基于特征匹配的飛行器航偏移誤差的自校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供了一種基于特征匹配的飛行器航路偏移誤差的自校正方法，屬于圖像 信息處理與導(dǎo)航領(lǐng)域的結(jié)合領(lǐng)域。根據(jù)特征配準(zhǔn)結(jié)果自適應(yīng)選擇航路偏移解算方法，從而 獲得飛行器的位置偏移。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器在飛行中要依賴慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem,INS)進(jìn)行 定位，但是由于慣性器件的累積誤差，慣導(dǎo)輸出的位置坐標(biāo)會隨著時間累積發(fā)散。為了糾正 慣導(dǎo)的累積誤差，一般采用組合導(dǎo)航的方式對INS的輸出進(jìn)行修正，提高慣導(dǎo)的輸出精度。 INS/衛(wèi)星定位系統(tǒng)是現(xiàn)在最為常用的組合導(dǎo)航的方式，如全球定位系統(tǒng)（GlobalPosition System,GPS)或者北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeidouNavigationSatelliteSystem,BDS)。
[0003] 但是在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星定位系統(tǒng)并不是實(shí)時可用的，會受到衛(wèi)星平臺可用性，以 及信號干擾等方面的影響。當(dāng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)失效時，需要借助其它方式對慣導(dǎo)輸出結(jié)果進(jìn) 行糾正。由于視覺導(dǎo)航自主性強(qiáng)，精度高，實(shí)時性好，所以INS/視覺導(dǎo)航成為了組合導(dǎo)航的 一個重要發(fā)展方向。
[0004] 丁文銳、康傳波的專利（申請公布號CN103822635A)基于視覺信息的無人機(jī)飛 行中空間位置實(shí)時計算方法，該專利利用單點(diǎn)地標(biāo)對飛行器的空間位置進(jìn)行實(shí)時計算，計 算時需要利用單點(diǎn)地標(biāo)的高度信息，將高度誤差引入到計算結(jié)果中。而本發(fā)明能夠充分利 用地標(biāo)區(qū)域的信息，利用SIFT匹配特征點(diǎn)進(jìn)行偏移解算，當(dāng)匹配對個數(shù)大于設(shè)定閾值N_ fine時，可以采用方法5-b或5-c進(jìn)行解算，方法5-b消除了高度誤差對解算精度的影響， 方法5-c消除了姿態(tài)角和高度信息對解算精度的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供了一種利用圖像傳感器，基于特征配準(zhǔn)的航路偏移解算方 法，當(dāng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)失效時，通過對已知地標(biāo)的圖像信息的采集，實(shí)現(xiàn)對飛行器慣性導(dǎo)航誤 差的實(shí)時修正。
[0006] 該系統(tǒng)分為離線處理和飛行器在線處理兩個部分。
[0007] 離線處理的作用是選定地標(biāo)區(qū)域并建立先驗(yàn)信息數(shù)據(jù)庫，包括以下幾個步驟：
[0008] 步驟（1)地標(biāo)區(qū)域選定并獲得該地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)影像信息。
[0009] 步驟（2)對該地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)影像進(jìn)行SIFT特征點(diǎn)提取。
[0010] 步驟（3)生成該地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，包括先驗(yàn)圖像信息，特征點(diǎn)信息，以及地 標(biāo)區(qū)域的地理位置信息。
[0011] 在線處理的作用是飛行器飛行時利用圖像傳感器對地標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圖像采集，與離 線建立的地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，檢測地標(biāo)區(qū)域，并根據(jù)地標(biāo)區(qū)域在采集圖像中 的像素坐標(biāo)，計算飛行器的位置信息。包括以下幾個步驟：
[0012] 步驟（1)將地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫存儲到飛行器的存儲器中。
[0013] 步驟（2)拍攝選定地標(biāo)區(qū)域的實(shí)時圖像，并進(jìn)行圖像預(yù)處理：
[0014] 由于受到環(huán)境、傳感器及平臺干擾等的影響，飛行器獲得的圖像數(shù)據(jù)會存在噪聲 及各種形式的干擾，為了保證后續(xù)操作的質(zhì)量和性能，所以首先要對獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處 理操作。
[0015] 步驟⑶提取采集圖像的SIFT特征點(diǎn)：
[0016] 利用SIFT算法軟件對預(yù)處理之后的采集圖像進(jìn)行SIFT特征點(diǎn)提取，地標(biāo)區(qū)域的 采集圖像作為SIFT算法的輸入，輸出得到得到穩(wěn)定的SIFT特征點(diǎn)參數(shù)集合。
[0017] 步驟（4)特征匹配：
[0018] 特征匹配即根據(jù)地標(biāo)區(qū)域在線數(shù)據(jù)中先驗(yàn)圖像的SIFT特征參數(shù)集合，以及圖像 傳感器采集影像的SIFT特征參數(shù)集合進(jìn)行配準(zhǔn)，特征匹配分為粗匹配和精匹配兩部分。
[0019] 步驟（4. 1)特征粗匹配：
[0020] 粗匹配是用唯一描述向量（地標(biāo)區(qū)域先驗(yàn)圖像和采集圖像的SIFT特征點(diǎn)的描述 向量間的歐氏距離）建立先驗(yàn)圖像和采集圖像之間的映射關(guān)系，利用向量間的歐氏距離來 進(jìn)行粗配準(zhǔn)。粗匹配的輸出結(jié)果包括先驗(yàn)圖像和采集圖像匹配成功的特征點(diǎn)對，也包括對 該匹配特征點(diǎn)對的評分score，score是該特征點(diǎn)對描述向量歐氏距離的平方。
[0021] 步驟（4. 2)統(tǒng)計粗匹配的結(jié)果：
[0022] 若粗配準(zhǔn)中成功匹配的特征點(diǎn)對為"0"，則輸出"解算失敗"，轉(zhuǎn)入步驟（2)，若該 步驟中成功匹配的特征點(diǎn)對數(shù)大于零，則統(tǒng)計成功匹配的對數(shù)N。
[0023] 步驟（4. 3)特征精匹配：
[0024]設(shè)定特征精匹配的閾值為N_fine(N_fine>3)，設(shè)定需要的解算精度為DIST(單位 為米）。
[0025] 特征精匹配是在粗匹配的基礎(chǔ)上，采用MLESAC(MaximumLikelihoodEstimation bySampleandConsensus，隨機(jī)抽樣最大似然估計）進(jìn)一步進(jìn)行篩選，去除匹配錯誤的特 征匹配對，將剩下的匹配對轉(zhuǎn)入步驟（5)進(jìn)行飛行器位置偏移的解算。
[0026] 當(dāng)粗配準(zhǔn)成功的特征點(diǎn)對的數(shù)目N彡N_fine時，輸出N對特征點(diǎn)對中score中最 小的特征點(diǎn)對，采用步驟（5-a)方法進(jìn)行解算。當(dāng)粗配準(zhǔn)成功的特征點(diǎn)對的數(shù)目N>N_fine 時，進(jìn)行精配準(zhǔn)篩選出錯誤的匹配對后輸出正確的特征點(diǎn)對，同時對設(shè)定的解算精度DIST 進(jìn)行判斷，若DISTS10m，轉(zhuǎn)入步驟（5-c)進(jìn)行解算，若DIST>10m，轉(zhuǎn)入步驟（5-b)進(jìn)行解 算。
[0027]步驟（5)航路偏移解算：
[0028] 航路偏移解算是根據(jù)地標(biāo)區(qū)域在采集圖像中的像素坐標(biāo)來計算飛行器的位置偏 移，該部分是本發(fā)明的重點(diǎn)所在。
[0029]本發(fā)明提供了三種進(jìn)行航路偏移解算的方法（a) (b) (C)，根據(jù)精匹配中的成功匹 配的特征點(diǎn)對的數(shù)目N和設(shè)定的解算精度DIST選擇對應(yīng)的方法進(jìn)行解算。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0031] (1)適應(yīng)性好。無需用到GPS或北斗的信息，直接利用已知地標(biāo)區(qū)域在采集圖像中 的坐標(biāo)，就能夠?qū)︼w行器的空間位置進(jìn)行定位。
[0032] (2)穩(wěn)定性好。本發(fā)明中計算飛行器的位置坐標(biāo)時，具體設(shè)計了三種策略，采用三 種方法相結(jié)合的方式，能夠充分利用地標(biāo)區(qū)域的信息，提高解算精度，同時，當(dāng)?shù)貥?biāo)點(diǎn)附近 的信息不完善時，也能通過方法（a)進(jìn)行解算，適應(yīng)性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的離線處理部分的流程圖。
[0034] 圖2是本發(fā)明的在線處理部分的流程圖。
[0035] 圖3是在線處理過程中粗匹配后的輸出結(jié)果。
[0036] 圖4是在線處理過程中精匹配后的輸出結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0038] 本發(fā)明的基于特征匹配的飛行器航路偏移誤差的自校正方法，其離線處理部分的 流程圖如圖1所示，包括以下幾個步驟：
[0039] 步驟⑴選定地標(biāo)區(qū)域并獲得地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)圖像：
[0040] 根據(jù)預(yù)先擬定的飛行器的飛行航線，進(jìn)行地標(biāo)區(qū)域的選取。選定的地標(biāo)區(qū)域應(yīng)該 具有豐富、明顯的圖像特征且不易混淆，如摩天大樓，立交橋，河流等具有明顯特征且難以 復(fù)制的特點(diǎn)。
[0041] 利用衛(wèi)星或無人機(jī)等方式對設(shè)定的地標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圖像采集，獲得該地標(biāo)區(qū)域的先 驗(yàn)圖像以及該地標(biāo)區(qū)域的地理坐標(biāo)信息。
[0042] 步驟⑵提取先驗(yàn)圖像的SIFT特征點(diǎn)：
[0043] 利用SIFT算法軟件對所述先驗(yàn)圖像進(jìn)行SIFT特征點(diǎn)提取，獲得其特征點(diǎn) 的描述向量Vf，組成先驗(yàn)圖像特征點(diǎn)描述向量的集合
1，2,…，凡-1，N。，N。為先驗(yàn)圖像的SIFT特征點(diǎn)數(shù)，
[0044] 步驟（3)生成地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫：將步驟（1) (2)獲得的圖像信息，地標(biāo)區(qū)域 的地理坐標(biāo)，SIFT特征點(diǎn)參數(shù)存入到先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，完成先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建立。
[0045] 本發(fā)明的基于特征匹配的飛行器航偏移誤差的自校正方法，其在線處理部分的流 程圖如圖2所示，包括以下幾個步驟：
[0046] 步驟（1)將地標(biāo)區(qū)域的先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫事先存儲到飛行器的存儲器中。
[0047] 步驟（2)實(shí)時拍攝選定地標(biāo)