CN116519016A - 无人机云台图像标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机技术领域，提供了一种无人机云台图像标定方法及系统，所述方法包括：设计云台标定平台；设计标准参考图像区域；云台图像采集、IMU数据采集、码盘数据采集三者同步进行，并对应存储采集数据；图像进行特征提取与处理，得到所述图像的垂直方向、水平方向及偏航方位角，并与IMU数据及码盘数据对应存储；得到的所述图像的垂直方向、水平方向及偏航方位角与存储的IMU数据及码盘数据进行一一匹配，利用最小二乘法进行标定结果解算，得到云台标定结果；将所述标定结果存储至对应云台，并在云台运行过程中调用，进行偏置消除操作。本发明相对于传统标定方法，大大提升了云台标定的精度，并且标定可全自动进行，简化了标定流程。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种无人机云台图像标定方法及系统。
背景技术
无人机挂载云台的一般目的是能够采集其机芯中摄像机的图像，图像方位及质量是用户最关心的特性。在图像采集时IMU一般会存在漂移误差以及在安装过程中引入的安装误差，这些误差都会造成云台成像一定角度的歪斜、漂移甚至抖动，造成用户体验差的结果。因此需要在使用前需要对IMU进行标定，并且编码器在使用前也需要获知云台在水平方向时，编码器的数值。目前常用的云台的IMU标定以及码盘零点标定方位，要将IMU拆卸进行单独校准，这种方法在生产过程中耗费人力，并且安装后，还会引入安装误差,从而影响云台的成像效果，而编码器标定的常用的方法是将云台卡在零位进行校准，这种方法需要做大量云台的校准工装，并且工装也会有精度误差,因此目前常用的云台标定方法并不能精确标定云台，为后续控制做好基础。
本发明针对云台标定繁琐误差大的问题，结合常用的云台结构，提出了一种利用图像处理对无人机云台进行标定的方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的存在的问题，提出了本发明一种无人机云台图像标定方法及系统，利用图像手段对云台进行全自动标定，相对于传统标定方法，大大提升了云台标定的精度，并且标定可全自动进行，简化了标定流程。
本申请中名词解释：
IMU：惯性测量单元(加速度和角速度)。
码盘：测量角位移的数字编码器。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种无人机云台图像标定方法，无人机云台包括用于图像采集的摄像单元、惯性测量单元IMU和码盘，所述方法包括：
S1、设计或搭建云台标定平台；
S2、设计或搭建标准参考图像区域，标准参考图像能识别出水平和垂直的指示方向；
S3、云台图像采集、IMU数据采集、码盘数据采集三者同步进行，并将采集到的图像、IMU数据及码盘数据对应存储；
S4、对步骤S3得到的图像进行特征提取与处理，得到所述图像中心相对于摄像机中心在垂直方向和水平方向的位置偏差及偏航方位角；
S5、将步骤S4得到的所述图像的垂直方向和水平方向的位置偏差及偏航方位角，与步骤S3存储的IMU数据及码盘数据进行一一匹配，利用最小二乘法进行标定结果解算，得到云台标定结果；
S6、将所述标定结果存储至对应云台，并在云台运行过程中调用，进行偏置消除操作。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，所述云台标定平台为独立固定平台(专用)，或无人机挂载平台。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，标准参考图像为环绕式图像，图像搭载框架完全垂直于地平面，图像中标志图形采用矩形、十字或圆形标准标定图案，设定水平方位标志。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中，在云台的绝对零位前放置所述标准参考图像，使云台随机转动到能拍摄所述标准参考图像的位置，待云台在随机转动的位置稳定后，进行云台图像、IMU数据和码盘数据同步采集。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中，利用图像处理方法提取图像中的特征中心点，根据该中心点在图像中的对应像素位置、摄像头距离采集平面的距离及摄像头视场角，计算出摄像头当前的计算俯仰角、计算滚转角及计算偏转角度，分别与测得的摄像头当前的实际俯仰角、滚转角及偏转角度对比，即得到当前位置的偏差及偏航方位角。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中，对图像进行处理时，采用边缘检测、梯度检测或圆心检测方法对图像进行特征提取。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中，云台标定的具体方法为：
调节IMU的加速度和角速度的零位偏差值，并将所述零位偏差值分别补偿到对应的传感器数据上，使得云台输出的摄像头俯仰角、滚转角与同时刻的所述计算俯仰角、计算滚转角分别做差的平方值最小；当分别计算的做差的平方值小于设定阈值EIMU时，IMU校准通过；记录相对应的IMU的加速度和角速度的零位偏差值；
调节码盘在云台航向上的零位角度，使得云台输出的航向偏转角度与同时刻的所述计算偏转角度做差的平方值最小，当做差的平方值小于阈值EC时，码盘校准完成；记录相对应的码盘在云台航向上的零位角度。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中，云台标定结果的呈现形式为单一固定偏置、偏置查询表或偏置拟合曲线。
另一方面，本发明还提供了种无人机云台图像标定系统，包括云台标定平台、云台、标准图像搭载框架、云台图像处理及存储模块；
所述云台标定平台为专用平台，或无人机挂载平台；
所述云台包括所述摄像单元、惯性测量单元IMU和码盘；
所述标准图像搭载框架，设置有标准参考图像区域，标准参考图像能识别出水平和垂直的指示方向；
所述摄像单元、惯性测量单元IMU、码盘同步采集数据，并将数据传输给云台图像处理及存储模块；
所述系统利用上述的方法对无人机云台进行标定。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述标准参考图像为环绕式图像，所述图像搭载框架完全垂直于地平面，参考图像中标志图形采用矩形、十字或圆形标准标定图案，设定水平方位标志。
本发明的有益效果为：
本发明方法相对于传统标定方法，大大提升了云台标定的精度，并且标定可全自动进行，简化了标定流程。且本发明可以标定全方位偏置误差，另外考虑到云台控制的根因在于图像采集效果，使用图像手段标定可以不再考虑IMU与机芯的安装误差，提升产品良率和产品性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例一种无人机云台图像标定方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中无人机云台标定架构图。
图3所示为实施例中数据采集示意图。
图4所示为实施例中云台采集图像方式示例图。
图5所示为云台采集图像相对位置示例图。
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，下面结合说明书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，但是本发明还可以采用其他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推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明方法和系统的基本原理如下：
一般云台都会搭载IMU和码盘(电机编码器)用来解算摄像机的姿态角速度等运动信息，从而进行增稳控制。本发明所述云台搭载IMU和码盘(编码器)都需在使用前进行校准与标定。但是由于传感器自身误差以及人工误差和装配误差，造成云台歪斜以及抖动，不符合观察者的使用习惯，并且繁琐的标定过程会浪费人力物力。本发明提出的IMU和编码器标定方法可同时进行，节省时间并且不会引入不必要的误差。标定利用图像处理的方法获取摄像机拍摄物体的垂直或水平特征，计算云台当前状态的滚转、俯仰以及偏航偏差角度，通过此角度来校正云台的加速度和角速度和计算出云台水平时码盘的位置。流程如图1所示。
本发明的系统框架：
无人机云台系统中搭载有摄像单元，例如为摄像头；所述摄像单元负责进行图像采集，随机角度拍摄提前预设好的绝对水平垂直的图像，并将采集到的图像实时传递至云台图像处理及存储模块；所述图像处理及存储模块负责对拍摄图像中物体的垂直或水平方向特征提取，得到摄像机当前的滚转、俯仰和偏航角度，再通过测量的加速度和角速度数据进行最小二乘拟合得到角速度计的校准信息，然后再通过角度以及当前的码盘值计算出摄像机水平时码盘的位置。
如图2所示，本发明实施例一种无人机云台图像标定方法，包括：
S1、设计或搭建云台标定平台；
S2、设计或搭建标准参考图像区域，标准参考图像能识别出水平和垂直的指示方向；
S3、云台图像采集、IMU数据采集、码盘数据采集三者同步进行，并将采集到的图像、IMU数据及码盘数据对应存储；
S4、对步骤S3得到的图像进行特征提取与处理，得到所述图像中心相对于摄像机中心在垂直方向和水平方向的位置偏差及偏航方位角；
S5、将步骤S4得到的所述图像的垂直方向和水平方向的位置偏差及偏航方位角，与存储的IMU数据及码盘数据进行一一匹配，利用最小二乘法进行标定结果解算，得到云台标定结果；
S6、将所述标定结果存储至对应云台，并在云台运行过程中调用，进行偏置消除操作。
在一个具体实施例中，骤S1中，所述云台标定平台为专用平台，或无人机挂载平台。
在一个具体实施例中，步骤S2中，标准参考图像为环绕式图像，图像搭载框架完全垂直与地平面，图像中标志图形采用矩形、十字或圆形标准标定图案，设定水平方位标志。
在一个具体实施例中，同步采集数据时，以IMU采集时间触发云台曝光形式，且要求环境亮度足够，使云台图像采集曝光时间不至于过长，并将采集到的图像、IMU数据、码盘数据对应存储并计算。
在一个具体实施例中，同步数据采集如图3所示；云台采集图像方式如图4所示。
在一个具体实施例中，在云台的绝对零位前放置固定图像，使云台随机转动到能拍摄固定图像的位置，待云台在此角度稳定后，进行云台图像采集、IMU数据采集、码盘数据同步采集。云台采集图像示例如图4所示。云台采集图像相对位置示例如图5所示。
在一个具体实施例中，如图5所示，步骤S5中，利用图像处理方法提取图像中的特征中心点(x,y)，根据该中心点在图像中的对应位置、摄像头距离采集平面的距离及摄像头视场角等参数，计算出摄像头当前的计算俯仰角、计算滚转角及计算偏转角度，分别与云台输出的摄像头当前的实际俯仰角、滚转角及偏转角度对比，即得到当前位置的偏差及偏航方位角。
在一个具体实施例中，调节IMU的加速度和角速度的零位偏差值，并将所述零位偏差值分别补偿到对应的传感器数据上，使得云台输出的摄像头俯仰角、滚转角与同时刻的所述计算俯仰角、计算滚转角分别做差的平方值最小；当分别计算的做差的平方值小于设定阈值EIMU时，IMU校准通过；记录相对应的IMU的加速度和角速度的零位偏差值；
调节码盘在云台航向上的零位角度，使得云台输出的航向偏转角度与同时刻的所述计算偏转角度做差的平方值最小，当做差的平方值小于阈值EC时，码盘校准完成；记录相对应的码盘在云台航向上的零位角度。
在一个具体实施例中，云台标定结果的呈现形式为单一固定偏置、偏置查询表或偏置拟合曲线。
在一个具体实施例中，对图像进行处理时，采用边缘检测、梯度检测或圆心检测方法对图像进行特征提取。
本发明实施例一种无人机云台图像标定系统，包括云台标定平台、云台、标准图像搭载框架、云台图像处理及存储模块；
所述云台标定平台为专用平台，或无人机挂载平台；
所述云台包括所述摄像单元、惯性测量单元IMU和码盘；
所述标准图像搭载框架，设置有标准参考图像区域，标准参考图像能识别出水平和垂直的指示方向；
所述摄像单元、惯性测量单元IMU、码盘同步采集数据，并将数据传输给云台图像处理及存储模块；
所述系统利用上述的方法对无人机云台进行标定。
本发明利用图像手段对云台进行全自动标定，相对于传统标定方法，大大提升了云台标定的精度，并且标定可全自动进行，简化了标定流程。且本发明可以标定全方位偏置误差，另外考虑到云台控制的根因在于图像采集效果，使用图像手段标定可以不再考虑IMU与机芯的安装误差，提升产品良率和产品性能。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种无人机云台图像标定方法，其特征在于，无人机云台包括用于图像采集的摄像单元、惯性测量单元IMU和码盘，所述方法包括：
S1、设计或搭建云台标定平台；
S2、设计或搭建标准参考图像区域，标准参考图像能识别出水平和垂直的指示方向；
S3、云台图像采集、IMU数据采集、码盘数据采集三者同步进行，并将采集到的图像、IMU数据及码盘数据对应存储；
S4、对步骤S3得到的图像进行特征提取与处理，得到所述图像中心相对于摄像机中心在垂直方向和水平方向的位置偏差及偏航方位角；
S5、将步骤S4得到的所述图像的垂直方向和水平方向的位置偏差及偏航方位角，与步骤S3存储的IMU数据及码盘数据进行一一匹配，利用最小二乘法进行标定结果解算，得到云台标定结果；
S6、将所述标定结果存储至对应云台，并在云台运行过程中调用，进行偏置消除操作。
2.如权利要求1所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S1中，所述云台标定平台为独立固定平台，或无人机挂载平台。
3.如权利要求1所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S2中，所述标准参考图像为环绕式图像，图像搭载框架完全垂直于地平面，所述标准参考图像中标志图形采用矩形、十字或圆形标准标定图案，设定水平方位标志。
4.如权利要求1所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S3中，在云台的绝对零位前放置所述标准参考图像，使云台随机转动到能拍摄所述标准参考图像的位置，待云台在随机转动的位置稳定后，进行云台图像、IMU数据和码盘数据同步采集。
5.如权利要求1所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S4中，利用图像处理方法提取图像中的特征中心点，根据该特征中心点在图像中的对应像素位置、摄像头距离采集图像平面的距离及摄像头视场角，计算出摄像头当前的计算俯仰角、计算滚转角及计算偏转角度，分别与云台输出的摄像头当前的实际俯仰角、滚转角及偏转角度对比，即得到当前位置的偏差及偏航方位角。
6.如权利要求1所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S4中，对图像进行处理时，采用边缘检测、梯度检测或圆心检测方法对图像进行特征提取。
7.如权利要求5所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S5中，云台标定的具体方法为：
调节IMU的加速度和角速度的零位偏差值，并将所述零位偏差值分别补偿到对应的传感器数据上，使得云台输出的摄像头俯仰角、滚转角与同时刻的所述计算俯仰角、计算滚转角分别做差的平方值最小；当分别计算的做差的平方值小于设定阈值EIMU时，IMU校准通过；记录相对应的IMU的加速度和角速度的零位偏差值；
调节码盘在云台航向上的零位角度，使得云台输出的航向偏转角度与同时刻的所述计算偏转角度做差的平方值最小，当做差的平方值小于阈值EC时，码盘校准完成；记录相对应的码盘在云台航向上的零位角度。
8.如权利要求1所述的无人机云台图像标定方法，其特征在于，步骤S5中，云台标定结果的呈现形式为单一固定偏置、偏置查询表或偏置拟合曲线。
9.一种无人机云台图像标定系统，其特征在于，所述系统包括云台标定平台、云台、标准图像搭载框架、云台图像处理及存储模块；
所述云台标定平台为专用平台，或无人机挂载平台；
所述云台包括所述摄像单元、惯性测量单元IMU和码盘；
所述标准图像搭载框架，设置有标准参考图像区域，标准参考图像能识别出水平和垂直的指示方向；
所述摄像单元、惯性测量单元IMU、码盘同步采集数据，并将数据传输给云台图像处理及存储模块；
所述系统利用如权利要求1-8任一项所述的方法对无人机云台进行标定。
10.如权利要求9所述的无人机云台图像标定系统，其特征在于，所述标准参考图像为环绕式图像，所述图像搭载框架完全垂直于地平面，参考图像中标志图形采用矩形、十字或圆形标准标定图案，设定水平方位标志。
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| CN117557167A (zh) * | 2024-01-03 | 2024-02-13 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 一种云台机的生产质量管理方法及系统 |
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| CN117557167A (zh) * | 2024-01-03 | 2024-02-13 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 一种云台机的生产质量管理方法及系统 |
| CN117557167B (zh) * | 2024-01-03 | 2024-03-19 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 一种云台机的生产质量管理方法及系统 |
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