一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，將室內(nèi)環(huán)境分為走廊、臺階與房間三種，通過分析視覺圖像的透視特征確定環(huán)境類型，進(jìn)而采用消失點、中心線或光流等方法進(jìn)行障礙物檢測，得到相應(yīng)導(dǎo)航與控制信息，實現(xiàn)微型無人機(jī)室內(nèi)自主避障與飛行。本發(fā)明無需構(gòu)建環(huán)境的三維模型，可大大降低算法運算時間，提高控制指令的實時性，并具有高自主性與高可靠性。該方法計算量較小，實時性強(qiáng)，對硬件的要求低，且定位精度較高。為微型無人機(jī)室內(nèi)導(dǎo)航的工程應(yīng)用提供一種可行的技術(shù)方案。
【專利說明】一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無人機(jī)導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微型無人機(jī)是指尺寸只有手掌大小的飛行器，可作為士兵攜帶的一種戰(zhàn)場偵察設(shè)備，其潛在作用包括空中監(jiān)視、生物戰(zhàn)劑探測、目標(biāo)識別、通信中繼等，并且在大型建筑物內(nèi)部探測方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。
[0003]高精度、高可靠的自主導(dǎo)航技術(shù)是保證微型無人機(jī)順利完成各種任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于增強(qiáng)微型無人機(jī)自主行為能力，提高作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義。目前，實現(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)航技術(shù)的基本思路是通過機(jī)載傳感器，實時感知無人機(jī)自身狀態(tài)及飛行空間環(huán)境信息，通過多源信息融合技術(shù)確定無人機(jī)運動狀態(tài)與相關(guān)導(dǎo)航參數(shù)，并實現(xiàn)對周圍環(huán)境的感知、避障、路徑規(guī)劃等功能。
[0004]視覺導(dǎo)航是隨著計算機(jī)硬件與圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展而興起的一門新的導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)涉及光學(xué)、模式識別、圖像處理和導(dǎo)航等多門學(xué)科。在視覺導(dǎo)航系統(tǒng)中，載體通過成像傳感器感知環(huán)境，然后由計算機(jī)對圖像進(jìn)行分析，獲取載體的位置和姿態(tài)等導(dǎo)航信息。視覺導(dǎo)航的自主性、靈活性和適應(yīng)性等特點使其迅速成為導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點。
[0005]針對微型無人機(jī)室內(nèi)飛行環(huán)境，其重點在于高精度定位與空間障礙感知與規(guī)避，相比慣性導(dǎo)航與GPS導(dǎo)航，視覺導(dǎo)航在障礙感知方面具有獨特的優(yōu)勢，因此研究基于視覺的室內(nèi)自主導(dǎo)航極其重要，一般方法是采用高分辨率攝像機(jī)拍攝周圍環(huán)境并進(jìn)行三維重構(gòu)，根據(jù)重構(gòu)結(jié)果確定合理的飛行路徑，然而這種方法所需計算量很大，實時性差，對硬件的要求高，且定位精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]要解決的技術(shù)問題
[0007]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，實現(xiàn)微型無人機(jī)室內(nèi)環(huán)境下自主導(dǎo)航。
[0008]技術(shù)方案
[0009]一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，其特征在于步驟如下:
[0010]步驟1:在微型無人機(jī)室內(nèi)飛行過程中,機(jī)載前視攝像機(jī)Cameral實時獲取圖像a,機(jī)載下視攝像機(jī)Camera2實時獲取圖像b ；
[0011]步驟2:分析圖像a與圖像b的透視特征，判斷微型無人機(jī)所處的環(huán)境類型，環(huán)境類型走廊、臺階或房間；過程如下:
[0012]A、使用Hough變換對圖像a進(jìn)行直線檢測得到圖像C，判斷圖像c中是否有消失點；所述消失點為具有透視特征的點；
[0013]B、若有消失點，判定室內(nèi)環(huán)境類型為走廊，若無消失點，則去除圖像c中的水平線和垂直線得到圖像d，再判斷圖像d中是否有消失點；
[0014]C、若有消失點，同樣判定室內(nèi)環(huán)境類型為走廊，若無消失點，則使用Hough變換對圖像b進(jìn)行直線檢測得到圖像e，判斷圖像e中是否有成簇的等間距平行線；
[0015]D、若有成簇的等間距平行線，判定室內(nèi)環(huán)境類型為臺階，若無成簇的等間距平行線，判定室內(nèi)環(huán)境類型為房間；
[0016]步驟3:針對不同環(huán)境類型，利用障礙檢測算法對飛行路徑障礙物進(jìn)行檢測，過程如下:
[0017]A、對于走廊環(huán)境，定義以消失點為中心的50X50圖像亮度均值為判斷基準(zhǔn)，若當(dāng)前幀圖像與前一幀圖像亮度均值差小于閾值Threshold〗=30，認(rèn)為無障礙，否則認(rèn)為有障礙；
[0018]B、對于臺階環(huán)境，定義圖像中最長線的長度為判斷基準(zhǔn)，若當(dāng)前幀圖像與前一幀圖像最長線的長度差小于閾值Threshold3 = 15，認(rèn)為無障礙，否則認(rèn)為有障礙；[0019]步驟4:當(dāng)檢測結(jié)果為無障礙時，則通過不同環(huán)境類型下的飛行控制方法實現(xiàn)微型無人機(jī)室內(nèi)自主飛行；
[0020]步驟5:若障礙物檢測結(jié)果為有障礙，則通過障礙規(guī)避方法實現(xiàn)微型無人機(jī)自主避障。
[0021]步驟4所述的不同環(huán)境類型下的飛行控制方法為:
[0022]情況1、對于走廊環(huán)境，定義消失點在圖像中的坐標(biāo)為(元歹)，若列、于圖像高度的
一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出上升指令，若P大于圖像高度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出下降指令，否則保持高度不變，若I小于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向左飛行指令，若i大于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向右飛行指令，否則保持方向不變；
[0023]情況2、對于臺階環(huán)境，定義相鄰兩條平行線之間的距離為dis，若當(dāng)前幀圖像的dis與前一幀圖像的dis差值大于閾值Threshold4 (該閾值需根據(jù)精度需求設(shè)定,原則為小于圖像高度的十分之一)，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出上升指令，若前一幀圖像的dis與當(dāng)前幀圖像的dis差值大于閾值ThresholcM，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出下降指令，否則保持高度不變，定義最長直線中*的橫坐標(biāo)為J，若?小于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向左飛行指令，若?大于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向右飛行指令，否則保持方向不變。
[0024]步驟5所述障礙規(guī)避方法是:
[0025]步驟1:使用Lucas-Kanade算法計算連續(xù)兩幀圖像的光流；
[0026]步驟2:利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法處理光流以及慣性導(dǎo)航提供的角速度，消除光流的旋轉(zhuǎn)分量，準(zhǔn)確估計出平移分量；
[0027]步驟3:利用光流的平移分量恢復(fù)微型無人機(jī)的平移運動信息與障礙物的距離信息；
[0028]步驟4:根據(jù)障礙物的距離信息，控制器對微型無人機(jī)發(fā)出相應(yīng)的避障指令。
[0029]有益效果
[0030]本發(fā)明提出的一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，根據(jù)圖像透視源于人類的視覺經(jīng)驗:大小相同的物體，近的看起來比遠(yuǎn)的大，如沿著鐵路線看兩條鐵軌會交匯于一點，稱為消失點。在室內(nèi)環(huán)境如走廊中，一般存在消失點，根據(jù)消失點的特性可以指導(dǎo)微型無人機(jī)感知周圍環(huán)境進(jìn)而實現(xiàn)自主飛行。
[0031]本發(fā)明參考視覺導(dǎo)航的原理，將室內(nèi)環(huán)境分為走廊、臺階與房間三種，通過分析視覺圖像的透視特征確定環(huán)境類型，進(jìn)而采用消失點、中心線或光流等方法進(jìn)行障礙物檢測，得到相應(yīng)導(dǎo)航與控制信息，實現(xiàn)微型無人機(jī)室內(nèi)自主避障與飛行。本發(fā)明無需構(gòu)建環(huán)境的三維模型，可大大降低算法運算時間，提高控制指令的實時性，并具有高自主性與高可靠性。該方法計算量較小，實時性強(qiáng)，對硬件的要求低，且定位精度較高。為微型無人機(jī)室內(nèi)導(dǎo)航的工程應(yīng)用提供一種可行的技術(shù)方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明的框架結(jié)構(gòu)圖。
[0033]圖2是室內(nèi)環(huán)境分類器工作流程。
[0034]圖3是臺階環(huán)境下航向角校正。
【具體實施方式】
[0035]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0036]本發(fā)明實施例中 基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法包括以下步驟:
[0037]第一步，在微型無人機(jī)室內(nèi)飛行過程中，機(jī)載前視攝像機(jī)Cameral實時獲取圖像a,機(jī)載下視攝像機(jī)Camera2實時獲取圖像b。
[0038]第二步，設(shè)計室內(nèi)環(huán)境分類器，通過分析圖像a與圖像b的透視特征，判斷微型無人機(jī)所處的環(huán)境類型。
[0039]具體流程如圖2所示，首先使用Canny邊緣檢測算子處理圖像a,進(jìn)而利用Hough變換提取直線，去除檢測到的水平線與垂直線，通過滑窗法確定圖像中斜線交點密度最大的區(qū)域Z，并認(rèn)為該區(qū)域為消失點。
[0040]定義滑窗中點的密度為:
[0041 ]
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:在微型無人機(jī)室內(nèi)飛行過程中，機(jī)載前視攝像機(jī)Cameral實時獲取圖像a，機(jī)載下視攝像機(jī)Camera2實時獲取圖像b ； 步驟2:分析圖像a與圖像b的透視特征，判斷微型無人機(jī)所處的環(huán)境類型，環(huán)境類型走廊、臺階或房間；過程如下: A、使用Hough變換對圖像a進(jìn)行直線檢測得到圖像C，判斷圖像c中是否有消失點；所述消失點為具有透視特征的點； B、若有消失點，判定室內(nèi)環(huán)境類型為走廊，若無消失點，則去除圖像c中的水平線和垂直線得到圖像d，再判斷圖像d中是否有消失點； C、若有消失點，同樣判定室內(nèi)環(huán)境類型為走廊，若無消失點，則使用Hough變換對圖像b進(jìn)行直線檢測得到圖像e，判斷圖像e中是否有成簇的等間距平行線； D、若有成簇的等間距平行線，判定室內(nèi)環(huán)境類型為臺階，若無成簇的等間距平行線，判定室內(nèi)環(huán)境類型為房間； 步驟3:針對不同環(huán)境類型，利用障礙檢測算法對飛行路徑障礙物進(jìn)行檢測，過程如下: A、對于走廊環(huán)境，定義以消失點為中心的50X50圖像亮度均值為判斷基準(zhǔn)，若當(dāng)前幀圖像與前一幀圖像亮度均值差小于閾值Threshold〗=30，認(rèn)為無障礙，否則認(rèn)為有障礙； B、對于臺階環(huán)境，定義圖像中最長線的長度為判斷基準(zhǔn)，若當(dāng)前幀圖像與前一幀圖像最長線的長度差小于閾值Threshold3 = 15，認(rèn)為無障礙，否則認(rèn)為有障礙； 步驟4:當(dāng)檢測結(jié)果為無障礙時，則通過不同環(huán)境類型下的飛行控制方法實現(xiàn)微型無人機(jī)室內(nèi)自主飛行； 步驟5:若障礙物檢測結(jié)果為有障礙，則通過障礙規(guī)避方法實現(xiàn)微型無人機(jī)自主避障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，其特征在于: 步驟4所述的不同環(huán)境類型下的飛行控制方法為: 情況1、對于走廊環(huán)境，定義消失點在圖像中的坐標(biāo)為(.〒汗)，若^小于圖像高度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出上升指令，若7大于圖像高度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出下降指令，否則保持高度不變，若I小于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向左飛行指令，若f大于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向右飛行指令，否則保持方向不變； 情況2、對于臺階環(huán)境，定義相鄰兩條平行線之間的距離為dis，若當(dāng)前幀圖像的dis與前一幀圖像的dis差值大于閾值ThresholcM (該閾值需根據(jù)精度需求設(shè)定，原則為小于圖像高度的十分之一)，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出上升指令，若前一幀圖像的dis與當(dāng)前幀圖像的dis差值大于閾值ThresholcM，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出下降指令，否則保持高度不變，定義最長直線中點的橫坐標(biāo)為無，若?小于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向左飛行指令，若J大于圖像寬度的一半，則控制器對微型無人機(jī)發(fā)出向右飛行指令，否則保持方向不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于圖像透視的微型無人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航方法，其特征在于: 步驟5所述障礙規(guī)避方法是:步驟1:使用Lucas-Kanade算法計算連續(xù)兩幀圖像的光流； 步驟2:利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法處理光流以及慣性導(dǎo)航提供的角速度，消除光流的旋轉(zhuǎn)分量，準(zhǔn)確估計出平移分量； 步驟3:利用光流的平移分量恢復(fù)微型無人機(jī)的平移運動信息與障礙物的距離信息； 步驟4:根據(jù)障礙物的 距離信息，控制器對微型無人機(jī)發(fā)出相應(yīng)的避障指令。
【文檔編號】G05D1/10GK103925920SQ201410143275
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】趙春暉, 王榮志, 張?zhí)煳? 潘泉, 馬鑫 申請人:西北工業(yè)大學(xué)