工作，逐渐累积误差产生严重的漂移，无法单独定位。而采用视觉导航系统进行空投货台航向姿态的估计，具有抗干扰能力，数据无延迟的优点。视觉导航方法就是利用机载摄像机采集地面人工特征或自然环境下的复杂特征的影像序列，经过视觉位姿算法解算出空投货台的航向姿态信息，将姿态信息反馈到空投系统的控制系统，控制牵引伞对货台的拉直张满力度，使货台平稳落地。

空投货台位姿估计技术国内外研究人员主要从视觉导引的空投货台自主着陆和未知环境下空投货台视觉定位这两个方面进行研究。但是针对空投货台着陆都是基于10-20米的近地面，而空降系统高空空投货台将面临复杂环境和距地面大距离下降拍摄目标的情况很少有研究。

发明内容

发明目的：本发明针对现有空投活动依赖全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)来进行定位定姿的问题，为进一步提高在有信号遮挡场景的空降空投能力，本发明公开了一种基于视觉的高空空投货台航向姿态解算方法。

为了达到上述的方法目的，本发明提出基于视觉的空投货台航向姿态解算技术，包括以下步骤：

步骤1，根据空投货台初始降落高度将着陆过程分为近地面和远地面两个阶段，近地面设定为空投货台距地高度200m以下的范围，远地面设定为距地高度200m-800m范围内；

步骤2，标定空投货台的机载摄像机的参数；

步骤3，当空投货台位于远地面时，通过大气散射模型和导向滤波降低复杂天气对影像降质的影响，再利用点线混合特征提取自然环境下的几何信息，并对线特征寿命进行筛选，提高算法实时性；

步骤4，当空投货台位于近地面时，设计合作目标作为地面辅助特征，降低影像中的特征数量，再通过图像处理筛选出影像中稳定的特征；

步骤5，将特征进行匹配，通过单应性对空投货台姿态进行解算，再减去云台转动角度，获取空投货台下降过程中的三轴姿态。

步骤1包括：通过安装在空投货台的GPS或者高度计判断货台所降落的高度，当进入着陆窗口时，对空投货台进行位姿的解算，将姿态信息反馈给控制系统，控制牵引伞的拉力使空投货台的平稳着陆。

步骤2包括：

步骤1-1，标定机载摄像机获得内参矩阵与机载摄像机的畸变系数，设定畸变参数K₁，K₂；f_x表示焦距横坐标，f_y表示焦距纵坐标，c_x表示光心位置横坐标，c_y表示光心位置纵坐标，K₁表示第一个畸变系数，K₂表示第二个畸变系数；

步骤1-2，将机载摄像机下的世界坐标系和影像坐标系的转换如下：

其中，u v分别表示像素坐标系下平面横坐标、纵坐标，X_w Y_w Z_w表示世界坐标系下三维坐标；