CN113052899A - 一种编队飞行器动态姿态标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种编队飞行器动态姿态标定系统及方法，包括有主无人机、从无人机、测绘装置和摄像头，其中测绘装置设置在主无人机上，朝向主无人机正下方，摄像头设置在主无人机上，朝向主无人机正上方；从无人机飞行航迹位于主无人机正上方，主无人机监控主无人机与从无人机的空间坐标以及接收测绘装置与摄像头拍摄的画面，本发明通过主、从无人机在空间内实时相对位置的关系，反演计算得出主无人机在动态过程中的实时姿态，相较于传统的依靠飞行器内部的飞行数据进行计算得出的飞行器姿态更加精准高效。
Description
技术领域
本发明涉及高动态飞行器的精确姿态估计领域，特别涉及一种编队飞行器动态姿态标定系统及方法。
背景技术
在利用飞行器进行高分辨测绘、精准目标跟踪、三维空间环境勘测等系统应用时，对于飞行器在动态位置姿态估计精度方面要求较高。而现有飞行器在高速、动态的环境下姿态确定精度低，传统的标定方法使用内部惯性传感器和罗盘定位，其精度无法满足高精度的需求，因此亟待寻找一种高精度方法来解决现有技术存在的这一问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种编队飞行器动态姿态标定系统及方法，能够不依赖于飞行器内部飞行数据，对飞行器动态时的姿态进行高精度的标定。
技术方案：本发明所述的一种编队飞行器动态姿态标定系统，包括有主无人机、从无人机、测绘装置和摄像头，所述测绘装置设置在主无人机上，朝向主无人机正下方，所述摄像头设置在主无人机上，朝向主无人机正上方；所述从无人机飞行航迹位于主无人机正上方；所述主无人机监控主无人机与从无人机的空间坐标以及接收测绘装置与摄像头拍摄的画面。
作为优选，所述测绘装置可以采用多光谱相机、高光谱相机或者激光雷达，对地面进行测绘。
作为优选，所述测绘装置与摄像头连体固定，姿态一致。
一种编队飞行器动态姿态标定方法，其特征在于：包括有以下步骤：
S1：对主无人机和从无人机进行编队以及航迹规划；
S2：主无人机与从无人机按照规划好的航迹进行飞行，保持动态过程中的相对位置以及高度不变，在需要测绘的目标区域附近，主无人机同时触发测绘装置对目标区域拍摄以及摄像头对从无人机拍摄；
S3：主无人机接收主无人机与从无人机在测绘完成后的空间位置信息，同时主无人机接收摄像头拍摄到的从无人机在拍摄画面中的像素点位置；
S4：主无人机在采集到的摄像头的拍摄图像中，利用从无人机在摄像头拍摄画面内的像素点位置及两无人机的坐标构成的空间几何关系来反演计算出主无人机的姿态视角。
作为优选，所述S1中航迹规划需确保从无人机飞行航迹位于摄像头拍摄画面内。
作为优选，所述S4具体包括以下步骤：
S4.1：确定从无人机在主无人机摄像头图像中的像素位置信息，确定摄像头视角中的几何关系；
S4.2：基于从无人机的全局绝对坐标信息来确认从无人机的实际空间几何关系；
S4.3：根据从无人机在摄像头视角中的几何关系以及实际空间几何关系计算出测绘装置的姿态视角，即主无人机的姿态视角。
作为优选，所述S4.3中主无人机相机的姿态视角包括俯视角、横滚角和倾斜角。
作为优选，所述主无人机搭载有计算自身姿态视角变化的芯片。
有益效果：本发明通过主摄像头与从摄象头的设置，能够将飞行器在对地面测绘中需要拍摄的画面区分开来，分别用于测绘以及对飞行器自身姿态的确定，易于后期计算；同时相较于传统的依靠飞行器内部飞行数据的自身姿态估计方法，本发明通过主、从无人机在空间内实时相对位置的关系，反演计算得出主无人机在动态过程中的实时姿态，精度更高，效率更高。
附图说明
图1是本发明中横滚角计算示意图；
图2是本发明中俯视角计算示意图；
图3是本发明中倾斜角计算示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述。
本发明中编队飞行器动态姿态标定系统，包括有主无人机、从无人机、测绘装置和摄像头，测绘装置设置在主无人机上，朝向主无人机正下方，摄像头设置在主无人机上，朝向主无人机正上方，测绘装置与摄像头连体固定，姿态一致；从无人机飞行航迹位于主无人机正上方；主无人机监控主无人机与从无人机的空间坐标以及接收测绘装置与摄像头拍摄的画面。
本发明中测绘装置可以采用多光谱相机、高光谱相机或者激光雷达，在本实施例中测绘装置采用镜头朝下的多光谱相机。
本发明中的编队飞行器动态姿态标定方法包括有以下步骤：
S1：对搭载有能够计算自身姿态视角变化芯片的主无人机和从无人机进行编队以及航迹规划，确保从无人机飞行航迹位于摄像头拍摄画面内；
S2：主无人机与从无人机按照规划好的航迹进行飞行，保持动态过程中的相对位置以及高度不变，在需要测绘的目标区域附近，主无人机同时触发测绘装置对目标区域拍摄以及摄像头对从无人机拍摄；
S3：主无人机接收主无人机与从无人机在测绘完成后的空间位置信息，同时主无人机接收摄像头拍摄到的从无人机在拍摄画面中的像素点位置；
S4：主无人机在采集到的摄像头的拍摄图像中，利用从无人机在摄像头拍摄画面内的像素点位置及两无人机的坐标构成的空间几何关系来反演计算出主无人机的姿态视角。具体包括以下步骤：
S4.1：确定从无人机在主无人机摄像头图像中的像素位置信息，确定摄像头视角中的几何关系；
S4.2：基于从无人机的全局绝对坐标信息来确认从无人机的实际空间几何关系；
S4.3：根据从无人机在摄像头视角中的几何关系以及实际空间几何关系计算出测绘装置的姿态视角，即主无人机的姿态视角。
如图1所示，当主无人机在由X轴，Y轴和Z轴构成的空间坐标系中沿着X轴方向飞行时，主无人机全局坐标信息为(X主,Y主，Z主),即测绘装置坐标为(X主,Y主，Z主)，从无人机在主无人机正上方同步飞行，从无人机坐标信息为(X从，Y从，Z从)，主无人机与从无人机的高度差可以通过实际的坐标信息计算得出为D。
当主无人机绕本体Y轴旋转时，即摄像头绕本体Y轴旋转，旋转的角度与测绘装置旋转角度相同，均为α，即横滚角为α。此时从无人机在摄像头拍摄画面内的成像像素坐标为(PX,0)，根据成像像素的坐标(PX,0)从而反演计算出在实际空间中PX的距离X，此时D以及X的实际长度分别为一个直角三角形的斜边与直角边，因此根据简单的计算即可直接求出横滚角α。
同理如图2所示，主无人机绕本体X轴旋转时，即摄像头绕本体X轴旋转，旋转的角度与测绘装置旋转角度相同，均为β，即俯视角为β，与计算横滚角α的过程相同，此时从无人机在摄像头拍摄画面内的成像像素坐标为(0,Py)，根据成像像素的坐标(0,Py)从而反演计算出在实际空间中Py的距离Y，此时D以及Y的实际长度分别为一个直角三角形的斜边与直角边，因此根据简单的计算即可直接求出俯视角为β。
同理如图3所示，主无人机绕本体X轴旋转β角度的同时绕本体Y轴旋转α，此时参照上述计算过程，可以分别计算出主无人机在X轴方向的俯视角β以及Y轴方向的横滚角α，从而确定主无人机在实际空间中的倾斜角度。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (8)
1.一种编队飞行器动态姿态标定系统，其特征在于：包括有主无人机、从无人机、测绘装置和摄像头，所述测绘装置设置在主无人机上，朝向主无人机正下方，所述摄像头设置在主无人机上，朝向主无人机正上方；所述从无人机飞行航迹位于主无人机正上方；所述主无人机监控主无人机与从无人机的空间坐标以及接收测绘装置与摄像头拍摄的画面。
2.根据权利要求1所述的一种编队飞行器动态姿态标定系统，其特征在于：所述测绘装置可以采用多光谱相机、高光谱相机或者激光雷达，对地面进行测绘。
3.根据权利要求1所述的一种编队飞行器动态姿态标定系统，其特征在于：所述测绘装置与摄像头连体固定，姿态一致。
4.一种编队飞行器动态姿态标定方法，其特征在于：包括有以下步骤：
S1：对主无人机和从无人机进行编队以及航迹规划；
S2：主无人机与从无人机按照规划好的航迹进行飞行，保持动态过程中的相对位置以及高度不变，在需要测绘的目标区域附近，主无人机同时触发测绘装置对目标区域拍摄以及摄像头对从无人机拍摄；
S3：主无人机接收主无人机与从无人机在测绘完成后的空间位置信息，同时主无人机接收摄像头拍摄到的从无人机在拍摄画面中的像素点位置；
S4：主无人机在采集到的摄像头的拍摄图像中，利用从无人机在摄像头拍摄画面内的像素点位置及两无人机的坐标构成的空间几何关系来反演计算出主无人机的姿态视角。
5.根据权利要求4所述的一种编队飞行器动态姿态标定方法，其特征在于：所述S1中航迹规划需确保从无人机飞行航迹位于摄像头拍摄画面内。
6.根据权利要求4所述的一种编队飞行器动态姿态标定方法，其特征在于：所述S4具体包括以下步骤：
S4.1：确定从无人机在主无人机摄像头图像中的像素位置信息，确定摄像头视角中的几何关系；
S4.2：基于从无人机的全局绝对坐标信息来确认从无人机的实际空间几何关系；
S4.3：根据从无人机在摄像头视角中的几何关系以及实际空间几何关系计算出测绘装置的姿态视角，即主无人机的姿态视角。
7.根据权利要求6所述的一种编队飞行器动态姿态标定方法，其特征在于：所述S4.3中主无人机相机的姿态视角包括俯视角、横滚角和倾斜角。
8.根据权利要求4所述的一种编队飞行器动态姿态标定方法，其特征在于：所述主无人机搭载有计算自身姿态视角变化的芯片。
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| CN105527960A (zh) * | 2015-12-18 | 2016-04-27 | 燕山大学 | 一种基于领航跟随的移动机器人编队控制方法 |
| CN107038722A (zh) * | 2016-02-02 | 2017-08-11 | 深圳超多维光电子有限公司 | 一种设备定位方法及装置 |
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