CN110068827A - 一种无人机自主目标测距的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人机自主目标测距的方法，可以在多个角度对被测目标进行自主测距，主控模块通过控制云台的偏航和俯仰运动，使激光测距仪自动对准目标实施测距，该过程完全自主化，不需要人操纵激光测距仪来对准目标。在无人机对移动目标实施测距的情况下，本发明的一种无人机自主目标测距的方法还考虑到了目标丢失的情况，主控模块通过检测目标丢失方向，来控制云台向目标丢失方向做偏航和俯仰运动，增大了摄像机再次捕获被测目标的概率，从而提高了无人机机载设备对移动目标测距的成功率。

Description

一种无人机自主目标测距的方法
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及飞行器侦察目标技术领域，具体是指一种无人机对目标实施测距的方法。
背景技术
无人机侦察是无人机能够完成的重要军事任务之一，在无人机对目标实施定位的场合，需要测量无人机与目标之间的距离。将激光测距仪安装在无人机上使用，可以实现无人机与目标之间的距离的测量。但是，目前安装在无人机上的激光测距仪通常为以下两种安装方法：激光测距仪固定安装在无人机上或者激光测距仪安装在无人机的转台上。它们具有以下缺点：①当激光测距仪固定安装在无人机上时，激光测距仪角度无法调节，只能测量单一方向的地面目标，无法自由角度测量；②当激光测距仪安装在无人机的转台上时，激光测距仪的测向可以调节，但是无法做到自主测距，需要人来操控激光测距仪，对准地面固定/移动目标实施测距。
发明内容
要解决的技术问题
针对目前的无人机机载激光测距仪无法自由角度测量和无法自动对准地面固定/移动目标测量的问题，本发明提出的测距方法能够保证激光测距仪，在多个角度上自动对准地面固定/移动目标实施测量，无需人操控激光测距仪来对准目标实施测距。
技术方案
一种无人机自主目标测距的方法，载重云台和主控模块固连在无人机上，激光测距仪和摄像机平行安装在载重云台上；其特征在于步骤如下：
步骤1：提取待测目标的颜色或形状特征，并将目标特征输入到主控模块中保存；
步骤2：主控模块控制载重云台在一定范围内做偏航和俯仰运动，对目标实施搜索，并根据待测目标的特征实施目标检测与识别，若未发现待测目标，则主控模块控制载重云台一直循环搜索；若发现目标，则提取目标中心坐标(u，v)；
步骤3：主控模块计算被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差u-u0和纵向偏差v-v0，其中u0和v0分别为图像中心坐标的横坐标和纵坐标；
步骤4：主控模块中的数字PID通过上述横向偏差和纵向偏差计算出相应占空比的PWM波，施加到载重云台的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，驱动载重云台做偏航运动和俯仰运动，直至被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差为(0，0)；
步骤5：主控模块一旦检测到该偏差量为(0，0)，立刻向激光测距仪发送测距指令，然后读取激光测距仪的测距信息，同时，主控模块读取机载GPS信息，并对上述两个信息添加时间戳；
步骤6：主控模块获取到测距信息和机载GPS信息之后，对待测目标测距完成。
在步骤4中当目标丢失方向，主控模块控制云台向被测目标丢失方向做偏航运动或俯仰运动，对目标进行再次的搜索。
有益效果
本发明提出的一种无人机自主目标测距的方法，可以在多个角度对被测目标进行自主测距，主控模块通过控制云台的偏航和俯仰运动，使激光测距仪自动对准目标实施测距，该过程完全自主化，不需要人操纵激光测距仪来对准目标。在无人机对移动目标实施测距的情况下，本发明的一种无人机自主目标测距的方法还考虑到了目标丢失的情况，主控模块通过检测目标丢失方向，来控制云台向目标丢失方向做偏航和俯仰运动，增大了摄像机再次捕获被测目标的概率，从而提高了无人机机载设备对移动目标测距的成功率。
附图说明
图1为本发明的测距方法在具体实施时的设备组成图；
图2为本发明第一实施例的无人机自主目标测距方法的流程图；
图3为本发明第二实施例的无人机自主目标测距方法的流程图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出的目标测距方法在具体实施时，包括以下几个部分：无人机、主控模块、摄像机、激光测距仪以及用于承载摄像机和激光测距仪的载重云台，主控模块具有采集、运算和控制作用；所述载重云台安装在无人机上，载重云台上设置有与主控模块相连接的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，主控模块通过控制载重云台上的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，分别驱动云台带动摄像机做偏航运动和俯仰运动。
主控模块具有图像采集与处理的功能，主控模块与摄像机通过信号传输线连接，主控模块可以采集到摄像机拍摄的含有被测目标的图像帧。主控模块采用目标检测与识别的手段提取目标中心坐标，从而可以计算出被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差。
主控模块具有控制的功能，通过已获取的被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差，计算出PWM控制量，施加到载重云台上的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，分别驱使摄像机偏航运动和俯仰运动，直到上述横向偏差量和纵向偏差量为零。
激光测距仪具备测距功能，主控模块与激光测距仪通过信号传输线连接，主控模块检测到被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差为零，向激光测距仪发送测距指令，激光测距仪收到测距指令，便对目标实施测距，主控模块读取激光测距仪的测距信息。
本发明的一种无人机自主目标测距方法，所述载重云台上还设置有用于调节激光测距仪安装角度的微调旋钮。通过调节该旋钮，可以调整激光测距仪与摄像机的安装角度，从而尽可能的保证激光测距仪与摄像机光轴之间保持平行。
本发明的一种无人机自主目标测距方法，所述载重云台上还设置有用于测量云台偏航角和俯仰角的编码器，该编码器通过信号线与主控模块连接，主控模块可以随时读取编码器的值来获取云台的位置。主控模块通过施加相应的PWM波，可以控制云台在一定策略下做偏航和俯仰运动。
本发明提出的目标测距方法，其特别之处在于，包括以下步骤：
a).提取被测目标的颜色或形状特征，将目标特征输入到主控模块中保存；
b).主控模块控制云台在一定范围内作偏航和俯仰运动，对被测目标实施搜索，并根据被测目标的特征对摄像机帧图像实施目标检测与识别，若未发现被测目标，则主控模块控制云台一直循环搜索；若发现目标，则提取目标中心坐标(u，v)；
c).主控模块计算被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差u-u0和纵向偏差v-v0，其中u0和v0分别为图像中心坐标的横坐标和纵坐标；
d).主控模块的数字PID通过上述横向偏差和纵向偏差计算对应的PWM波，施加到云台的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，驱动云台做偏航运动和俯仰运动，直至被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差为(0，0)；
e).主控模块一旦检测到该偏差量为(0，0)，立即向激光测距仪发送测距指令，并读取激光测距仪的测距信息；
f).主控模块获取到测距信息之后，对被测目标测距完成。
如图1所示，本发明的一种无人机自主目标测距的方法在具体实施时，包括以下几个部分：无人机1、载重云台2、主控模块3、激光测距仪4、摄像机5，其中载重云台2和主控模块3固连在无人机上，激光测距仪4和摄像机5平行安装在载重云台2上。
本发明第一实施例，一种无人机自主目标测距的方法，如图2所示，包括以下具体步骤：
步骤一：无人机1机载测距设备上电启动，主控模块3通过载重云台2上的偏航驱动模块、俯仰驱动模块分别驱动载重云台2带动摄像机做偏航运动和俯仰运动，如图2中的6所示。
步骤二：主控模块3通过信号传输线周期性的采集一帧图像，如图2中的7所示；主控模块3对采集到的图像进行目标检测与识别的处理，如图2中的8所示。
步骤三：主控模块3判断当前一帧图像中是否含有被测目标，如图2中的9所示；若未发现被测目标，则返回执行步骤一、步骤二和步骤三，若发现目标，则向下执行步骤四。
步骤四：主控模块3检测到当前一帧图像中含有被测目标，则提取待测目标在图像像素坐标系下的中心坐标，并计算被测目标中心坐标到图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差，如图2中的10和11所示。
步骤五：主控模块3判断被测目标中心坐标到图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差是否为零，如图2中的12所示；若横向偏差和纵向偏差不都为零，则执行步骤六；若横向偏差和纵向偏差都为零，则向下执行步骤七。
步骤六：主控模块3根据横向偏差和纵向偏差的值计算PID控制量，输出PWM波给载重云台2上的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，驱动云台带动摄像机做偏航运动和俯仰运动，如图2中的16和17所示，然后返回执行上述步骤二、步骤三、步骤四和步骤五；需要特别指出的是：本发明第一实施例是假定在目标不丢失的情况下，即执行步骤四之后，步骤三中的判断结果一直为是，也即被测目标第一次被发现之后，就一直保持在摄像机视野范围内，直到无人机机载激光测距仪对目标测量完成。
步骤七：主控模块3向激光测距仪4发送测距指令，然后读取激光测距仪4的测距信息，至此，测距完成。如图2中的13、14和15所示。
本发明第二实施例，一种无人机自主目标测距的方法，如图3所示，本实例所述方法与实例一中的方法有相同之处，区别在于本发明第二实施例考虑了待测目标被搜索到了之后又丢失的情况，包括以下具体步骤：
步骤一：无人机1自主目标测距设备上电启动，主控模块3通过载重云台2上的偏航驱动模块、俯仰驱动模块分别驱动云台带动摄像机做偏航运动和俯仰运动，如图3中的6所示。
步骤二：主控模块3通过信号传输线周期性的采集一帧图像，如图3中的7所示；主控模块3对采集到的图像进行目标检测与识别的处理，如图3中的8所示。
步骤三：主控模块3判断当前一帧图像中是否含有被测目标，如图3中的9所示；若未发现目标，则执行上述步骤一和步骤二，若发现目标，则向下执行步骤四。
步骤四：主控模块3检测到当前一帧图像中含有被测目标，则提取被测目标在图像像素坐标系下的中心坐标，并计算被测目标中心坐标到图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差，如图3中的10和11所示。
步骤五：主控模块判断被测目标中心坐标到图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差是否为零，如图3中的12所示；若横向偏差和纵向偏差不都为零，则执行步骤六；若横向偏差和纵向偏差都为零，则向下执行步骤八。
步骤六：由主控模块根据横向偏差和纵向偏差的值计算PID控制量，输出PWM波到载重云台上的偏航驱动模块、俯仰驱动模块，驱动云台带动摄像机做偏航运动和俯仰运动，如图3中的16和17所示，然后执行上述步骤二、步骤三、步骤四和步骤五；需要特别指出的，本发明第二实施例是假定在目标存在丢失的情况下，即执行步骤四之后，步骤三中的判断结果可能为否，也即目标第一次被发现之后，目标又再次丢失，此时增加目标丢失判断，如图3中18所示，若目标丢失，则执行步骤七，若目标一直保持在摄像机视野范围内，则为本发明第一实施例所述。
步骤七：判断目标丢失方向，主控模块控制云台向被测目标丢失方向做偏航运动或俯仰运动，对目标进行再次的搜索，如图3中19所示，然后执行步骤三、步骤四和步骤五。
步骤八：主控模块向激光测距仪发送测距指令，然后读取激光测距仪的测距信息，至此，测距完成。如图3中的13、14和15所示。

Claims (2)

1.一种无人机自主目标测距的方法，载重云台和主控模块固连在无人机上，激光测距仪和摄像机平行安装在载重云台上；其特征在于步骤如下：
步骤1：提取待测目标的颜色或形状特征，并将目标特征输入到主控模块中保存；
步骤2：主控模块控制载重云台在一定范围内做偏航和俯仰运动，对目标实施搜索，并根据待测目标的特征实施目标检测与识别，若未发现待测目标，则主控模块控制载重云台一直循环搜索；若发现目标，则提取目标中心坐标(u，v)；
步骤3：主控模块计算被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差u-u0和纵向偏差v-v0，其中u0和v0分别为图像中心坐标的横坐标和纵坐标；
步骤4：主控模块中的数字PID通过上述横向偏差和纵向偏差计算出相应占空比的PWM波，施加到载重云台的偏航驱动模块和俯仰驱动模块，驱动载重云台做偏航运动和俯仰运动，直至被测目标中心坐标与图像中心坐标之间的横向偏差和纵向偏差为(0，0)；
步骤5：主控模块一旦检测到该偏差量为(0，0)，立刻向激光测距仪发送测距指令，然后读取激光测距仪的测距信息，同时，主控模块读取机载GPS信息，并对上述两个信息添加时间戳；
步骤6：主控模块获取到测距信息和机载GPS信息之后，对待测目标测距完成。
2.根据权利要求1所述的无人机自主目标测距的方法，其特征在于在步骤4中当目标丢失方向，主控模块控制云台向被测目标丢失方向做偏航运动或俯仰运动，对目标进行再次的搜索。
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