CN112925002A - 空中非合作目标分布式视觉定位方法 - Google Patents

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CN112925002A CN202110165893.5A CN202110165893A CN112925002A CN 112925002 A CN112925002 A CN 112925002A CN 202110165893 A CN202110165893 A CN 202110165893A CN 112925002 A CN112925002 A CN 112925002A
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张亚娟
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system

Abstract

本发明公开了一种空中非合作目标分布式视觉定位方法，包括如下步骤：首先，分布式部署多个视觉探测器，并获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标，之后，建立世界坐标系，并获得各视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标，接着，各视觉探测器分别对标定靶标进行多个标定点位的拍摄，计算得到各视觉探测器的成像投影矩阵，最后，以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，在光轴会聚模型下，对空中非合作目标进行立体视觉定位。该定位方法适用于分布式多视觉探测器对空中非合作目标的协同交替定位跟踪，能以分布式多视觉探测器构建立体视觉系统，实现无测距装置辅助条件下的视觉法空间定位。

Description

空中非合作目标分布式视觉定位方法
技术领域
本发明涉及一种目标定位方法，特别提供了一种空中非合作目标分布式视觉定位方法，利用地面或楼顶分布式部署的多个视觉探测器对空中“黑飞”无人机等非合作目标进行视觉定位。
背景技术
近年来，无人机“黑飞”事件时有发生，给民用航空等带来了极大的威胁和挑战。“黑飞”无人机等空中非合作目标往往呈现飞行高度低、飞行速度慢、体积小等特点，还往往受到复杂的树木、楼房、围墙等背景杂波影响，然而，在实际应用中，往往希望尽可能远的探测到目标，因此会造成目标呈现尺寸小、信号弱，传统的雷达、激光等定位手段都难以对这类“低慢小”目标进行有效定位。
因此，如何实现对空中非合作目标进行有效地视觉定位，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种空中非合作目标分布式视觉定位方法，以解决传统的雷达、激光等定位手段难以对这类“低慢小”目标进行有效定位的问题。
本发明提供的技术方案是：空中非合作目标分布式视觉定位方法，包括如下步骤：
S1：在地面或楼顶分布式部署多个视觉探测器，并利用所述视觉探测器携带的北斗卫星导航系统获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标；
S2：选取所述视觉探测器中的1个视觉探测器作为坐标原点，建立世界坐标系，并获得其余视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标；
S3：利用部署好的各视觉探测器分别对携带北斗卫星导航系统的标定靶标进行至少n个标定点位的拍摄并得到拍摄图像，之后，利用标定靶标在世界坐标系中的坐标和其在拍摄图像中的像素坐标得到每个视觉探测器对应的从世界坐标系转换到像素坐标系的成像投影矩阵，其中，n≥6；
S4：对所述空中非合作目标进行拍照，并以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，分别得到所述空中非合作目标质心在所述两个视觉探测器的像素坐标系中的坐标，之后，利用所述空中非合作目标在像素坐标系下的坐标及所述视觉探测器对应的成像投影矩阵，在光轴会聚模型下对空中非合作目标进行立体视觉定位，并计算所述空中非合作目标的质心在大地坐标系中的坐标。
优选，S1中，获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标方法如下：
S11：采用大地坐标系CGCS2000的高精度北斗卫星导航系统，以地球质心为原点，以指向IERS定义的参考极方向为Z轴，以IERS参考子午面与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线为X轴，以Z轴、X轴构成的右手直角坐标系确定Y轴，尺度长度为国际单位制米，其中，所述大地坐标系表示为OgXgYgZg；
S12：利用所述视觉探测器携带的北斗卫星导航系统依次对每个视觉探测器进行自定位，得到每个视觉探测器在大地坐标系中的坐标，其中，第i个视觉探测器在大地坐标系中的坐标记为
Figure BDA0002937845110000021
N表示视觉探测器的总数。
进一步优选，S2中，视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标通过公式(1)获得
Figure BDA0002937845110000031
式(1)中，
Figure BDA0002937845110000032
为第i个视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标，i＝1…N，N表示视觉探测器的总数，
Figure BDA0002937845110000033
为第i个视觉探测器在大地坐标系中的坐标，i＝1…N，N表示视觉探测器的总数，
Figure BDA0002937845110000034
为被选为世界坐标系坐标原点的视觉探测器在大地坐标系中的坐标，k∈[1,2,…,N]。
进一步优选，S3中，视觉探测器对应成像投影矩阵M的获得方法如下：
S31：利用所述视觉探测器对携带北斗卫星导航系统的标定靶标进行至少n个标定点位的拍摄并得到拍摄图像，同时，获得所述标定靶标在所述n个标定点位的大地坐标，记为
Figure BDA0002937845110000035
其中，j＝1…n，n≥6；
S32：将获得的所述标定靶标在所述n个标定点位的大地坐标转换为世界坐标系下的坐标，记为
Figure BDA0002937845110000036
S33：利用公式(2)计算所述视觉探测器对应的成像投影矩阵M中的12个未知数m11～m34，进而得到成像投影矩阵M；
Figure BDA0002937845110000037
式中：
Figure BDA0002937845110000041
表示所述标定靶标在第j个标定点位的世界坐标，j＝1…n，(uj,vj)表示所述标定靶标在第j个标定点位对应的拍摄图像中像素坐标，j＝1…n；
其中，所述视觉探测器对应的成像投影矩阵M如下：
Figure BDA0002937845110000042
进一步优选，S4具体包括如下步骤：
S41：对所述空中非合作目标进行拍照，并以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，分别得到所述空中非合作目标质心在所述两个视觉探测器的像素坐标系中的坐标(ul,vl)和(ur,vr)，所述两个视觉探测器对应的成像投影矩阵分别为Ml和Mr，其中，以所述空中非合作目标的质心作为坐标点，记所述坐标点在世界坐标系中的坐标为(Xw,Yw,Zw)；
S42：利用公式(4)求解所述空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标(Xw,Yw,Zw)，
Figure BDA0002937845110000043
式中，
Figure BDA0002937845110000044
分别为矩阵Ml中数据，
Figure BDA0002937845110000045
分别为矩阵Mr中的数据；
S43：将空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标换算成在大地坐标系中的坐标(Xg,Yg,Zg)。
本发明提供的空中非合作目标分布式视觉定位方法，满足探测器灵活部署的应用需求，便于随机部署分布式探测器的快速自组织，适用于分布式多视觉探测器对空中非合作目标的协同交替定位跟踪，能以分布式多视觉探测器构建立体视觉系统，实现无测距装置辅助条件下的视觉法空间定位。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的空中非合作目标分布式视觉定位方法的流程图；
图2为各坐标系的关系图；
图3为多个视觉探测器对空中非合作目标的视觉定位示意图；
图4为光轴会聚模型下的双目立体视觉定位原理图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
为了解决传统的雷达、激光等定位手段难以对这类“低慢小”目标进行有效定位的问题，如图1所示，本发明提供了一种空中非合作目标分布式视觉定位方法，包括如下步骤：
S1：在地面或楼顶分布式部署多个视觉探测器，并利用所述视觉探测器携带的北斗卫星导航系统获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标；
其中，S1中，获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标方法如下：
S11：采用大地坐标系CGCS2000的高精度北斗卫星导航系统，以地球质心为原点，以指向IERS定义的参考极(IRP)方向为Z轴，以IERS参考子午面(IRM)与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线为X轴，以Z轴、X轴构成的右手直角坐标系确定Y轴，尺度长度为国际单位制米(SI)，其中，所述大地坐标系表示为OgXgYgZg；
S12：利用所述视觉探测器携带的北斗卫星导航系统依次对每个视觉探测器进行自定位，得到每个视觉探测器在大地坐标系中的坐标，其中，第i个视觉探测器在大地坐标系中的坐标记为
Figure BDA0002937845110000061
N表示视觉探测器的总数。
S2：选取所述视觉探测器中的1个视觉探测器作为坐标原点，建立世界坐标系，并获得其余视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标；
具体地：选1个视觉探测器作为世界坐标系的坐标原点，其余视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标通过公式(1)获得
Figure BDA0002937845110000062
式(1)中，
Figure BDA0002937845110000063
为第i个视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标，i＝1…N，N表示视觉探测器的总数，
Figure BDA0002937845110000064
为第i个视觉探测器在大地坐标系中的坐标，i＝1…N，N表示视觉探测器的总数，
Figure BDA0002937845110000065
为被选为世界坐标系的坐标原点的视觉探测器在大地坐标系中的坐标，k∈[1,2,…,N]。
S3：利用部署好的各视觉探测器分别对携带北斗卫星导航系统的标定靶标进行至少n个标定点位的拍摄并得到拍摄图像，之后，利用标定靶标在世界坐标系中的坐标和其在拍摄图像中的像素坐标得到每个视觉探测器对应的从世界坐标系转换到像素坐标系的成像投影矩阵，其中，n≥6；
下面以世界坐标系中的点P(Xw,Yw,Zw)在像素坐标系中成像为坐标为p(u,v)的像素点这一过程为例，说明视觉探测器的成像过程，该过程不考虑成像畸变，其中，如图2所示，记像素坐标系ouv、图像坐标系oixy、相机坐标系OcXcYc和世界坐标系OwXwYwZw：
1)世界坐标系到摄像机坐标系的变换过程包含旋转和平移，设世界坐标系绕Xw轴逆时针旋转
Figure BDA0002937845110000071
角、绕Yw轴逆时针旋转ω角、绕Zw轴逆时针旋转θ角，在Xw轴、Yw轴、Zw轴方向上分别平移tx、ty、tz后，变换至摄像机坐标系，则变换过程可表达为：
Figure BDA0002937845110000072
对应的齐次表达式为：
Figure BDA0002937845110000073
2)摄像机坐标系到图像坐标系的变换过程是物点在像平面上的投影，以f表示相机焦距，根据小孔成像的三角形相似原理，其变换过程可表达为：
Figure BDA0002937845110000074
3)图像坐标系与像素坐标系处于同一平面，两者之间的差异在于坐标原点的位置和单位，以dx表示一个像素点在x轴上的物理尺寸，以dy表示一个像素点在y轴上的物理尺寸,那么，变换过程可表达为：
Figure BDA0002937845110000075
由上可以看出，在不考虑畸变的情况下，视觉探测器的成像过程可以看成是从世界坐标系到像素坐标系的投影过程，成像投影矩阵M可表示为：
Figure BDA0002937845110000081
视觉探测器成像过程可表达为：
Figure BDA0002937845110000082
式中，Zc表示物点在视觉探测器光轴方向上的深度。
由上述推导可知，每个视觉探测器对应的成像投影矩阵M均为一个3行4列的矩阵。
其中，S3中，视觉探测器对应的成像投影矩阵M的获得方法如下：
S31：利用所述视觉探测器对携带北斗卫星导航系统的标定靶标进行至少n个标定点位的拍摄并得到拍摄图像，同时，获得所述标定靶标在所述n个标定点位的大地坐标，记为
Figure BDA0002937845110000083
其中，j＝1…n，n≥6；
S32：将获得的所述标定靶标在所述n个标定点位的大地坐标转换为世界坐标系下的坐标，记为
Figure BDA0002937845110000084
S33：利用公式(2)计算所述视觉探测器对应的成像投影矩阵M中的12个未知数m11～m34，进而得到成像投影矩阵M；
Figure BDA0002937845110000085
式中：
Figure BDA0002937845110000091
表示所述标定靶标在第j个标定点位的世界坐标，j＝1…n，(uj,vj)表示所述标定靶标在第j个标定点位对应的拍摄图像中像素坐标，j＝1…n；
其中，所述视觉探测器对应的成像投影矩阵M如下：
Figure BDA0002937845110000092
其中，公式(2)的获得方法如下：
上面已经描述，视觉探测器的成像过程表达如公式(3)所示：
Figure BDA0002937845110000093
式中，Zc表示物点在视觉探测器光轴方向上的深度，(Xw,Yw,Zw)和(u,v)分别表示所述标定靶标在同一位置的世界坐标及在拍摄图像中的像素坐标；
因此，当标定靶标在n个标定点位时，可对应n组世界坐标和像素坐标，将n组世界坐标和像素坐标分别带入公式(3)中并整理，可得到2n个方程，当n≥6时，可得到至少12个方程，因此，可求解出12个未知数m11～m34，其中，整理并得到的2n个方程如下：
Figure BDA0002937845110000094
写成矩阵形式为：
Figure BDA0002937845110000101
可以简记为：
CQ＝0
其中，C是2n×12的矩阵，Q是12×1的向量，0表示2n×1的向量；
由于Q向量的12个未知数中有11个是互相独立的，因此，令m34＝1，则有：
Figure BDA0002937845110000102
可以简记为：
DQ′＝R
其中，矩阵D和向量R均可以由n个标定点位的坐标对得到。
因为，n≥6，即每个视觉探测器的标定采用了至少6个不同的标定点位，因此，可采用最小二乘法求解超定方程组，并通过下式得到Q′的解
Q′＝(DTD)-1DTR
之后，利用Q′即可得到M。
S4：对所述空中非合作目标进行拍照，并以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，分别得到所述空中非合作目标质心在所述两个视觉探测器的像素坐标系中的坐标，之后，利用所述空中非合作目标在像素坐标系下的坐标及所述视觉探测器对应的成像投影矩阵，在光轴会聚模型下对空中非合作目标进行立体视觉定位，并计算空中非合作目标的质心在大地坐标系中的坐标，其中，图3为由俯视、仰视和平视的三个探测器两两构成双目立体视觉系统对空中非合作目标的视觉定位示意图。
其中，S4具体包括如下步骤：
S41：如图4所示，对所述空中非合作目标进行拍照，并以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，分别得到所述空中非合作目标质心在所述两个视觉探测器的像素坐标系中的坐标(ul,vl)和(ur,vr)，所述两个视觉探测器对应的成像投影矩阵分别为Ml和Mr，其中，以所述空中非合作目标的质心作为坐标点，记所述坐标点在世界坐标系中的坐标为(Xw,Yw,Zw)；
S42：利用公式(4)求解所述空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标(Xw,Yw,Zw)，
Figure BDA0002937845110000111
式中，
Figure BDA0002937845110000112
分别为矩阵Ml中数据，
Figure BDA0002937845110000113
分别为矩阵Mr中的数据；
其中，公式(4)的获得方法如下：
所述空中非合作目标在世界坐标系中的坐标和像素坐标系中的坐标可以由两个视觉探测器的投影模型表示，分别为：
Figure BDA0002937845110000121
Figure BDA0002937845110000122
其中，
Figure BDA0002937845110000123
和
Figure BDA0002937845110000124
分别表示所述空中非合作目标的质心在两个视觉探测器光轴方向上的深度；
联立上述两式，消掉
Figure BDA0002937845110000125
和
Figure BDA0002937845110000126
可得：
Figure BDA0002937845110000127
写成矩阵形式即为公式(4)：
Figure BDA0002937845110000128
可以简记为：
AP＝B
采用最小二乘法求解该超定方程组，可得到P的解：
P＝(ATA)-1ATB
即：求得所述空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标(Xw,Yw,Zw)；
S43：将空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标换算成在大地坐标系中的坐标(Xg,Yg,Zg)。
该空中非合作目标分布式视觉定位方法，满足探测器灵活部署的应用需求，便于随机部署分布式探测器的快速自组织，适用于分布式多视觉探测器对空中非合作目标的协同交替定位跟踪，能以分布式多视觉探测器构建立体视觉系统，实现无测距装置辅助条件下的视觉法空间定位。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.空中非合作目标分布式视觉定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在地面或楼顶分布式部署多个视觉探测器，并利用所述视觉探测器携带的北斗卫星导航系统获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标；
S2：选取所述视觉探测器中的1个视觉探测器作为坐标原点，建立世界坐标系，并获得其余视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标；
S3：利用部署好的各视觉探测器分别对携带北斗卫星导航系统的标定靶标进行至少n个标定点位的拍摄并得到拍摄图像，之后，利用标定靶标在世界坐标系中的坐标和其在拍摄图像中的像素坐标得到每个视觉探测器对应的从世界坐标系转换到像素坐标系的成像投影矩阵，其中，n≥6；
S4：对所述空中非合作目标进行拍照，并以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，分别得到所述空中非合作目标质心在所述两个视觉探测器的像素坐标系中的坐标，之后，利用所述空中非合作目标在像素坐标系下的坐标及所述视觉探测器对应的成像投影矩阵，在光轴会聚模型下对空中非合作目标进行立体视觉定位，并计算所述空中非合作目标的质心在大地坐标系中的坐标。
2.按照权利要求1所述空中非合作目标分布式视觉定位方法，其特征在于：S1中，获取各视觉探测器在大地坐标系中的坐标方法如下：
S11：采用大地坐标系CGCS2000的高精度北斗卫星导航系统，以地球质心为原点，以指向IERS定义的参考极方向为Z轴，以IERS参考子午面与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线为X轴，以Z轴、X轴构成的右手直角坐标系来确定Y轴，尺度长度为国际单位制米，其中，所述大地坐标系表示为OgXgYgZg；
S12：利用所述视觉探测器携带的北斗卫星导航系统依次对每个视觉探测器进行自定位，得到每个视觉探测器在大地坐标系中的坐标，其中，第i个视觉探测器在大地坐标系中的坐标记为
Figure FDA0002937845100000021
N表示视觉探测器的总数。
3.按照权利要求1所述空中非合作目标分布式视觉定位方法，其特征在于：S2中，视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标通过公式(1)获得
Figure FDA0002937845100000022
式(1)中，
Figure FDA0002937845100000023
为第i个视觉探测器在所述世界坐标系中的坐标，i＝1…N，N表示视觉探测器的总数，
Figure FDA0002937845100000024
为第i个视觉探测器在大地坐标系中的坐标，i＝1…N，N表示视觉探测器的总数，
Figure FDA0002937845100000025
为被选为世界坐标系的坐标原点的视觉探测器在大地坐标系中的坐标，k∈[1,2,…,N]。
4.按照权利要求1所述空中非合作目标分布式视觉定位方法，其特征在于：S3中，视觉探测器对应的成像投影矩阵M的获得方法如下：
S31：利用所述视觉探测器对携带北斗卫星导航系统的标定靶标进行至少n个标定点位的拍摄并得到拍摄图像，同时，获得所述标定靶标在所述n个标定点位的大地坐标，记为
Figure FDA0002937845100000026
其中，j＝1…n，n≥6；
S32：将获得的所述标定靶标在所述n个标定点位的大地坐标转换为世界坐标系下的坐标，记为
Figure FDA0002937845100000027
S33：利用公式(2)计算所述视觉探测器对应的成像投影矩阵M中的12个未知数m11～m34，进而得到成像投影矩阵M；
Figure FDA0002937845100000031
式中：
Figure FDA0002937845100000032
表示所述标定靶标在第j个标定点位的世界坐标，j＝1…n，(uj,vj)表示所述标定靶标在第j个标定点位对应的拍摄图像中像素坐标，j＝1…n；
其中，所述视觉探测器对应的成像投影矩阵M如下：
Figure FDA0002937845100000033
5.按照权利要求1所述空中非合作目标分布式视觉定位方法，其特征在于：S4具体包括如下步骤：
S41：对所述空中非合作目标进行拍照，并以可检测到空中非合作目标的两个视觉探测器作为定位信标节点，构成双目立体视觉系统，分别得到所述空中非合作目标质心在所述两个视觉探测器的像素坐标系中的坐标(ul,vl)和(ur,vr)，所述两个视觉探测器对应的成像投影矩阵分别为Ml和Mr，其中，以所述空中非合作目标的质心作为坐标点，记所述坐标点在世界坐标系中的坐标为(Xw,Yw,Zw)；
S42：利用公式(4)求解所述空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标(Xw,Yw,Zw)，
Figure FDA0002937845100000041
式中，
Figure FDA0002937845100000042
分别为矩阵Ml中数据，
Figure FDA0002937845100000043
分别为矩阵Mr中的数据；
S43：将空中非合作目标的质心在世界坐标系中的坐标换算成在大地坐标系中的坐标(Xg,Yg,Zg)。
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