CN113821052A - 集群无人机协同目标定位方法、系统、协同目标定位终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机智能侦查技术领域，公开了集群无人机协同目标定位方法、系统、协同目标定位终端。N个无人机同时锁定同一目标物体；无人机之间相互发送自身的位置和姿态数据；获得各无人机像素坐标和世界坐标之间的关系；联立N架无人机的数据，解算出目标物体的精确世界坐标。本发明所述方法能够在无人机群侦查到目标物体的同时，给出目标物体的高精度地理坐标；负荷轻，只需要搭载一枚微型摄像头；无需事先拿到目标物体的海拔高度就能计算出目标物体的地理位置坐标。本方法适用于在无人机进行智能侦查时，快速精确的解算出目标物体的精确地理坐标位置，同时操作简单，容易部署，实用性高。
Description
技术领域
本发明属于无人机智能侦查技术领域，尤其涉及一种集群无人机协同目标定位方法、系统、无人机、协同目标定位终端。
背景技术
目前，无人机由于在高空中飞行，与地面侦查设备相比，拥有着更好的观察视野和更加机动灵活的侦查路线。目前，单个侦查无人机能够轻松的发现目标物体并给出目标物体的大致距离和方位，但是无法准确的给出目标物体的精确经纬坐标。在一些搜救领域和军事领域，需要在无人机侦查到目标的同时，能够准备的计算出视野内目标物体的精确经纬度坐标，为后续的救援行动和军事行动提供准确的地面引导。
已有一些针对目标定位的技术方案，这些技术方案大都采用三轴云台挂载单点激光雷达的方式，通过激光测距的方式，计算出目标物体的地理位置。还有一些技术方案采用标定后的单目相机，在已知无人机和目标物体的海拔高度差的情况下，也能大致计算出目标物体的地理位置。但是上述中的技术方案，存在定位精度差，挂载负荷大等问题，很难在实际任务场景中成功应用起来。
因此，找到一种定位精度高，挂载负荷小，应用部署简单的目标定位方法，是本领域亟待解决的问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术中，无人机群侦查目标物体中，无法精确解算出目标物体的地理坐标位置；
(2)现有技术中，无人机需要挂载大型负荷设备，如云台，激光测距仪等，使用起来操作过程繁琐；
(3)现有技术中，需要事先测量目标物体的海拔高度，实用性差。
解决以上问题及缺陷的难度为：集群无人机协同目标定位方法需要对多架无人机进行协同控制，相互之间进行实时通信，对无人机集群控制技术和实时通信提出了更高的要求。
解决以上问题及缺陷的意义为：可以使用更小型更轻量化的无人机设备来精确定位到目标物体。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种集群无人机协同目标定位方法、系统、无人机、协同目标定位终端。
所述技术方案如下：一种集群无人机协同目标定位方法，包括：
对无人机侦查画面中目标物体的世界坐标进行解算；并联合多个无人机画面和数据进行目标物体的定位。
在一个实施例中，所述集群无人机协同目标定位方法具体包括：
步骤一，N个无人机同时锁定同一目标物体；
步骤二，无人机之间相互发送自身的位置和姿态数据；
步骤三，获得各无人机像素坐标和世界坐标之间的关系；
步骤四，联立N架无人机的数据，解算出目标物体的精确世界坐标。
在一个实施例中，所述步骤一具体包括：N架无人机组成一个协同侦查集群，每架无人机上面装备一个45°朝下的微型摄像机，且N架无人机之间相互通信，并实时发送各自位置和姿态数据；其中N≥2；
微型摄像机的内部参数包括相机的焦距fx,fy，相机的光心坐标u0,v0，相机的外部参数包括世界坐标系到相机坐标的旋转矩阵R和平移矩阵T。
在一个实施例中，所述的无人机搭载GPS RTK天线，用于获取自身厘米级精度的定位数据，且无人机之间相互采用自组网模块，用于实现各自位置数据和姿态数据的实时交换。
在一个实施例中，所述步骤二具体包括：
1号无人机在侦查到目标物体后，获取目标物体在画面中的像素坐标(u1,v1)；在相机内部参数和外部参数已知的情况下，目标物体像素坐标与世界坐标按以下公式进行转换，其中Zc1为目标物体在1号无人机相机坐标系下的深度值，目标物体的世界坐标为(Xw,Yw,Zw)；
在一个实施例中，所述步骤三具体包括：
2号无人机获得目标物体在画面中的像素坐标(u2,v2)，且1号无人机和2号无人机之间的相对位置T'和相对姿态R'已知；求出同一目标物体在1和2号相机坐标系中的对应关系Zc2＝Zc1·R'+T'。
在一个实施例中，所述步骤四具体包括：
应用同一目标物体在1和2号相机坐标系中的对应关系Zc2＝Zc1·R'+T'的计算公式，得到N号无人机的像素坐标与无人机世界坐标之间的关系式，联立2N个四元一次方程式求解，求解出无论目标物体处在静止状态或者运动状态下目标物体的世界坐标(Xw,Yw,Zw)。
本发明的另一目的在于提供一种集群无人机协同目标定位系统包括：
微型摄像机，搭载在无人机上，并45°朝下，用于获取无人机所处位置和姿态数据；
GPS RTK天线，搭载在无人机上，用于获取无人机厘米级精度的定位数据；
自组网模块，搭载在无人机上，用于无人机所处位置数据和姿态数据与其他无人机实时交换；
无人机像素坐标和世界坐标相互关系获取模块，用于获得各无人机像素坐标和世界坐标之间的关系；
目标物体世界坐标获取模块，用于联立N架无人机的数据，解算出目标物体的精确世界坐标。
本发明的另一目的在于提供一种无人机，所述无人机用于实施所述集群无人机协同目标定位方法。
本发明的另一目的在于提供一种无人机协同目标定位终端，所述无人机协同目标定位终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述集群无人机协同目标定位方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明提供的无人机能够准备的计算出视野内目标物体的精确经纬度坐标，为后续的救援行动和军事行动提供准确的地面引导。
本发明所述方法能够在无人机群侦查到目标物体的同时，给出目标物体的高精度地理坐标；负荷轻，只需要搭载一枚微型摄像头；无需事先拿到目标物体的海拔高度就能计算出目标物体的地理位置坐标。本方法适用于在无人机进行智能侦查时，快速精确的解算出目标物体的精确地理坐标位置，同时操作简单，容易部署，实用性高。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的集群无人机协同目标定位方法流程图。
图2是本发明实施例提供的集群无人机协同目标定位系统
图中：1、微型摄像机；2、GPS RTK天线；3、自组网模块；4、无人机像素坐标和世界坐标相互关系获取模块；5、目标物体世界坐标获取模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供的集群无人机协同目标定位方法能够快速准确解算出无人机侦查画面中目标物体的世界坐标。并联合多个无人机画面和数据进行目标定位。
如图1所示，本发明实施例提供的集群无人机协同目标定位方法包括：
步骤1：N架(N≥2)无人机组成一个协同侦查集群，每架无人机上面装备一个45°朝下的微型摄像机，且每个相机的内部参数和外部参数已知，N架无人机之间能够相互通信，实时发送各自位置和姿态数据。相机的内部参数包括相机的焦距fx,fy，相机的光心坐标u0,v0，相机的外部参数包括世界坐标系到相机坐标的旋转矩阵R和平移矩阵T。
步骤2：1号无人机在侦查到目标物体后，可以获取目标物体在画面中的像素坐标(u1,v1)。在相机内部参数和外部参数已知的情况下，目标物体像素坐标与其世界坐标存在以下转换关系，其中Zc1为目标物体在1号无人机相机坐标系下的深度值，目标物体的世界坐标为(Xw,Yw,Zw)。
步骤3：同理，2号无人机也可以获得目标物体在画面中的像素坐标(u2,v2)，且1号无人机和2号无人机之间的相对位置T'和相对姿态R'已知。因此，可以求出同一目标物体在1和2号相机坐标系中的对应关系Zc2＝Zc1·R'+T'。
步骤4：依次类推，可以得到N号无人机的像素坐标与无人机世界坐标之间的关系式，联立2N个四元一次方程式求解，即可求解出目标物体的世界坐标(Xw,Yw,Zw)。
在本发明一优选实施例中，步骤1中所述的无人机搭载着GPS RTK天线，能够获取自身厘米级精度的定位数据，且无人机之间相互采用自组网模块，能够实现各自位置数据和姿态数据的实时交换。
在本发明一优选实施例中，步骤2中所述的坐标系转换方式，能够实现像素坐标系与世界坐标系之间的相互转换。
在本发明一优选实施例中，步骤4中所述的目标物体世界坐标系求解方式，只需要两架以上无人机，即可精确的求解出目标物体在世界坐标中的位置，且无论目标物体处在静止状态或者运动状态。
在本发明一优选实施例中，如图2所示，本发明提供一种集群无人机协同目标定位系统包括：
微型摄像机1，搭载在无人机上，并45°朝下，用于实时检测目标物体的像素坐标，且能够通过无人机的IMU获取到微型摄像机的姿态角；
GPS RTK天线2，搭载在无人机上，用于获取无人机厘米级精度的定位数据；
自组网模块3，搭载在无人机上，用于无人机所处位置数据和姿态数据与其他无人机实时交换；
无人机像素坐标和世界坐标相互关系获取模块4，用于获得各无人机像素坐标和世界坐标之间的关系；
目标物体世界坐标获取模块5，用于联立N架无人机的数据，解算出目标物体的精确世界坐标。
通过实验表明：本发明能够精确的求解出目标物体的世界坐标；在离目标物体50米左右时，定位误差小于0.4m，在离目标物体30米左右时，定位误差小于0.2m。本发明降低了无人机目标定位技术的实现难度；本发明能够对动态的物体实现追踪定位。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述集群无人机协同目标定位方法包括：
对无人机侦查画面中目标物体的世界坐标进行解算；并联合多个无人机画面和数据进行目标物体的定位。
2.根据权利要求1所述的集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述集群无人机协同目标定位方法具体包括：
步骤一，N个无人机同时锁定同一目标物体；
步骤二，无人机之间相互发送自身的位置和姿态数据；
步骤三，获得各无人机像素坐标和世界坐标之间的关系；
步骤四，联立N架无人机的数据，解算出目标物体的精确世界坐标。
3.根据权利要求2所述的集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：N架无人机组成一个协同侦查集群，每架无人机上面装备一个45°朝下的微型摄像机，且N架无人机之间相互通信，并实时发送各自位置和姿态数据；其中N≥2；
微型摄像机的内部参数包括相机的焦距fx,fy，相机的光心坐标u0,v0，相机的外部参数包括世界坐标系到相机坐标的旋转矩阵R和平移矩阵T。
4.根据权利要求3所述的集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述的无人机搭载GPS RTK天线，用于获取自身厘米级精度的定位数据，且无人机之间相互采用自组网模块，用于实现各自位置数据和姿态数据的实时交换。
5.根据权利要求2所述的集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
1号无人机在侦查到目标物体后，获取目标物体在画面中的像素坐标(u1,v1)；在相机内部参数和外部参数已知的情况下，目标物体像素坐标与世界坐标按以下公式进行转换，其中Zc1为目标物体在1号无人机相机坐标系下的深度值，目标物体的世界坐标为(Xw,Yw,Zw)；
6.根据权利要求2所述的集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
2号无人机获得目标物体在画面中的像素坐标(u2,v2)，且1号无人机和2号无人机之间的相对位置T'和相对姿态R'已知；求出同一目标物体在1和2号相机坐标系中的对应关系Zc2＝Zc1·R'+T'。
7.根据权利要求2所述的集群无人机协同目标定位方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
应用同一目标物体在1和2号相机坐标系中的对应关系Zc2＝Zc1·R'+T'的计算公式，得到N号无人机的像素坐标与无人机世界坐标之间的关系式，联立2N个四元一次方程式求解，求解出无论目标物体处在静止状态或者运动状态下目标物体的世界坐标(Xw,Yw,Zw)。
8.一种实施权利要求1～7任意一项所述集群无人机协同目标定位方法的集群无人机协同目标定位系统，其特征在于，所述集群无人机协同目标定位系统包括：
微型摄像机，搭载在无人机上，并45°朝下，用于获取无人机所处位置和姿态数据；
GPS RTK天线，搭载在无人机上，用于获取无人机厘米级精度的定位数据；
自组网模块，搭载在无人机上，用于无人机所处位置数据和姿态数据与其他无人机实时交换；
无人机像素坐标和世界坐标相互关系获取模块，用于获得各无人机像素坐标和世界坐标之间的关系；
目标物体世界坐标获取模块，用于联立N架无人机的数据，解算出目标物体的精确世界坐标。
9.一种无人机，其特征在于，所述无人机用于实施权利要求1～7任意一项所述集群无人机协同目标定位方法。
10.一种无人机协同目标定位终端，其特征在于，所述无人机协同目标定位终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～7任意一项所述集群无人机协同目标定位方法。
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