CN109598758A - 一种可视觉定位的无人机起降平台及无人机落点修正方法 - Google Patents
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Abstract
一种可视觉定位的无人机起降平台，包括起降平台主体,所述的起降平台主体顶面上设有标识图像，标识图像由半径不同的多个同心圆组成；修正步骤包括：1）将无人机降落在起降平台主体上；2）通过机载相机输出的视觉图像，利用视觉图像中特征点P的像素坐标，运算得到视觉图像特征点P相对于标识图像中心点O的偏移角度θ；3）将标识图像中心点O绕视觉图像特征点P旋转θ，得到O’；4）在视觉图像中确定O’与视觉图像特征点P之间的相对位置，即为机载相机下视中心点与平台中心监测点的相对位置。采用上述结构及方法，能够通过视觉图像配合相应的计算方法，对无人机落点进行修正，从而保证对滑坡位移的高精度监测。
Description
技术领域
本发明涉及滑坡位移监测领域，特别是一种可视觉定位的无人机起降平台及无人机落点修正方法。
背景技术
随着无人机的兴起，它已经被广泛应用到各个行业，在科研、教学以及工程地质勘探等领域开展十分广泛。目前，在监测滑坡体位移量时，一般是通过无人机起降平台为无人机着陆提供场所，满足起降需要。由于以往的无人机拍摄都是非接触式的，存在精度低且易受植被干扰、气流影响等问题，导致滑坡体位移量检测结果具有一定的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可视觉定位的无人机起降平台及无人机落点修正方法，能够通过视觉图像配合相应的计算方法，对无人机落点进行修正，从而保证对滑坡位移的高精度监测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种可视觉定位的无人机起降平台，包括起降平台主体,所述的起降平台主体顶面上设有标识图像，标识图像由半径不同的多个同心圆组成。
优选的方案中，组成所述标识图像的多个同心圆的最小直径为10mm，相邻两圆之间的半径差为20mm。
优选的方案中，所述的标识图像上建立有水平的坐标轴，坐标轴上标注东南西北四个方位，其中X轴与东方向对应。
优选的方案中，无人机落点修正方法通过机载相机输出的视觉图像，配合标识图像确定无人机相对于标识图像中心点的偏移量，从而进行无人机的落点修正；
具体包括以下步骤：
1)将无人机降落在起降平台主体上；
2)通过无人机上的机载相机输出的视觉图像，利用视觉图像中特征点P的像素坐标，依靠三角形正弦余弦定理进行运算，得到视觉图像特征点P相对于标识图像(2) 中心点O的偏移角度θ；
3)根据步骤2)中所计算的偏移角度，在机载相机输出的视觉图像中，将标识图像中心点O绕视觉图像特征点P旋转θ，得到O’，O’的坐标可依靠OP两点坐标以及偏移角度θ表示；
4)在视觉图像中确定O’与视觉图像特征点P之间的相对位置，两者相对位置即为机载相机下视中心点与平台中心监测点在平台坐标系中的相对位置。
优选的方案中，所述的步骤4)中，O’与P之间的相对位置等于O’与P之间的像素单元个数乘以每个像素单元所对应的尺寸L。
优选的方案中，每个所述的像素单元所对应的尺寸L采用以下步骤进行预计算：
1)在室内浇筑一个尺寸与起降平台主体尺寸相同的混凝土平台；
2)在混凝土平台上选取两个固定点，并利用直尺测量出两个固定点之间的间距T；
3)操控无人机模拟定点起降；
4)无人机落在混凝土平台上时，通过机载相机拍摄并输出包含两个固定点的视觉图像；
5)在视觉图像中确定两个固定点之间所对应的像素单元的个数；
6)利用两个固定点之间的间距T除以两个固定点之间所对应的像素单元的个数，即可得到单个像素单元所对应的尺寸L。
优选的方案中，所述的无人机上搭载有RTK定位系统，由于RTK天线与无人机之间是固定连接，因此RTK天线与机载相机的下视点之间的相对位置可根据所使用的无人机的具体参数确定，RTK天线的坐标通过定位系统进行确定，再根据RTK天线与机载相机的下视点之间的相对位置，确定机载相机下视点坐标，即视觉图像特征点P 的坐标。
本发明所提供的一种可视觉定位的无人机起降平台及无人机落点修正方法，通过采用上述结构，具有以下有益效果：
(1)以往的无人机监测都是采用非接触式的，不需要在滑坡变形体上设置监测平台，因此容易受到外界因素的影响，比如植被、气流的干扰。而本申请采用接触式无人机监测，通过定位系统，将无人机降落到特定平台上，从而保证监测结果的准确性；
(2)由于外界因素的干扰不能100％排出，在无人机降落之后，落点一定会与预测点会有一定的偏移，通过一系列计算，进行视觉修正，从而将无人机落点修正在预测点上，以进一步保证监测数据的准确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的起降平台主体俯视结构示意图。
图2为本发明的起降平台主体立体结构示意图。
图3为本发明组成标识图像的同心圆的细部结构示意图。
图4为本发明的标识图像结构示意图。
图5为本发明的无人机落点偏移状态下的俯视结构示意图。
图6为本发明的无人机落点所在区域的俯视结构示意图。
图7为本发明机载相机输出的视觉图像。
图8为本发明图7角度修正后的视觉图像。
图9-10为修正方法原理图。
图中：起降平台主体1，标识图像2，无人机3。
具体实施方式
实施例1：
一种可视觉定位的无人机起降平台，包括起降平台主体1,所述的起降平台主体1顶面上设有标识图像2，标识图像2由半径不同的多个同心圆组成。
优选的方案中，组成所述标识图像2的多个同心圆的最小直径为10mm，相邻两圆之间的半径差为20mm。
优选的方案中，所述的标识图像2上建立有水平的坐标轴，坐标轴上标注东南西北四个方位，其中X轴与东方向对应。
实施例2：
无人机在降落时，受各方面因素影响，无法精准降落在监测点位上，其实际落点会偏移预设的监测点位(这里指平台中心点)，因此落点会产生相对于平台中心点的角度偏转、横向位移以及纵向位移(如图5)，由于机载相机搭载于无人机正下方，无人机落点发生偏移，那么机载相机提供的视觉图像的整个图形边框相对于平台坐标系也是偏移的。
如图6-7，对无人机3发生偏移情况下的机载相机模拟成像图展现出来：
如图7所示，O点位平台中心点，且已标注出正北、正南、正东、正西四个方向， P点为无人机3机载相机的下视中心点，即无人机落点，该点同时也是相机提供的视觉图像中心点。图像中：PA对应无人机落点相对于平台中心点的横向偏移量，PE对应无人机落点相对于平台中心点的纵向偏移量。图像坐标系中x轴与平台坐标系正东方向轴的夹角即为偏转角度。以平台坐标系为基准，无人机落点处于平台坐标系的第三象限，发生了逆时针方向的偏转。
通过无人机搭载的RTK高精度定位系统，点P坐标已知。根据定位系统，可以得到RTK天线中心点的坐标。对于特定无人机，RTK天线中心点和相机下视中心点的相对距离是固定不变的，通过无人机相关参数可以得到。
已知RTK天线中心点的坐标，结合参数提供的两者相对距离，可以得到相机下视中心点的坐标，也就是点P的坐标。然后通过视觉图像和修正方法，利用点P的坐标求出点O的坐标，即将点P修正到点O。将每次监测得到的O点坐标进行对比分析，便能求得滑坡体上监测点的位移量。
以下是结合附图9-10叙述的具体修正方法和实现步骤：
第一步：利用RTK天线中心点的坐标得到相机下视中心点的坐标。
根据定位系统，我们能够得到RTK天线中心点的坐标，即定位坐标。但是该坐标并不是无人机落点的坐标，相机下视中心点的坐标才是无人机实际落点的坐标。对于特定的无人机，RTK天线中心点和相机下视中心点的相对距离是固定不变的(详情可见无人机参数)，且两者间的相对距离也可以通过直尺测量得到。因此，只要得到RTK 天线中心点的坐标，结合量得的两者相对距离，换算成经纬度，就能得到相机下视中心点的坐标。
第二步：识别出无人机的偏转方向。
由于在平台上标注出了正东、正西、正南、正北四个方向，可以根据视觉图像中的图像坐标轴与平台方向轴的相对位置识别出无人机的偏转方向。图9-10中，矩形 abcd为机载相机提供的视觉图像的图形边框，图中可以看出图像中心与平台中心并没有重合，因此判断出相机是偏离平台中心点拍摄的图片，无人机落点相对平台中心监测点位发生了偏移。根据图像的纵坐标轴与平台的正北坐标轴的夹角可以判断出无人机相对于平台坐标系发生了逆时针方向的偏转，且角度偏转量为∠BPA的大小。
第三步：求出无人机偏转角度的大小。
如图10所示，在视觉图像(即像素坐标系，这里为XPY坐标系)中，可以利用像素坐标读出点P与平台正东正西方向轴的最短距离a1，点P与平台正北正南方向轴的最短距离为a2(这里的距离并非实际距离，是通过像素单元来表示的)，则有 tan∠OPA＝a1/a2,这样就能求得∠OPA的大小。
如图9所示，在图像坐标系中，OB⊥PB,O、P、A三点都可以用像素坐标表示，利用三角形正余弦定理得到OP两点连线与图像坐标系横轴间的夹角∠OPB的大小，则偏转角∠BPA＝∠OPA-∠OPB，从而得到偏转角θ(即∠BPA)的大小。
第四步：修正偏转角。
由于前面已经利用视觉图像中的像素坐标求得无人机沿逆时针方向偏转了θ度，因此在图像坐标系中对应地将点O绕图像中心点P逆时针旋转θ，进而得到点O’，如图10所示。O’点的坐标可以用P、O两点的像素坐标及偏转角度θ(∠BPA)来表示：
O′x＝(Ox-Px)cosθ-(Oy-Py)sinθ+Px
O′y＝(Ox-Px)sinθ+(Oy-Py)cosθ+Py
第五步：利用视觉图像识别出无人机的位移偏移量。
P和O’两点在图像坐标系中的相对位置即为P和O两点在平台坐标系中的相对位置。在图像坐标系中识别出O’与P两点间的像素单元个数，然后将像素单元个数换算成实际距离。通过室内试验，结合相机的各个参数，可以得到像素坐标系中每一个像素单元所对应的实际距离，确定两者的对应关系。
具体的试验方法如下：浇筑一个与监测平台相同大小的试件，在试件上表面上选取固定两点，用直尺量得两点间的实际距离。然后模拟无人机降落在平台上，相机拍摄得到包含两点在内的图像，在图像中识别出所选取两点间的像素单元个数，用量得的实际距离除以像素单元个数，进而得到每一个像素单元所对应的实际距离L，将其视为相机的一个参数，对于特定相机，该参数是固定不变的。前面已经得到P、O’两点的像素坐标，然后通过图像识别确定P与O’两点间的像素单元个数，将O’、C 之间的像素个数乘以L，即可得到PO两点间横向偏移量将O’、D之间的像素个数乘以L，即可得到纵向偏移量
第六步：进行位移修正。
由于视觉修正的结果与相机下视中心点的位置密切相关，无人机落在不同区域所对应的结果也不一样。该发明设计中利用标识刻度将平台分为四个象限，如图4所示。在相机所提供的图像中，平台坐标轴可以用不同颜色进行区分(附图中未表示)，方便视觉系统识别。首先判断点P在平台坐标系中的第几象限，对应进行位移修正：
若点P处于第一象限：
若点P处于第二象限:
若点P处于第三象限:
若点P处于第四象限:
通过以上六个步骤，就能利用已知的RTK天线中心点的坐标得到平台中心点P 的坐标(即预测点)。
由于图像坐标系不可能与平台坐标系完全重合或平行，起降平台主体1上的标识图像2，一是为了无人机方便识别降落，二是能够通过无人机自带的云台相机拍摄提供的视觉图像，通过图像中的特征点和坐标轴，利用像素和实际距离的对应关系进行角度和位移的修正。
采用上述结构及方法，通过机载相机提供的视觉图像，结合图像识别和智能算法，进行视觉修正，先修正角度偏转量，再修正位移偏移量，从而达到将无人机实际落点修正到预测点位(平台中心点P)上的目的。
该平台及修正方法能够将精度提高到mm级别，可以广泛应用于大型滑坡体变形监测、大坝以及桥梁等工程质量检测等方面，很好地满足了科研及实际工程的需要。
Claims (7)
1.一种可视觉定位的无人机起降平台，包括起降平台主体（1）,其特征是：所述的起降平台主体（1）顶面上设有标识图像（2），标识图像（2）由半径不同的多个同心圆组成。
2.根据权利要求1所述的一种可视觉定位的无人机起降平台，其特征在于：组成所述标识图像（2）的多个同心圆的最小直径为10mm，相邻两圆之间的半径差为20mm。
3.根据权利要求1所述的一种可视觉定位的无人机起降平台，其特征在于：所述的标识图像（2）上建立有水平的坐标轴，坐标轴上标注东南西北四个方位，其中X轴与东方向对应。
4.一种基于权利要求1-3任意一项所述的一种可视觉定位的无人机起降平台的无人机落点修正方法，其特征在于：通过机载相机输出的视觉图像，配合标识图像（2）确定无人机（3）相对于标识图像（2）中心点的偏移量，从而进行无人机（3）的落点修正；
具体包括以下步骤：
1）将无人机（3）降落在起降平台主体（1）上；
2）通过无人机（3）上的机载相机输出的视觉图像，利用视觉图像中特征点P的像素坐标，依靠三角形正弦余弦定理进行运算，得到视觉图像特征点P相对于标识图像（2）中心点O的偏移角度θ；
3）根据步骤2）中所计算的偏移角度，在机载相机输出的视觉图像中，将标识图像（2）中心点O绕视觉图像特征点P旋转θ，得到O’， O’的坐标可依靠OP两点坐标以及偏移角度θ表示；
4）在视觉图像中确定O’与视觉图像特征点P之间的相对位置，两者相对位置即为机载相机下视中心点与平台中心监测点在平台坐标系中的相对位置。
5.根据权利要求4所述的一种可视觉定位的无人机起降平台的无人机落点修正方法，其特征在于：所述的步骤4）中，O’与P之间的相对位置等于O’与P之间的像素单元个数乘以每个像素单元所对应的尺寸L。
6.根据权利要求5所述的一种可视觉定位的无人机起降平台的无人机落点修正方法，其特征在于每个所述的像素单元所对应的尺寸L采用以下步骤进行预计算：
1）在室内浇筑一个尺寸与起降平台主体（1）尺寸相同的混凝土平台；
2）在混凝土平台上选取两个固定点，并利用直尺测量出两个固定点之间的间距T；
3）操控无人机模拟定点起降；
4）无人机落在混凝土平台上时，通过机载相机拍摄并输出包含两个固定点的视觉图像；
5）在视觉图像中确定两个固定点之间所对应的像素单元的个数；
6）利用两个固定点之间的间距T除以两个固定点之间所对应的像素单元的个数，即可得到单个像素单元所对应的尺寸L。
7.根据权利要求4所述的一种可视觉定位的无人机起降平台的无人机落点修正方法，其特征在于：所述的无人机（3）上搭载有RTK定位系统，由于RTK天线与无人机（3）之间是固定连接，因此RTK天线与机载相机的下视点之间的相对位置可根据所使用的无人机（3）的具体参数确定，RTK天线的坐标通过定位系统进行确定，再根据RTK天线与机载相机的下视点之间的相对位置，确定机载相机下视点坐标，即视觉图像特征点P的坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190409 |