CN106325305A - 对地定位或导航用相机、飞行器及其导航方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对地定位或导航用相机、飞行器及其导航方法和系统。其中对地定位或导航用相机包括一摄像装置，所述摄像装置的摄像方向竖直向下；所述相机还包括一云台增稳系统，所述云台增稳系统包括一云台主体和一云台控制系统，所述云台控制系统与所述云台主体连接；所述摄像装置设于所述云台主体上。本发明通过云台增稳系统的平衡控制和减震作用，使得摄像装置的平稳性更好并且能够保持其摄像方向始终垂直向下，即便没有GPS也能进行导航，具有准确度高、适用范围广等优点。

Description

对地定位或导航用相机、飞行器及其导航方法和系统

技术领域

本发明涉及飞行器导航领域，尤其涉及一种对地定位或导航用相机、飞行器及其导航方法和系统。

背景技术

现有技术中，一些飞行器上设置了用于拍摄地面图像的相机，然而其一般是将相机设置在飞机上。在这种情况下，由于飞行器在飞行过程中飞行姿态会倾斜以及晃动，这种飞行姿态的变化容易造成相机镜头不能始终对地，因而需要成像补偿。为了取得较好的成像效果，现有技术一般会采用计算机计算补偿和传感器视角补偿的共同作用来补偿成像问题，然而，采用这样的多次补偿的方式，会使得成像误差大大增加，也十分不利于所成的地面图像的后续应用和计算。

此外，现有的飞行器广泛借助于GPS(全球定位系统)进行导航，但是这种导航方式始终存在一定的缺陷，例如：

1、GPS信号强度不足，不能进行定位。GPS能够实现定位主要依靠的是卫星，卫星的数量越多定位就越准确，但是一些区域因为高楼或高山的遮挡难以被卫星覆盖，这就使得在这些区域时GPS信号强度不足，难以进行定位。

2、需要经常更新地图数据，否则会影响导航的准确度。现有的导航系统能够导航，除了要借助于GPS的精准定位外，还要依靠于准确的地图数据，为了获得最新的地图数据，用户常常需要进行软件更新，否则就很可能会出现导航线路错误等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中飞行器所拍摄的地面图像需要多次成像补偿因而成像误差较大，并且不利于涉及地面图像的计算和应用的缺陷，提供一种对地定位或导航用相机、飞行器及其导航方法和系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供具有云台增稳的对地定位或导航用相机，其特点是，所述相机包括一摄像装置，所述摄像装置的摄像方向竖直向下；

所述相机还包括一云台增稳系统，所述云台增稳系统包括一云台主体和一云台控制系统，所述云台控制系统与所述云台主体连接；

所述摄像装置设于所述云台主体上。

这里所说的竖直向下一般可以理解为摄像方向垂直指向地面。所述云台增稳系统用于增加所述云台主体的稳定性，进而保证所述摄像装置的摄像方向竖直向下，并使得所述摄像装置捕获的图像更加清晰。

较佳地，所述云台控制系统包括一第一控制器、一第一电机、一第二电机及一云台主体，所述第一电机、所述第二电机分别用于控制所述云台主体在三维坐标系的Pitch轴和Roll轴的轴向上的转动，所述云台主体设置有一摄像装置，所述第一控制器包括一平衡控制模块，所述平衡控制模块分别与所述第一电机、所述第二电机电连接，并且用于控制所述第一电机、所述第二电机的运转以使得所述摄像装置的摄像方向竖直向下。

所述云台控制系统可以仅设有Pitch轴和Roll轴的两轴电机，在第三轴Yaw轴的轴向则是固定的，无需设置对应的电机。这种情形下，所述平衡控制模块仅用于控制两轴电机的运转时的所述摄像装置的摄像方向竖直向下。

较佳地，所述云台控制系统还包括一第三电机，所述第三电机用于控制所述云台主体在三维坐标系的Yaw轴的轴向上的转动，所述平衡控制模块还与所述第三电机电连接、并用于控制所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机的运转以使得所述摄像装置的摄像方向竖直向下。

这种情况下，通过三轴电机的运转控制所述摄像装置的方向，能够以更平稳的方式进行控制。本领域技术人员应当理解，Yaw轴为航向轴、Pitch轴为俯仰轴、Roll轴为横滚轴，绕航向轴的转动为相对于飞机前进方向的左右转动，绕俯仰轴的转动为相对于飞机前进方向的上下转动，绕横滚轴的转动为以机身长度方向为轴的转动。

本发明还提供一种飞行器的导航系统，其特点是，包括上述各优选条件任意组合的一种相机和一第二控制器；

所述相机的摄像装置用于在所述飞行器飞行时捕获图像；所述第二控制器包括一获取模块和一校正模块；

所述获取模块用于获取一组用于显示指定飞行线路的基准图像；

所述校正模块用于在所述飞行器飞行时，将所述摄像装置最新捕获到的图像与该组基准图像进行比对，校正所述飞行器当前的飞行线路。

其中，虽然所述第一控制器和所述第二控制器使用了不同的命名，但是它们同属控制器，在实际制作中可以采用同一控制芯片，可以采用不同的控制芯片。因为所述摄像装置的摄像方向竖直向下，所以所述摄像装置捕获的图像实质就是所述飞行器下方的图像，即从飞行器的底部向下看(俯瞰)所得到的图像。所述导航系统不需要GPS就可以沿着所述指定飞行线路飞行，不必担心飞行的区域不在卫星的覆盖范围内或者地图数据没有及时更新等问题出现。所述导航系统具有准确度高、适用范围广等优点。

较佳地，所述获取模块用于获取所述指定飞行线路的地形图并将所述地形图作为基准图像。所述指定飞行线路的地形图是指在所述飞行器沿所述指定飞行线路飞行时所述飞行器下方的图像，包括但不仅限于地形、建筑等。

较佳地，所述指定飞行线路包括所述飞行器的返航线路，所述返航线路的地形图通过所述摄像装置在所述飞行器去航时捕获而得。即所述摄像装置在所述飞行器去航时捕获的图像为用于显示所述飞行器的返航线路的基准图像。通过本技术方案，所述飞行器可以自主地沿着去航的线路返航，简化了飞行器的控制，尤其是，在飞行器已经飞出了操控者的视线范围内时，操控者即便不知道飞行器的所在位置，也可以利用所述导航系统实现飞行器的自动返航。

所述指定飞行线路还可以包括任意一条指定了起始点和终点的线路，针对这种指定飞行线路，所述导航系统可以通过预存或通过网络下载来获得对应的基准图像，以实现所述飞行器沿着指定飞行线路的自主飞行。

较佳地，所述校正模块包括一图像处理模块、一比对模块和一飞行控制模块；

所述图像处理模块用于从该组基准图像中选取一张基准图像作为比对图像，以及分别从最新捕获到的图像与所述比对图像中提取特征信息；

所述比对模块用于比对同一特征信息在最新捕获到的图像和所述比对图像中的偏移量；

所述飞行控制模块用于根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行方向。

其中，所述比对图像应当与最新捕获到的图像至少有一个相同的特征信息，所述特征信息可以包括图像中的物体之间的比例关系、物体的轮廓和位置等等。若同一特征信息在最新捕获到的图像的位置相对于所述比对图像的位置向某个方向偏移，那么所述飞行器的飞行方向就应该向该方向的反方向移动。所述偏移量的计算还可以结合所述飞行器当前的飞行高度和/或飞行速度等。

较佳地，所述图像处理模块用于提取该组基准图像的每一张基准图像的特征信息，选取与最新捕获到的图像相同的特征信息最多的基准图像作为比对图像。两张图像相同的特征信息越多，说明捕获这两个图像的位置越接近。随着所述飞行器的飞行，所述摄像装置以一定时间间隔捕获到多个图像，所述导航系统通过多次校正能够更精确地保证飞行器沿着指定飞行线路飞行。

较佳地，所述飞行控制模块还用于根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行高度。

本发明还提供一种飞行器，其特点是，包括上述各优选条件任意组合的一种的导航系统。

本发明还提供一种飞行器的导航方法，其特点是，所述飞行器包括上述各优选条件任意组合的一种相机，所述相机的摄像装置用于在所述飞行器飞行时捕获图像；

所述导航方法包括：

S₁、获取一组用于显示指定飞行线路的基准图像；

S₂、在所述飞行器飞行时，将最新捕获到的图像与该组基准图像进行比对，校正所述飞行器当前的飞行线路。

较佳地，S₁包括获取所述指定飞行线路的地形图并将所述地形图作为基准图像。

较佳地，所述指定飞行线路包括所述飞行器的返航线路，所述返航线路的地形图通过所述摄像装置在所述飞行器去航时捕获而得。

较佳地，S₂包括：

S₂₁、从该组基准图像中选取一张基准图像作为比对图像，分别从最新捕获到的图像与所述比对图像中提取特征信息；

S₂₂、比对同一特征信息在最新捕获到的图像和所述比对图像中的偏移量；

S₂₃、根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行方向。

较佳地，S₂₁包括：提取该组基准图像的每一张基准图像的特征信息，选取与最新捕获到的图像相同的特征信息最多的基准图像作为比对图像。

较佳地，S₂₃还包括根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行高度。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明的对地定位或导航用相机、飞行器及其导航方法和系统通过云台增稳系统的平衡控制和减震作用，使得摄像装置的平稳性更好并且能够保持其摄像方向始终垂直向下，从而无需进行成像补偿即可获得准确的地面图像。同时，还能够实现在没有GPS的情况下进行导航，不必担心飞行的区域不在卫星的覆盖范围内或者地图数据没有及时更新等问题出现，达到了准确度高、适用范围广等优点。此外，所述导航系统还能实现飞行器的自主返航，简化了飞行控制。

附图说明

图1为本发明的实施例的相机的示意图。

图2为本发明实施例的飞行器的导航系统的系统示意图。

图3为本发明实施例的飞行器的导航方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例的具有云台增稳的对地定位或导航用相机包括一摄像装置和一云台增稳系统。所述摄像装置的摄像方向竖直向下。所述云台增稳系统包括一云台主体和一云台控制系统，所述云台控制系统与所述云台主体连接。所述摄像装置设于所述云台主体上。

其中，所述云台控制系统，如图1所示，包括一第一控制器14、一第一电机11、一第二电机12和一第三电机13。所述第一电机11、所述第二电机12及所述第三电机13用于分别控制所述云台主体在三维坐标系的三个轴向上的转动。摄像装置。所述第一控制器14包括一平衡控制模块141，所述平衡控制模块141分别与所述第一电机11、所述第二电机12、所述第三电机13电连接，并且用于控制所述第一电机11、所述第二电机12及所述第三电机13的运转以使得所述摄像装置的摄像方向竖直向下。

所述第一电机11、所述第二电机12及所述第三电机13用于分别控制所述云台主体在Yaw轴、Pitch轴和Roll轴上的转动。

如图2所示，本实施例的飞行器的导航系统包括所述相机和一第二控制器2。

所述相机的摄像装置15用于在所述飞行器飞行时捕获图像。在所述摄像装置15进行捕获时，可以预先设定一捕获图像的时间间隔。例如，设定时间间隔为1分钟，即在所述飞行器飞行时，每隔1分钟摄像装置15捕获一次图像。捕获的图像可以直接显示出飞行器下方的地形、建筑等。

所述第二控制器2包括一获取模块21和一校正模块22。

所述获取模块21用于获取一组用于显示指定飞行线路的基准图像。其中，所述基准图像可以为所述指定飞行线路的地形图。所述指定飞行线路包括所述飞行器的返航线路，所述返航线路的地形图通过所述摄像装置15在所述飞行器去航时捕获而得。所述指定飞行线路还可以包括任意一条指定了起始点和终点的线路，针对这种指定飞行线路，所述导航系统可以通过预存或通过网络下载来获得对应的基准图像。

所述校正模块22用于在所述飞行器飞行时，将最新捕获到的图像与该组基准图像进行比对，校正所述飞行器当前的飞行线路。

具体地，所述校正模块22包括一图像处理模块221、一比对模块222和一飞行控制模块223。

所述图像处理模块221用于从该组基准图像中选取一张基准图像作为比对图像，以及分别从最新捕获到的图像与所述比对图像中提取特征信息。更具体地，所述图像处理模块221可以提取该组基准图像的每一张基准图像的特征信息，选取与最新捕获到的图像相同的特征信息最多的基准图像作为比对图像。

所述比对模块222用于比对同一特征信息在最新捕获到的图像和所述比对图像中的偏移量。

所述飞行控制模块223用于根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行方向和飞行高度。

例如，若同一特征信息在最新捕获到的图像的位置相对于所述比对图像的位置向右偏移，那么所述飞行器的飞行方向就应该向左移动。所述偏移量的计算还可以适当地结合所述飞行器当前的飞行高度和/或飞行速度等。

本实施例的导航系统通过多次捕获飞行器下方的图像，并将图像与基准图像进行比对，不断地校正飞行线路，可以快速、准确地实现飞行器的寻址和返航。

本实施例的飞行器，包括所述导航系统和现有飞行器的其它组件。

本实施例的飞行器的导航方法，所述飞行器包括所述相机，所述摄像装置15用于在所述飞行器飞行时捕获图像；如图3所示，所述导航方法包括以下步骤：

步骤31、获取一组用于显示指定飞行线路的基准图像。其中，所述基准图像可以为所述指定飞行线路的地形图。所述指定飞行线路包括所述飞行器的返航线路，所述返航线路的地形图通过所述摄像装置15在所述飞行器去航时捕获而得。所述指定飞行线路还可以包括任意一条指定了起始点和终点的线路，针对这种指定飞行线路，所述导航系统可以通过预存或通过网络下载来获得对应的基准图像。

步骤32、在所述飞行器飞行时，将最新捕获到的图像与该组基准图像进行比对，校正所述飞行器当前的飞行线路。具体步骤32包括：

步骤321、从该组基准图像中选取一张基准图像作为比对图像，分别从最新捕获到的图像与所述比对图像中提取特征信息。更具体地，提取该组基准图像的每一张基准图像的特征信息，选取与最新捕获到的图像相同的特征信息最多的基准图像作为比对图像。

步骤322、比对同一特征信息在最新捕获到的图像和所述比对图像中的偏移量。

步骤323、根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行方向和飞行高度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种具有云台增稳的对地定位或导航用相机，其特征在于，所述相机包括一摄像装置，所述摄像装置的摄像方向竖直向下；

所述相机还包括一云台增稳系统，所述云台增稳系统包括一云台主体和一云台控制系统，所述云台控制系统与所述云台主体连接；

所述摄像装置设于所述云台主体上。

2.如权利要求1所述的相机，其特征在于，所述云台控制系统包括一第一控制器、一第一电机和一第二电机；

所述第一电机、所述第二电机分别用于控制所述云台主体在三维坐标系的Pitch轴和Roll轴的轴向上的转动；

所述第一控制器包括一平衡控制模块，所述平衡控制模块分别与所述第一电机、所述第二电机电连接，并且用于控制所述第一电机、所述第二电机的运转以使得所述摄像装置的摄像方向竖直向下。

3.如权利要求2所述的相机，其特征在于，所述云台控制系统还包括一第三电机，所述第三电机用于控制所述云台主体在三维坐标系的Yaw轴的轴向上的转动，所述平衡控制模块还与所述第三电机电连接、并用于控制所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机的运转以使得所述摄像装置的摄像方向竖直向下。

4.一种飞行器的导航系统，其特征在于，包括权利要求1-3中任意一项所述的相机和一第二控制器；

所述相机的摄像装置用于在所述飞行器飞行时捕获图像；所述第二控制器包括一获取模块和一校正模块；

所述获取模块用于获取一组用于显示指定飞行线路的基准图像；

所述校正模块用于在所述飞行器飞行时，将所述摄像装置最新捕获到的图像与该组基准图像进行比对，校正所述飞行器当前的飞行线路。

5.如权利要求4所述的导航系统，其特征在于，所述获取模块用于获取所述指定飞行线路的地形图并将所述地形图作为基准图像。

6.如权利要求5所述的导航系统，其特征在于，所述指定飞行线路包括所述飞行器的返航线路，所述返航线路的地形图通过所述摄像装置在所述飞行器去航时捕获而得。

7.如权利要求4所述的导航系统，其特征在于，所述校正模块包括一图像处理模块、一比对模块和一飞行控制模块；

所述图像处理模块用于从该组基准图像中选取一张基准图像作为比对图像，以及分别从最新捕获到的图像与所述比对图像中提取特征信息；

所述比对模块用于比对同一特征信息在最新捕获到的图像和所述比对图像中的偏移量；

所述飞行控制模块用于根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行方向。

8.如权利要求7所述的导航系统，其特征在于，所述图像处理模块用于提取该组基准图像的每一张基准图像的特征信息，选取与最新捕获到的图像相同的特征信息最多的基准图像作为比对图像。

9.如权利要求7所述的导航系统，其特征在于，所述飞行控制模块还用于根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行高度。

10.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求4-9中任意一项所述的导航系统。

11.一种飞行器的导航方法，其特征在于，所述飞行器包括权利要求1-3中任意一项所述的相机，所述相机的摄像装置用于在所述飞行器飞行时捕获图像；

所述导航方法包括：

S₁、获取一组用于显示指定飞行线路的基准图像；

S₂、在所述飞行器飞行时，将最新捕获到的图像与该组基准图像进行比对，校正所述飞行器当前的飞行线路。

12.如权利要求11所述的导航方法，其特征在于，S₁包括获取所述指定飞行线路的地形图并将所述地形图作为基准图像。

13.如权利要求12所述的导航方法，其特征在于，所述指定飞行线路包括所述飞行器的返航线路，所述返航线路的地形图通过所述摄像装置在所述飞行器去航时捕获而得。

14.如权利要求11所述的导航方法，其特征在于，S₂包括：

S₂₁、从该组基准图像中选取一张基准图像作为比对图像分别从最新捕获到的图像与所述比对图像中提取特征信息；

S₂₂、比对同一特征信息在最新捕获到的图像和所述比对图像中的偏移量；

S₂₃、根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行方向。

15.如权利要求14所述的导航方法，其特征在于，S₂₁包括：提取该组基准图像的每一张基准图像的特征信息，选取与最新捕获到的图像相同的特征信息最多的基准图像作为比对图像。

16.如权利要求14所述的导航方法，其特征在于，S₂₃还包括根据所述偏移量改变所述飞行器当前的飞行高度。