CN108845335A - 一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机对地面目标定位领域，具体涉及一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法。该方法包括以下步骤：(S1)通过无人机上携带的摄像机获取地面目标的图像，GPS获取无人机当前高度，导航系统获取欧拉角；(S2)建立摄像机坐标系、世界坐标系和图像坐标系，并确定三个坐标系之间的关系；(S3)计算地面目标在世界坐标系中的空间位置。本发明通过无人机导航信息以及摄像机的内外参数，根据目标在图像中的检测结果，获取地面目标的三维空间位置，本发明方法克服了目标远近、目标大小的约束，以及对成像图像精度的要求，在目标定位领域具有较好的通用性。

Description

一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法

技术领域

本发明属于无人机对地面目标定位领域，具体涉及一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法。

背景技术

随着低成本小型无人机的发展，携带不同载荷来执行不同任务已经越来越受到重视，其中通过携带低成本的摄像机来执行对地面目标的定位就是其中的一个难点。目前常用的目标定位方法是基于合作性质的目标定位，比如已知目标的实际物理尺寸，通过图像的四个点来解算目标的相对位置，该方法要求定位的目标为近目标而且对应成像点检测精度要高，从通用性的角度需要一种非合作式的地面目标定位方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明结合无人机自身携带的导航信息(位置和姿态)以及摄像机的内外参数，根据目标在图像中的检测结果，获取地面目标的三维空间位置。具体技术方案如下：

一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法，包括以下步骤：

(S1)通过无人机上携带的摄像机获取地面目标的图像，GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统，缩写GPS)获取无人机当前高度，导航系统获取无人机的欧拉角；

(S2)建立摄像机坐标系、世界坐标系和图像坐标系，确定三个坐标系之间的关系，其中世界坐标系o_wx_wy_wz_w的原点为无人机的起飞点，坐标轴o_wx_w、o_wy_w、o_wz_w分别指向东、北、天；图像坐标系o₀uv的原点为图像左上角点，坐标轴u和坐标轴v分别是图像所在的行和列；摄像机坐标系o_cx_cy_cz_c原点为摄像机光心，o_cx_c轴和o_cy_c轴分别与图像坐标系u、v轴平行，o_cz_c轴为摄像机光轴；

(S3)计算地面目标在世界坐标系中的空间位置。

优选地，所述步骤(S3)的具体过程为：

表示摄像机中心相对无人机中心的位移，表示无人机在世界坐标系的位置，表示目标距离摄像机坐标系原点的距离在世界坐标系中的投影，(x_w,y_w,z_w)表示地面目标在世界坐标系中的空间位置坐标值。

优选地，所述地面目标与摄像机坐标系原点的距离在世界坐标系中的投影根据下式进行计算：

其中，(x′_w,y′_w,z′_w)表示地面目标与摄像机坐标系原点之间距离在世界坐标系中的投影坐标，h_w表示无人机当前高度(此处的高度为相对于地面的高度)，f_x、f_y分别为摄像机在o_cx_c和o_cy_c方向的有效焦距，(u₀,v₀)为图像主点；z_c为目标在摄像机坐标系中的投影坐标在z_c方向的值；地面目标在图像坐标系中的坐标为(u₁,v₁)；

其中为对应的欧拉角，为偏航角，θ为俯仰角和为滚转角。

采用本发明获得的有益效果：本发明通过无人机导航信息以及摄像机的内外参数，根据目标在图像中的检测结果，获取地面目标的三维空间位置，本发明方法克服了目标远近、目标大小的约束，以及对成像图像精度的要求，在目标定位领域具有较好的通用性。

附图说明

图1为本发明地面目标定位示意图；

图2为三种坐标系之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。结合图1，本发明方法具体步骤如下：

(S1)无人机搭载的摄像机对地面目标A进行图像拍摄，无人机上的GPS测量获取无人机当前高度，无人机导航系统获取欧拉角；欧拉角是在世界坐标系下的测量角度。

(S2)如图2所示，建立摄像机坐标系、世界坐标系和图像坐标系，确定三个坐标系之间的关系，其中世界坐标系o_wx_wy_wz_w的原点P为无人机的起飞点，坐标轴o_wx_w、o_wy_w、o_wz_w分别指向东、北、天；图像坐标系o₀uv的原点为图像左上角点o₀，坐标轴u和坐标轴v分别是图像所在的行和列，图像中心主点为(u₀,v₀)，p为空间点P在图像坐标系中成像点；摄像机坐标系o_cx_cy_cz_c原点为摄像机光心，o_cx_c轴和o_cy_c轴分别与图像坐标系u、v轴平行，o_cz_c轴为摄像机光轴，摄像机焦距为f，o_cx_c和o_cy_c方向的有效焦距分别为f_x和f_y；

摄像机坐标系相对世界坐标系的旋转矩阵表示如下：

其中为对应的欧拉角，偏航角，θ俯仰角和滚转角。

(S3)计算地面目标在世界坐标系中的空间位置。

如图1所示，A为地面目标的物理中心点，摄像机中心为o_c，无人机机体中心为o₁，一般来说o₁和o_c不在同一点，因此地面目标A在世界坐标系中的空间位置(x_w,y_w,z_w)为：

其中摄像机中心相对无人机中心的位移为且事先已经标定；无人机在世界坐标系的位置可以由无人机的导航系统信息获得。因此要获得(x_w,y_w,z_w)，需求解出地面目标距离摄像机原点的距离在世界坐标系中的投影(x′_w,y′_w,z′_w)，即

假设地面目标A在图像坐标系中的坐标为(u₁,v₁)，有效焦距分别为f_x和f_y，则A在摄像机坐标系的投影(x_c1,y_c1,z_c1)表示如下：

h(u₁,v₁)表示在在摄像机坐标系的投影。

进一步获得目标A距离摄像机原点的距离在世界坐标系中的投影(x′_w,y′_w,z′_w)表达式：

由于z′_w默认取值为无人机当前的高度，即z′_w＝h_w，且高度h_w通过无人机携带的GPS等传感器测量获得，对上式进行整理，方程组可以写成如下形式：

求解获得唯一解(x_w',y_w',z_c1)

进一步获得地面目标距离摄像机原点的距离在世界坐标系中的投影：

最终，根据公式(2)和公式(7)可求得地面目标A在世界坐标系中的空间位置(x_w,y_w,z_w)。

上述实例只是用于对本发明的解释，而不能作为对本发明的限制，因此凡是与本发明设计思路相同的实施方式均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)通过无人机上携带的摄像机获取地面目标的图像，GPS获取无人机当前高度，导航系统获取欧拉角；

(S2)建立摄像机坐标系、世界坐标系和图像坐标系，并确定三个坐标系之间的关系，其中世界坐标系o_wx_wy_wz_w的原点为无人机的起飞点，坐标轴o_wx_w、o_wy_w、o_wz_w分别指向东、北、天；图像坐标系o₀uv的原点为图像左上角点，坐标轴u和坐标轴v分别是图像所在的行和列；摄像机坐标系o_cx_cy_cz_c原点为摄像机光心，o_cx_c和o_cy_c轴与图像坐标系u、v轴平行，o_cz_c轴为摄像机光轴；

(S3)计算地面目标在世界坐标系中的空间位置。

2.如权利要求1所一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法，其特征在于，所述步骤(S3)的具体过程为：

表示摄像机中心相对无人机中心的位移，表示无人机在世界坐标系的位置，表示地面目标距离摄像机坐标系原点的距离在世界坐标系中的投影，表示摄像机坐标系相对世界坐标系的旋转矩阵，(x_w,y_w,z_w)表示地面目标在世界坐标系中的空间位置坐标值。

3.如权利要求2所一种基于图像和导航信息的无人机地面目标定位方法，其特征在于，所述地面目标与摄像机坐标系原点的距离在世界坐标系中的投影根据下式进行计算：

其中，(x′_w,y′_w,z′_w)表示目标与摄像机坐标系原点之间距离在世界坐标系中的投影坐标，h_w表示无人机当前高度，f_x、f_y分别为摄像机在o_cx_c和o_cy_c方向的有效焦距，(u₀,v₀)为图像主点；z_c1为目标在摄像机坐标系中的投影坐标在z_c方向的值；地面目标在图像坐标系中的坐标为(u₁,v₁)；

其中(ψ,θ,φ)为对应的欧拉角，ψ为偏航角，θ为俯仰角和φ为滚转角。