CN105929837A - 小型无人旋翼机自主着陆位姿估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型旋翼机自主着陆位姿估计方法。该方法通过搭载装有电动可调焦液体镜头的相机来解决旋翼机在着陆过程中由于机载相机所拍摄图像出现离焦现象而出现位姿估计不准的问题，提高无人旋翼机的着陆精度。其实现操作步骤为:（1）离线标定相机可变内参;（2）根据着陆地标特征点在线自标定得到相机外参数获取无人旋翼机相对于着陆地标的位姿。该方法可保证无人旋翼机在自主着陆过程中的位姿估计都是基于对焦图像，能够提高其在着陆过程中的位姿估计精度，增加视觉辅助着陆范围，保障了无人旋翼机自主着陆的准确性，提高了着陆系统的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器技术领域，尤其是一种小型旋翼机自主着陆位姿估计方法，着重于基于单目视觉信息的UAV姿态参数估计。
技术背景
小型旋翼机因为可以自由地实现悬停以及空间中的自由移动，具有很大的灵活性。此外，因为它结构简单，机械稳定性好，所以成本低廉、性价比很高。主要应用于玩具、航模、航拍，新的应用也在不断的拓展之中。小型旋翼机的自主着陆是指依赖机载的导航设备和飞行控制系统来进行定位导航并最终控制旋翼机在特定着陆区域降落的过程。这极大得拓展了小型旋翼机被应用于执行任务过程中的灵活性和智能性。而要实现自主着陆，小型旋翼机就必须具备自主导航能力，需要实时地估计其相对于特定着陆区域的姿态参数。在着陆控制过程中利用单目视觉提取着陆地标的特征点利用此图像特征来进行位置姿态估计成为近来小型旋翼机自主着陆过程中位姿估计常用到的一种方法，但是由于往往用于相机景深的限制，位姿估计的地标图像并非是成像最清晰的图像甚至是模糊的图像这就导致位姿估计存在一定的偏差，而位姿估计的精度直接影响到旋翼机的控制精度。
发明内容
为了克服由于着陆地标图像离焦而导致的位姿估计存在偏差的问题，本发明提供一种可有效提高基于视觉信息的小型旋翼机自主着陆的位姿估计的方法。
为达到上述目的，本发明的构思是：在旋翼机自主着陆的过程中通过自动变焦技术使机载相机拍摄到的进行位姿估计的着陆地标图像都是最佳的对焦图像，而传统的自动变焦系统因体积庞大很难在小型旋翼机上得到应用，本发明采用一种电动可调焦液体镜头来实现机载相机的自动对焦，这种电动可调焦液体镜头因为没有任何机械移动部件仅靠USB串口驱动器产生不同的电流便可改变镜头形状从而实现变焦，因而使整个变焦系统结构紧凑，功耗较小。而由于镜头焦距的变化带来的成像系统内参的变化可先行离线标定建立内参表。在自主着陆过程中仅需将相应内参带入公式即可计算出相机外参即旋翼机相对于着陆地标的位姿。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种小型无人旋翼机自主着陆位姿估计方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）遍历机载相机镜头焦距，拍摄清晰的标定图像，计算出标定图像中特征点的图像坐标，带入计算公式获取机载相机内部参数表，包含以下步骤：
1.改变电动可调焦液体镜头驱动电流，改变其焦距：由USB串口驱动器通过改变其驱动电流来改变电动可调焦液体镜头的焦距；
2. 使用图像清晰度评价函数，确定标定板成像最清晰时的位置，采集此时的标定板图像：清晰度评价函数是对图像的清晰度进行定量描述的函数，典型的清晰度评价函数曲线如图4所示。当电动可调焦液体镜头焦距确定以后可通过前后移动标定板来确定标定板成像最清晰时的位置，采集此处标定板的图像，改变标定板位姿得到此处不同视角的标定板图像（建议多于5幅）；
3.根据从多幅标定板图像中提取到的特征点的像素坐标，及已知的标定板上特征点的物理坐标计算相机的内部参数；重复步骤 1 至 3 直至遍历全部镜头焦距，从而建立起相机的内部参数表。
（2）外参数在线标定，获取旋翼机着陆位姿：无人旋翼机着陆过程中，采集清晰着陆地标图像，计算着陆地标特征点图像坐标，带入公式计算出旋翼机的着陆位姿：
1. 在旋翼机着陆的过程中，利用合焦的着陆地标图像计算旋翼机此时相对于着陆地标的位姿相对于传统定焦相机景深范围内拍摄得到的着陆地标图像估计可以提高位姿的估计精度，利用基于电动可调焦镜头的自动对焦方法包含以下步骤：
a . 确定液态镜头驱动器电流改变方向；
b. 按照确定的电流改变方向通过驱动器改变方向通过驱动器改变电动可调焦镜头驱动电流；
c. 利用清晰度评价函数对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价，判断清晰度值是否连续出现下降的情况，若是则进入步骤d，否则返回步骤b；
d. 改变驱动器电流的改变方向，减小电流该变量；
e. 判断电流改变量是否达到一预设最小值，若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法找到的成像系统拍摄目标物合焦时的焦距，记录下此时的驱动电流，结束对焦。否则，返回步骤b；
2. 利用步骤①中得到的合焦时的驱动电流及步骤（1）中得到的相机内部参数表，查到此时的相机内部参数；
3. 通过拍摄得到的着陆地标图像，进行特征点的提取，获取这些特征点的图像坐标，再根据已知的特征点在物理世界中的坐标带入公式计算出映射矩阵，并根据步骤②中得到的相机内参计算出相机的外参，即此时旋翼机相对于着陆地标的位姿。
实施本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明用于旋翼机着陆位姿估计的着陆地标图像皆是合焦图像，可以有效减少旋翼机在着陆过程中利用单目视觉进行位姿估计的误差，所得数据用于旋翼机的着陆控制中可以实现旋翼机的自主精确着陆，所述基于电动可调焦液体镜头的合焦着陆地标获取方法，对焦速度快，对焦准确可以满足旋翼机的自主实时着陆控制。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种小型旋翼机自主着陆位姿估计方法
图2为本发明实施例二提供的一种小型旋翼机自主着陆位姿估计方法
图3a为本发明实施例二用于获取相机内部参数表的标定板示意图
图3b为本发明实施例二所设计的着陆地标图像
图4一典型的清晰度评价函数曲线
图5为实施例的自动对焦方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的优选实施例进一步地详细描述。
实施例一
参见图1，本发明实施例提供了一种小型旋翼机自主着陆过程中的位姿估计方法，包括：
101：遍历机载相机镜头焦距，在相机每一焦距下拍摄若干幅不同视角清晰的标定图像，根据从标定图像中提取到的特征点及其对应的物理世界坐标得到相机的内参，建立起相机的内部参数表；
其中，在具体实现101中包括：利用清晰度评价函数确定在当前相机焦距下标定板在待标定相机中成像最清晰时的位置；在该位置上拍摄若干幅不同视角的标定板图像；从这些图像上进行特征点的提取，并根据相应的三维空间坐标计算出相机在此焦距下的内部参数，最终形成该相机的内部参数表。
102：在旋翼机着陆过程中，通过自动对焦算法获取清晰着陆地标图像，根据从着陆地标图像中提取到的特征点坐标及其在物理世界中的坐标计算出相机外参即旋翼机的位姿，用于飞控系统精确控制旋翼机的精确着陆；
其中，在具体实现 102中包括：利用基于电动可调焦液体镜头的自动对焦方法来实时获取清晰的着陆地标图像；从着陆地标图像上提取特征点，确定它们的图像坐标并根据它们已知的物理世界的坐标计算计算出相机外参即旋翼机的位姿，用于飞控系统精确控制旋翼机着陆。
本发明实施例利用基于电动可调焦液体镜头的机载相机自动对焦方法使得旋翼机在着陆过程中采集到的用于位姿估计的着陆地标图像皆是合焦图像，可以有效减少旋翼机在着陆过程中利用单目视觉进行位姿估计的误差，所得数据用于旋翼机的着陆控制中可以实现旋翼机的自主精确着陆，其中基于电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，对焦速度快，对焦准确可以满足旋翼机的自主实时着陆控制。
实施例二
参见图2，本发明实施例二提供了一种小型旋翼机自主着陆过程中的位姿估计方法，包括：
20：获取相机内部参数表：
包括：
201：改变相机焦距，根据清晰度评价函数确定标定板成像清晰时所在位置：图像的清晰度可由清晰度评价函数来进行评判，参见图4为一典型的清晰度评价函数曲线，图中曲线峰值处所对应的标定板位置可认为是标定板在相机当前焦距下成像最清晰时的位置。常用的图像清晰度值计算方法有很多如灰度变化函数、梯度函数、图像灰度熵函数、频域类函数等。在本实施例的成像系统中对不同模糊程度成像的图像进行评价后发现“归一化方差法”产生的评价曲线较其它计算方法具有更好的单峰性、抗噪性，的计算公如下：
，
其中，H为图像的高度，W位图像的宽度，μ位图像的平均像素值。
202：拍摄不同视角的标定板图像：参见图3a为本实施例中所用到的标定板，需要以不同位姿摆放标定板进行拍摄（建议大于等于5幅）以减小相机内参的标定误差，由于标定板位置距离相机较远，可自己制作较大的标定板图像用于标定，图3a为一方格尺寸为8cm，角点数位9×6的棋盘格标定板。
203：提取特征点并计算对应点的图像坐标：标定板中的棋盘格角点较明显，比较容易提取。可以利用Harris、Shi-Tomasi等角点检测算法对角点进行提取，并得到角点相应的图像坐标。
204：计算相机内参，最终得到该相机的可变内部参数表：由步骤203中得到的角点图像坐标及其已知的在物理世界中的坐标，可由张氏标定法得到相机内参，并最终建立起与相机焦距（电动可调焦液体镜头驱动电流）想对应的相机内部参数表。
21：获取旋翼机着陆位姿：
包括：
211：使用自动对焦算法获取清晰着陆地标图像：本实施例的自动对焦算法包括以下步骤：
(1)选择对焦区域
(2)对焦
(3)计算对焦区域清晰度值
(4)计算计算该清晰度值与上次对焦成功时储存的图像清晰度值的绝对差值与其百分比：若百分比超出预设阈值，则返回步骤(2)。其中步骤(2)包括以下步骤，参阅图5：
a. 确定液态镜头驱动器电流改变方向，计算当前对焦区域的清晰度值记为v1，然后在当前液体镜头驱动电流的基础上增加一预设较大值large（a）并计算对焦区域的清晰度值记为v2，若v2大于v1则确定驱动器电流改变方向为正向（增大液体可变焦镜头驱动电流，减小其焦距），否则驱动器电流改变方向为负向（减小液体可变焦镜头驱动电流，增大其焦距）；
b. 按照步骤a中确定的驱动器电流改变方向以预设变量medium来改变驱动器驱动电流；
c. 对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价直至清晰度值连续n次出现下降的情况，若是则说明成像系统已经错过最佳对焦焦距，进入步骤d，否则返回步骤b；
d. 改变驱动器电流改变方向，并在medium的基础上减小一值step作为驱动器的电流改变量；
e. 判断medium是否达到一最小值minimum，若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法寻找到的成像系统成像系统最佳时的焦距，记录下此时的驱动电流，结束对焦。否则返回步骤b；
根据实验数据， large = 31mA， medium = 21mA，step = 5mA，n = 2，minimum = 1mA。
212：提取特征点并计算对应点的图像坐标：标定板中的棋盘格角点较明显，比较容易提取。可以利用Harris、Shi-Tomasi等角点检测算法对角点进行提取，并得到角点相应的图像坐标。参阅图3b，为本实施例所设计的“H”型着陆地标，共计12个特征点；
213：由步骤212中得到的角点图像坐标及其已知的在物理世界中的坐标，计算出映射矩阵H，再由步骤211中记录的驱动电流从步骤20中建立起来的相机内部参数表中查到对应的相机内参A，由张氏标定法计算出相机的外部参数，即旋翼机的位姿。
本发明实施例利用基于电动可调焦液体镜头的机载相机自动对焦方法使得旋翼机在着陆过程中采集到的用于位姿估计的着陆地标图像皆是合焦图像，可以有效减少旋翼机在着陆过程中利用单目视觉进行位姿估计的误差，所得数据用于旋翼机的着陆控制中可以实现旋翼机的自主精确着陆，其中基于电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，对焦速度快，对焦准确可以满足旋翼机的自主实时着陆控制。
Claims (4)
1.一种小型旋翼机自主着陆位姿估计新方法，其特征在于使用配有电动可调焦液体镜头的机载相机解决由于旋翼机着陆过程中拍摄的着陆地标图像可能出现的离焦现象而引起的位姿估计不准确的问题，提高无人旋翼机的着陆精度，其实现操作步骤如下：
（1）遍历机载相机镜头焦距，拍摄清晰的标定图像，计算出标定图像中特征点的图像坐标，带入计算公式获取机载相机内部参数表；
（2）外参数在线标定，获取旋翼机着陆位姿：无人旋翼机着陆过程中，采集清晰着陆地标图像，计算着陆地标特征点图像坐标，带入公式计算出旋翼机的着陆位姿，无人机的着陆位姿信息传送给飞控系统实现旋翼机的准确着陆。
2.根据权利要求1所述的基于装有电动可调焦液体镜头机载相机的小型旋翼机自主着陆位姿估计方法，其特征在于所述步骤（1）相机内部参数表的获取采用下列具体步骤：
a.改变电动可调焦液体镜头驱动电流，改变其焦距；
b.使用图像清晰度评价函数，确定标定板成像最清晰时的位置，采集此时的标定板图像；
c.根据从标定板中提取到的特征点的像素坐标，带入公式计算此时的相机内部参数；重复步骤 a至c直至遍历全部镜头焦距，从而建立起相机的内部参数表。
3.根据权利要求1所述的基于装有电动可调焦液体镜头机载相机的小型旋翼机自主着陆位姿估计方法，其特征在于所述步骤（2）旋翼机着陆位姿获取采用下列具体步骤：
a.利用图像自动对焦方法在旋翼机自主着陆过程中始终使着陆地标成像清晰；
b.根据清晰标定图像拍摄时记录的驱动电流值，在已建立起来的相机内参表中查到此时相机的内参，并根据从着陆地标中提取到的特征点对应的像素坐标计算相机外参，即得到旋翼机在着陆过程中相对于着陆地标的位姿，旋翼机的飞控系统可利用此位姿信息实现精准的着陆控制。
4.根据权利要求3所述的小型旋翼机自主着陆位姿估计方法，其特征在于所述步骤（1）中的对焦控制算法，所采用的着陆地标成像最清晰时的焦距搜索算法包括以下步骤：
a.确定液态镜头驱动器电流改变方向；
b.按照确定的电流改变方向通过驱动器改变电动可调焦镜头驱动电流；
c.对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价判断清晰度值是否连续出现下降的情况，若是进入步骤d否则返回步骤b；
d.改变驱动器电流改变方向，减小电流改变量；
e. 判断电流改变量是否达到一预设最小值，若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法寻找到的成像系统成像系统最佳时的焦距，结束对焦，否则返回步骤b。
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