[发明专利]基于序列图像和基准图匹配的飞行器全参数导航方法

摘要

本发明涉及基于序列图像和基准图匹配的飞行器全参数导航方法。该方法在飞行器上安装摄像机、惯导系统、数据处理器件和存储器件，且数据存储器上存储有预定区域的地面基准图数据，构成基于景象匹配的飞行器全参数导航系统。通过实时图像与基准图的匹配，并与惯导进行组合导航的卡尔曼滤波，即可实现飞行器导航的高精度全参数测量，具有广泛、重要的应用前景。

主权项

1.基于序列图像和基准图匹配的飞行器全参数导航方法，其特征在于，该方法实施过程是：1) 在飞行器上安装摄像机、惯导系统、数据处理器件和存储器件，且数据存储器上存储有预定区域的地面基准图数据，构成基于景象匹配的飞行器全参数导航系统；2) 飞行器进入预定区域后，开启基于景象匹配的飞行器全参数导航系统，摄像机对地面进行连续拍摄，采用飞行器位姿参数估计方法或飞行器全参数测量的组合导航方法，完成飞行器全参数的测量，具体按以下步骤进行：2.1) 在每帧实时图像上选取多个特征点，与带有大地水平坐标和高程的基准图进行匹配，得到特征点在大地绝对坐标系下的三维坐标；2.2) 利用匹配得到特征点图像坐标和三维大地绝对坐标，以及已知的摄像机内参数和安装角，求解摄像机成像模型，得到飞行器三维位置和姿态参数；2.3) 将解算出的飞行器位姿参数拟合出飞行器的速度、加速度、角速度角加速度等导航参数，或者将解算出的飞行器位姿参数和惯导进行组合导航，得到高精度的飞行器全参数导航测量结果；飞行器位姿参数估计方法具体为：在实时图上选取多个特征点与基准图匹配，得到特征点图像坐标以及对应的三维大地绝对坐标，根据摄像测量学知识，设地面上有个点，其大地绝对坐标为，图像坐标为，、为摄像机等效焦距，、为摄像机像主点坐标，为摄像机光心在大地绝对坐标系中的位置坐标，由中心投影成像模型，建立以下方程：(1)其中，大地绝对坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵为为，则可由飞行器姿态角以及摄像机安装角表示，如下：(2)当有至少三个对应特征点对时，根据以上成像方程可以利用非线性迭代最优化的方法求解得到飞行器三个位置量和三个姿态角；飞行器全参数测量的组合导航方法包括方法一或方法二，具体为：方法一：假设短时间内惯导速度误差为恒定值，并以方向为例说明组合导航方法，设在到的一小段时间段内任意时刻，惯导位置、姿态和飞行器位姿参数解算出的位置、姿态分别为、和、，惯导速度误差和角速度误差为常值，分别用和表示，并设和，那么(3)其中和表示飞行器位姿估计中的位置和姿态解算误差；根据某一小段时间内由序列图像解算出的飞行器位姿参数结果以及惯导输出，联立式（3）所示的线性方程组，使用最小二乘法对该时间段内的初始位置误差、初始姿态误差、速度误差和角速度误差进行估计，并利用下式完成组合导航修正，得到高精度飞行器全参数导航结果；(4)方法二：考虑姿态角误差、速度误差、位置误差、陀螺仪测量误差、加速度计测量误差，由惯导误差方程得到组合导航的误差状态方程如下：(5)其中：式中表示姿态角；表示飞行器速度；表示飞行器位置；表示陀螺仪测量误差；表示加速度计测量误差；下标E、N、U分别表示直角坐标系的东向、北向和天向，下标g表示陀螺仪，下标a表示加速度计；以解算出的飞行器位姿参数与惯导输出的位姿参数之差作为量测值，构建组合导航的量测方程；(6)其中：式中下标I表示惯性导航输出；下标V表示基于景象匹配的视觉导航输出，基于式（5）、（6）的组合导航为卡尔曼滤波方法，根据组合导航的滤波输出，得到高精度的飞行器导航的全参数测量结果如下：(7)其中：式中表示飞行器姿态角速度。