CN104811667A - 一种无人机跟踪目标的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机跟踪目标的方法及系统，所述方法包括：图像捕获单元包括变焦CCD摄像机和变焦激光补光器，变焦激光补光器对变焦CCD摄像机监视区域进行补光，使变焦CCD摄像机能捕获监视区域内的清晰图像；云台控制单元控制云台水平方向、垂直方向和变焦CCD摄像机的焦距，使被跟踪目标始终处于变焦CCD摄像机视野正中心；智能分析单元采用在灰度图像序列中提取出运动目标的方法，从图像中检测出运动目标；完成运动目标的提取和定位后，飞行控制单元将目标的运动状态反馈给无人机，使得无人机自动地跟踪地面动态目标飞行。本发明具有可视距离远、能够在全黑环境下实现无人机对运动目标跟踪的特点。

Description

一种无人机跟踪目标的方法及系统

技术领域

    本发明涉及智能交通领域，具体是一种无人机跟踪目标的方法及系统。

背景技术

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。随着技术水平的不断提高，无人机已被广泛应用于情报侦察、通信中继、武装打击、目标跟踪、搜索救援等领域。现有的无人机常常采用固定焦距的CCD光电摄像机对飞行区域进行实时监控，能够获得高解析度的图像信息，图像信息经过压缩后通过433MHz的无线射频信号传送回地面，地面再进行解压缩还原出原始的监控图像，实现对特定区域的监控。

现有的无人机要实现在飞行过程中对感兴趣目标的跟踪，首先需要从监控图像中检测出运动目标，目前应用较为广泛的运动检测方法-光流法，光流法运用运动目标随时间变化的光流特性进行运动目标检测。光流法的主要缺点是计算量大、容易受噪声和光照的影响，因此，光流法不适合使用在无人机对运动目标的跟踪。现有的无人机跟踪目标的方法都无法实现全黑环境下对运动目标进行跟踪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机跟踪目标的方法及系统，具有可视距离远、能够在全黑环境下实现无人机对运动目标跟踪的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人机跟踪目标的方法，包括以下步骤：

步骤一：图像捕获单元包括变焦CCD摄像机和变焦激光补光器，变焦激光补光器对变焦CCD摄像机监视区域进行补光，使变焦CCD摄像机能捕获监视区域内的清晰图像；

步骤二：云台控制单元控制云台水平方向、垂直方向和变焦CCD摄像机的焦距，使被跟踪目标始终处于变焦CCD摄像机视野正中心；

步骤三：智能分析单元采用在灰度图像序列中提取出运动目标的方法，从图像中检测出运动目标；

步骤四：完成运动目标的提取和定位后，飞行控制单元将目标的运动状态反馈给无人机，使得无人机自动地跟踪地面动态目标飞行。

作为本发明进一步的方案：所述步骤三中，采用在灰度图像序列中提取出运动目标的方法包括以下步骤：

第一步：设运动图像序列G(n)(n=0，1，…，m)，获得相邻时刻两幅图像的差值图像，即F(n)=G(n+1)-G(n)(n=0，1，…，m)；

第二步：从差值图像中找出最大像素值，取最大像素值的1/m为阈值T，根据阈值T对相邻时刻两幅图像的差值图像进行滤波，则相邻时刻两幅图像的差值图像                                               ；

第三步：平均平滑滤波，消除运动目标区域0象素值，其滤波掩模为；

第四步：以零为门限，生成模板为；

第五步，用模板M与原始图像G(n)相乘，提取出运动目标。

作为本发明进一步的方案：所述m为2～10。

作为本发明进一步的方案：所述m为6～8。

作为本发明进一步的方案：所述飞行控制单元具有双闭环结构，所述双闭环结构中的外环为导引控制器，内环为无人机飞行控制器。

作为本发明进一步的方案：所述步骤四中，无人机根据具有双闭环结构的飞行控制单元自动地跟踪地面动态目标飞行。

一种无人机跟踪目标的系统，包括图像处理单元、云台控制单元、智能分析单元和飞行控制单元；图像处理单元与云台控制单元进行数据交互，云台控制单元与智能分析单元进行数据交互，智能分析单元与飞行控制单元进行数据交互。

作为本发明进一步的方案：所述图像处理单元包括变焦CCD摄像机和变焦激光补光器。

作为本发明进一步的方案：所述云台控制单元控制变焦CCD摄像机和变焦激光补光器在垂直方向进行120度转动、水平方向进行360度转动，所述云台控制单元还控制变焦CCD摄像机进行变焦动作。

作为本发明进一步的方案：所述变焦CCD摄像机采用光学变焦方式进行变焦，所述变焦激光补光器采用波长为946nm的激光灯进行补光。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一，变焦激光补光器采用复合散斑抑制技术，完全消除激光散斑，补光效果均匀；二，变焦激光补光器激光光斑能够实时与变焦摄像机视场保持一致；三，变焦激光补光器发射波长为946nm的红外波，人体肉眼无法察觉，不会暴露跟踪无人机；四，变焦CCD摄像机采用36倍光学变焦镜头，可视距离达到500米以上，大大提高了无人机跟踪范围；五，智能分析单元采用在灰度图像序列中提取运动目标，该算法提取出的运动目标失真度小，误检率低。本发明具有可视距离远、能够在全黑环境下实现无人机对运动目标跟踪的特点。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种无人机跟踪目标的系统，由变焦CCD摄像机、变焦激光补光器、云台控制单元、智能分析单元和飞行控制单元组成；变焦CCD摄像机、变焦激光补光器分别与云台控制单元进行数据交互，云台控制单元与智能分析单元进行数据交互，智能分析单元与飞行控制单元进行数据交互。

云台控制单元能够控制变焦CCD摄像机和变焦激光补光器在垂直方向进行120度转动、水平方向进行360度转动并且能够控制变焦CCD摄像机进行变焦动作。

变焦CCD摄像机采用光学变焦方式进行变焦，在整个焦距范围内都能够使图像无损失。

变焦激光补光器采用波长为946nm的激光灯进行补光，无红暴现象，人眼无法察觉，能够很好进行隐蔽。

变焦激光补光器采用先进的复合散斑抑制技术，完全消除激光散斑，补光效果均匀，在整个变焦范围内激光光斑都能够实时与变焦CCD摄像机保持同步，使变焦CCD摄像机整个变焦范围内在全黑环境下能够实时采集到清晰图像；图像被实时传送给智能分析单元，智能分析单元从图像中提取出运动目标，计算运动目标大小占整幅图像大小比例、运动目标与光轴偏差角度和方向，将偏离光轴的水平偏差值和垂直偏差值、大小比例值发送给云台控制单元，云台控制单元根据运动目标大小比例值、水平偏差值和垂直偏差值控制变焦CCD摄像机焦距、云台水平角度、云台垂直角度，使运动目标始终保持在监控图像正中央，从而实现对运动目标的跟踪。

无人机跟踪目标的方法，利用无人机机载的变焦CCD 摄像机捕获无人机飞行监视区域的环境；利用变焦激光补光器对监视区域变焦CCD摄像机视场进行补光，使无人机在全黑环境下能够捕获到清晰的图像；在灰度图像序列中提取出运动目标并确定运动目标在图像中的位置坐标，从而实现无人机对运动目标的跟踪；该方法具体包括如下步骤：

步骤一：图像捕获单元，包括无人机机载的变焦CCD摄像机和变焦激光补光器，变焦激光补光器对变焦CCD摄像机监视区域进行补光，使变焦CCD摄像机能够捕获监视区域内的清晰图像，使无人机可以不借助外部人为交互就能够实现对目标环境的监视。

步骤二：云台控制单元，包括云台水平方向的控制、垂直方向的控制和变焦CCD摄像机焦距的控制。云台系统响应灵敏，实时稳定调整偏转角度，使跟踪目标始终处于变焦CCD摄像机视野正中心；云台的转动量对于目标的跟踪至关重要，云台转动的幅度过大，可能使跟踪的目标在视野中丢失，如云台转动幅度过小，会由于赶不上被跟踪目标的运动速度而导致目标丢失。

步骤三：智能分析单元，智能分析单元采用在灰度图像序列中提取出运动目标的方法，设运动图像序列G(n)(n=0，1，…，m)，则相邻的两幅图像G(n)和G(n+1)的静止背景部分对应象素点的灰度值相同，而运动目标部分对应象素点灰度值，因为物体运动而不相同。G(n+1)-G(n)的结果是：图像静止部分差值为零，而运动目标部分差值不为零。当然，运动目标部分差值也会出现零星的零值。为了消除这种现象，采用均值平滑滤波，将运动目标区域的零象素值消除掉。然后用门限零判决：象素灰度值大于0的，置为1；小于等于0的置为0。得到了一个所需的模板。这个模板是由运动图像序列中任意两帧相邻图像的差值经处理得到，所以它的大小和形状与原始运动图像接近，且随运动图像一起同步运动。用它与原始运动图像相乘就可将运动目标提取出来。综上所述，具体实现步骤如下：

第一步：获得相邻时刻两幅图像的差值图像，即F(n)=G(n+1)-G(n)(n=0，1，…，m)。

第二步：阈值滤波，设定阈值T，则，其中，阈值T是这样选取的，找出差值图像的最大象素值，取最大值的1/ m为阈值T，m在2～10之间选取，其典型值为6～8。m取值小，生成的模板就小；m取值大，生成的模板就大。

第三步：平均平滑滤波，消除运动目标区域0象素值。其滤波掩模为。

第四步：以零为门限，生成模板为。

第五步，用模板M与原始图像G(n)相乘，提取出运动目标。

步骤四：无人机飞行控制单元。完成运动目标的提取和定位后，将目标的运动状态反馈给无人机，使得无人机可以根据具有双闭环结构的无人机地面目标跟踪飞行控制单元自动地跟踪地面动态目标飞行。其中，外环为导引控制器，主要任务是根据无人机和动态目标的运动状态计算出目标位姿和速度，当无人机按照该位姿和速度飞行时，不仅可以与动态目标保持预期的相对位姿，同时还可以确保无人机在相对安全的模式下跟踪目标飞行。内环为无人机飞行控制器，其任务是使无人机能够按照目标的位姿和速度稳定飞行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种无人机跟踪目标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：图像捕获单元包括变焦CCD摄像机和变焦激光补光器，变焦激光补光器对变焦CCD摄像机监视区域进行补光，使变焦CCD摄像机能捕获监视区域内的清晰图像；

步骤二：云台控制单元控制云台水平方向、垂直方向和变焦CCD摄像机的焦距，使被跟踪目标始终处于变焦CCD摄像机视野正中心；

步骤三：智能分析单元采用在灰度图像序列中提取出运动目标的方法，从图像中检测出运动目标；

步骤四：完成运动目标的提取和定位后，飞行控制单元将目标的运动状态反馈给无人机，使得无人机自动地跟踪地面动态目标飞行。

2.根据权利要求1所述的无人机跟踪目标的方法，其特征在于，所述步骤三中，采用在灰度图像序列中提取出运动目标的方法包括以下步骤：

第一步：设运动图像序列G(n)(n=0，1，…，m)，获得相邻时刻两幅图像的差值图像，即F(n)=G(n+1)-G(n)(n=0，1，…，m)；

第二步：从差值图像中找出最大像素值，取最大像素值的1/m为阈值T，根据阈值T对相邻时刻两幅图像的差值图像进行滤波，则相邻时刻两幅图像的差值图像                                               ；

第三步：平均平滑滤波，消除运动目标区域0象素值，其滤波掩模为；

第四步：以零为门限，生成模板为；

第五步，用模板M与原始图像G(n)相乘，提取出运动目标。

3.根据权利要求2所述的无人机跟踪目标的方法，其特征在于，所述m为2～10。

4.根据权利要求2所述的无人机跟踪目标的方法，其特征在于，所述m为6～8。

5.根据权利要求1所述的无人机跟踪目标的方法，其特征在于，所述飞行控制单元具有双闭环结构，所述双闭环结构中的外环为导引控制器，内环为无人机飞行控制器。

6.根据权利要求5所述的无人机跟踪目标的方法，其特征在于，所述步骤四中，无人机根据具有双闭环结构的飞行控制单元自动地跟踪地面动态目标飞行。

7.一种无人机跟踪目标的系统，其特征在于，包括图像处理单元、云台控制单元、智能分析单元和飞行控制单元；图像处理单元与云台控制单元进行数据交互，云台控制单元与智能分析单元进行数据交互，智能分析单元与飞行控制单元进行数据交互。

8.根据权利要求7所述的无人机跟踪目标的系统，其特征在于，所述图像处理单元包括变焦CCD摄像机和变焦激光补光器。

9.根据权利要求7所述的无人机跟踪目标的系统，其特征在于，所述云台控制单元控制变焦CCD摄像机和变焦激光补光器在垂直方向进行120度转动、水平方向进行360度转动，所述云台控制单元还控制变焦CCD摄像机进行变焦动作。

10.根据权利要求7所述的无人机跟踪目标的系统，其特征在于，所述变焦CCD摄像机采用光学变焦方式进行变焦，所述变焦激光补光器采用波长为946nm的激光灯进行补光。