本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位及視頻圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)、定位方法及無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法。

背景技術(shù)：

無(wú)人機(jī)(unmannedaerialvehicle，uav)，作為一種新興現(xiàn)代軍事裝備，以其得天獨(dú)厚的“無(wú)人”優(yōu)勢(shì)，完全符合“不見(jiàn)面”和“零傷亡”的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)理念。無(wú)人機(jī)通過(guò)攜帶不同的設(shè)備，可以執(zhí)行偵察監(jiān)視、激光制導(dǎo)、電子干擾、通信中繼、目標(biāo)定位、戰(zhàn)斗評(píng)估、精確打擊等任務(wù)。無(wú)人機(jī)在民用上也大有可為，它可應(yīng)用于場(chǎng)區(qū)監(jiān)控、氣象探測(cè)、公路巡視、勘探測(cè)繪、水災(zāi)監(jiān)視、航空攝影、交通管理、電力線路查詢、森林火災(zāi)防救等。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)在局部戰(zhàn)場(chǎng)上不斷地曝光，以及無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)的軍事應(yīng)用價(jià)值，尤其是在低空偵察上的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了世界各國(guó)的高度重視，在作戰(zhàn)武器中的地位正在不斷上升。無(wú)人偵察機(jī)作為信息化戰(zhàn)場(chǎng)一種極具發(fā)展前景的新型裝備，已經(jīng)成為重要的信息作戰(zhàn)前端和靈活的空中打擊力量。

可見(jiàn)光傳感器作為當(dāng)今幾乎所有無(wú)人機(jī)必備的傳感器之一，能夠?qū)崟r(shí)采集和處理戰(zhàn)場(chǎng)視頻信息，為飛行操控、戰(zhàn)場(chǎng)指揮、偵察打擊、場(chǎng)區(qū)監(jiān)控提供最基本和最重要的信息。無(wú)人機(jī)輸出視頻的目標(biāo)定位的主要目標(biāo)是把視頻圖像中的目標(biāo)的像素位置與真實(shí)場(chǎng)景中的物體坐標(biāo)，例如gps坐標(biāo)，一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，主要方法是根據(jù)導(dǎo)航信息和設(shè)備參數(shù)計(jì)算出空間坐標(biāo)系、無(wú)人機(jī)載體坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，換算得出目標(biāo)在地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

當(dāng)前，基于無(wú)人機(jī)視頻圖像的定位技術(shù)主要是討論如何進(jìn)行參考圖與實(shí)時(shí)圖之間的圖像匹配，主要研究?jī)?nèi)容是提高匹配的精度和速度。基礎(chǔ)的圖像匹配算法已經(jīng)很成熟，現(xiàn)階段的研究關(guān)鍵是如何匹配不同源的圖像以及如何提高匹配的可靠性?；趫D像匹配，利用一副圖像上的多個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)解算的圖像導(dǎo)航算法已經(jīng)被驗(yàn)證了其有效性。但如果無(wú)人機(jī)視場(chǎng)有效或一致的地標(biāo)點(diǎn)數(shù)目有限，無(wú)法保證圖像上同名點(diǎn)數(shù)目時(shí)，算法將失效。此外該算法對(duì)多個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行圖像匹配，匹配算法復(fù)雜且工作量大，影響實(shí)時(shí)性。基于圖像匹配的定位技術(shù)由于需要目標(biāo)區(qū)域范圍的歷史圖像，適用于小范圍的定位及巡航導(dǎo)彈的末端制導(dǎo)等應(yīng)用場(chǎng)景。

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)傳回的視頻進(jìn)行目標(biāo)定位，可以更為精確的掌握傳感器的拍攝區(qū)域、目標(biāo)位置及狀態(tài)；另一方面也可以根據(jù)指定的位置信息來(lái)反向解算傳感器的運(yùn)動(dòng)信息，控制傳感器對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)控。因此，基于無(wú)人機(jī)視頻的目標(biāo)定位技術(shù)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控、態(tài)勢(shì)分析、損毀評(píng)估等應(yīng)用方向具有重要的研究?jī)r(jià)值。

現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)，如大疆等，在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，通常只能在地圖上顯示無(wú)人機(jī)自身的位置坐標(biāo)及云臺(tái)的大致方位，并不能獲取和顯示視頻中所拍攝目標(biāo)的位置；另一方面，在需要對(duì)指定區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行偵察時(shí)，現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)需要人工調(diào)整云臺(tái)，且只能依靠實(shí)時(shí)回傳的視頻來(lái)人工判斷云臺(tái)控制方向，操作極為不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)及定位方法，通過(guò)結(jié)合目標(biāo)區(qū)域位置及無(wú)人機(jī)的位置及飛行參數(shù)，實(shí)時(shí)解算云臺(tái)方位及俯仰角參數(shù)，對(duì)視頻中的目標(biāo)進(jìn)行定位；以及一種基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法，便于控制云臺(tái)方向。

技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)視頻中框選目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位，本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)，

該系統(tǒng)包括元數(shù)據(jù)處理模塊、高程數(shù)據(jù)管理模塊、視頻定位模塊；所述元數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)及載荷數(shù)據(jù)，并從中提取元數(shù)據(jù)信息，所述元數(shù)據(jù)信息包括：無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、方位角、側(cè)滾角、云臺(tái)的俯仰角和方位角，以及視頻的分辨率、傳感器的水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角；所述高程數(shù)據(jù)管理模塊根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的dem高程數(shù)據(jù)，將dem高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系；所述視頻定位模塊對(duì)接收到的視頻幀，根據(jù)其時(shí)間戳查詢?cè)撘曨l幀前后的元數(shù)據(jù)，并進(jìn)行插值獲得當(dāng)前視頻幀所對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)信息；再利用元數(shù)據(jù)信息計(jì)算視場(chǎng)中心角度，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在地心坐標(biāo)系下計(jì)算視軸線與高程數(shù)據(jù)的交點(diǎn)得到視場(chǎng)中心的經(jīng)度、緯度及高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻幀中框選目標(biāo)的定位。

進(jìn)一步地，為了能夠通過(guò)gis框選目標(biāo)，對(duì)云臺(tái)進(jìn)行輔助控制使框選目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心區(qū)域，該系統(tǒng)還包括云臺(tái)輔助控制模塊；所述云臺(tái)輔助控制模塊獲取gis框選目標(biāo)的經(jīng)緯度，結(jié)合dem高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)高程，并根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)元數(shù)據(jù)信息獲取云臺(tái)方位角與俯仰角偏差進(jìn)而控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

相應(yīng)地，本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位方法，該方法包括以下步驟：

(1)實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)及載荷數(shù)據(jù)，并從中提取元數(shù)據(jù)信息，所述元數(shù)據(jù)信息包括：無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、方位角、側(cè)滾角、云臺(tái)的俯仰角和方位角，以及視頻的分辨率、傳感器的水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角；

(2)根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的dem高程數(shù)據(jù)，將dem高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系；

(3)對(duì)接收到的視頻幀，接收的元數(shù)據(jù)計(jì)算視場(chǎng)中心角度，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在地心坐標(biāo)系下計(jì)算視軸線與高程數(shù)據(jù)的交點(diǎn)，從而得到框選目標(biāo)的經(jīng)度、緯度及高度。

步驟(3)中獲取視頻框選目標(biāo)的經(jīng)緯度及高度，包括以下步驟：

(31)根據(jù)視頻分辨率和傳感器水平視場(chǎng)角ψh計(jì)算ccd面板到鏡頭的距離l；

(32)以ccd的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)，以連接該頂點(diǎn)的兩條垂直邊所在直線分別為x軸和y軸，以垂直于該ccd面板的直線為z軸，構(gòu)建三維坐標(biāo)系，得到鏡頭中心的坐標(biāo)ωc、ccd中心的坐標(biāo)dc、視頻框選目標(biāo)的坐標(biāo)pc；

(33)計(jì)算視軸線到目標(biāo)視線的旋轉(zhuǎn)矩陣

(34)將無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度及高度轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系坐標(biāo)，在地心坐標(biāo)系中，將無(wú)人機(jī)從初始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高的旋轉(zhuǎn)矩陣記為rα，記旋轉(zhuǎn)矩陣記為過(guò)無(wú)人機(jī)所在點(diǎn)且與水平面垂直的一條直線，為穿越南北極的一條直線；

(35)根據(jù)無(wú)人機(jī)的方位角βy、俯仰角βp及側(cè)滾角βr，計(jì)算機(jī)身軸線與無(wú)人機(jī)所在經(jīng)線之間的旋轉(zhuǎn)矩陣rβ；

(36)根據(jù)云臺(tái)方位角λy和俯仰角λp，計(jì)算傳感器視軸線與機(jī)身軸線之間的旋rλ；

(37)將無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的高程數(shù)據(jù)其轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，記高程曲面為s；

(38)設(shè)為地心坐標(biāo)系中與水平面垂直的一條直線，計(jì)算根據(jù)無(wú)人機(jī)及云臺(tái)參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線

(39)計(jì)算直線與高程曲面s的交點(diǎn)，利用kalman濾波進(jìn)行去噪，并轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯高作為視頻框選目標(biāo)的坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，為了能夠通過(guò)gis框選目標(biāo)，對(duì)云臺(tái)進(jìn)行輔助控制使框選目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心區(qū)域，本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法，包括以下步驟：

(1)實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)及載荷數(shù)據(jù)，并從中提取元數(shù)據(jù)信息，所述元數(shù)據(jù)信息包括：無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、方位角、側(cè)滾角、云臺(tái)的俯仰角和方位角，以及視頻的分辨率、傳感器的水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角；

(2)根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的dem高程數(shù)據(jù)，將dem高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系；

(3)根據(jù)gis框選目標(biāo)的經(jīng)緯度結(jié)合高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)高程，再根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解算，獲取云臺(tái)方位角與俯仰角偏差，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心。

其中，步驟(3)中獲取云臺(tái)方位角與俯仰角偏差，包括以下步驟：

(31)根據(jù)gis框選目標(biāo)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)的高度，并將經(jīng)緯度及高度轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

(32)將無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度及高度轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系坐標(biāo)，在地心坐標(biāo)系中，將無(wú)人機(jī)從初始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高的旋轉(zhuǎn)矩陣記為rα，記旋轉(zhuǎn)矩陣記為過(guò)無(wú)人機(jī)所在點(diǎn)且與水平面垂直的一條直線，為穿越南北極的一條直線；

(33)根據(jù)無(wú)人機(jī)的方位角βy、俯仰角βp及側(cè)滾角βr，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣rβ；

(34)設(shè)為地心坐標(biāo)系中與水平面垂直的一條直線，計(jì)算根據(jù)無(wú)人機(jī)參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線

(35)計(jì)算gis框選目標(biāo)與無(wú)人機(jī)所在點(diǎn)構(gòu)成的直線與直線的方位角偏差κy和俯仰角偏差κp；

(36)根據(jù)方位角偏差κy和俯仰角偏差κp旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心。

有益效果：本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)利用了無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)、云臺(tái)及相機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)等信息，結(jié)合高程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻圖像中任意目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位，有利于無(wú)人機(jī)操作人員、圖像情報(bào)處理人員等實(shí)時(shí)掌握無(wú)人機(jī)拍攝目標(biāo)的位置坐標(biāo)，同時(shí)也可為目標(biāo)引導(dǎo)提供坐標(biāo)；進(jìn)一步地，本發(fā)明基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置云臺(tái)輔助控制模塊支持在gis上點(diǎn)選目標(biāo)，并輔助控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向目標(biāo)區(qū)域，使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心，有效簡(jiǎn)化了無(wú)人機(jī)云臺(tái)的控制策略，使無(wú)人機(jī)操作人員只需要專注于操作無(wú)人機(jī)，由本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法替代操作人員自動(dòng)控制云臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，提高了偵察地面目標(biāo)的工作效率。本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位方法速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高，能夠?qū)骰氐囊曨l及視頻中的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，定位速度快，且不受天氣、光照、歷史圖像等因素的影響。本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法能夠?qū)崟r(shí)顯示視頻中目標(biāo)在衛(wèi)星地圖上的位置，且允許用戶直接在衛(wèi)星地圖上框選待偵察目標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向指定角度，使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻中，形成了一套視頻與衛(wèi)星地圖的互動(dòng)操作閉環(huán)，極大簡(jiǎn)化了無(wú)人機(jī)的操作。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)的模塊示意圖；

圖2是本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法的流程圖；

圖4無(wú)人機(jī)方位角示意圖；

圖5是無(wú)人機(jī)俯仰角示意圖；

圖6是無(wú)人機(jī)側(cè)滾角示意圖；

圖7是云臺(tái)相對(duì)方位角示意圖；

圖8是云臺(tái)相對(duì)俯仰角示意圖；

圖9是傳感器水平視場(chǎng)角示意圖；

圖10是傳感器垂直視場(chǎng)角示意圖；

圖11是傳感器視軸直線與高程數(shù)據(jù)相交示意圖；

圖12是無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻及目標(biāo)框選位置截圖；

圖13是視頻框選位置定位效果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明中基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)，包括元數(shù)據(jù)處理模塊、高程數(shù)據(jù)管理模塊、視頻定位模塊以及云臺(tái)輔助控制模塊；元數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)及載荷數(shù)據(jù)，并從中提取無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、方位角、側(cè)滾角及云臺(tái)的俯仰角、方位角、傳感器的水平視場(chǎng)角、垂直視場(chǎng)角、視頻分辨率等元數(shù)據(jù)信息；高程數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)大區(qū)域的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊存儲(chǔ)及訪問(wèn)，將分塊的dem數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高程數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)；視頻定位模塊則根據(jù)接收的元數(shù)據(jù)計(jì)算視場(chǎng)中心角度，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在地心坐標(biāo)系下計(jì)算其與高程數(shù)據(jù)的交點(diǎn)，從而得到視場(chǎng)中心的經(jīng)度、緯度及高度，并利用kalman濾波修正隨機(jī)誤差；云臺(tái)輔助控制模塊通過(guò)根據(jù)gis框選目標(biāo)的經(jīng)緯度，結(jié)合高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)高程，再根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解算，獲取云臺(tái)方位角與俯仰角偏差，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖2所示，利用上述基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)定位，包括以下步驟：

(1)元數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)及載荷數(shù)據(jù)，并從中提取無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、方位角、側(cè)滾角及云臺(tái)的俯仰角、方位角、傳感器的水平視場(chǎng)角、垂直視場(chǎng)角、視頻分辨率等元數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明中采用redis(一種基于內(nèi)存的高效鍵值對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù))緩存接收到的元數(shù)據(jù)信息，緩存失效時(shí)間設(shè)置為20秒。

(2)高程數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)大區(qū)域的高程數(shù)據(jù)的分塊存儲(chǔ)及訪問(wèn)，將分塊的dem數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高程數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)。

(3)對(duì)于接收到的視頻幀，視頻定位模塊根據(jù)其時(shí)間戳查詢?cè)撘曨l幀前后的元數(shù)據(jù)，并進(jìn)行插值獲得當(dāng)前幀所對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)信息，利用元數(shù)據(jù)信息計(jì)算視頻中心及四角的絕對(duì)俯仰角和絕對(duì)方位角，然后利用緩存的高程數(shù)據(jù)求解傳感器視軸直線與高程數(shù)據(jù)交叉點(diǎn)(如圖11所示)的經(jīng)緯度信息和高度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻幀及拍攝區(qū)域的定位。

如圖3所示，利用上述基于元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻圖像目標(biāo)定位系統(tǒng)進(jìn)行云臺(tái)控制，包括以下步驟：

(1)元數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)及載荷數(shù)據(jù)，并從中提取無(wú)人機(jī)的經(jīng)緯度、高度、俯仰角、方位角、側(cè)滾角及云臺(tái)的俯仰角、方位角、傳感器的水平視場(chǎng)角、垂直視場(chǎng)角、視頻分辨率等元數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明中采用redis(一種基于內(nèi)存的高效鍵值對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù))緩存接收到的元數(shù)據(jù)信息，緩存失效時(shí)間設(shè)置為20秒。

(2)高程數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)大區(qū)域的高程數(shù)據(jù)的分塊存儲(chǔ)及訪問(wèn)，將分塊的dem數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高程數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)。

(4)云臺(tái)輔助控制模塊根據(jù)gis框選目標(biāo)的經(jīng)緯度結(jié)合高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)高程，再根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解算，獲取云臺(tái)方位角與俯仰角偏差，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述步驟(1)中，所獲取的元數(shù)據(jù)信息列表如表1所示，本發(fā)明中基于無(wú)人機(jī)視頻的目標(biāo)定位技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)傳回的視頻信息，結(jié)合元數(shù)據(jù)信息(包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、云臺(tái)、可見(jiàn)光傳感器等設(shè)備的工作狀態(tài)等)以及高程數(shù)據(jù)，對(duì)視頻的中心、四角及目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)進(jìn)行解算。

表1元數(shù)據(jù)信息列表

上述步驟(2)中，本發(fā)明所使用的dem高程數(shù)據(jù)，包含北緯60度至南緯56度之間，面積超過(guò)1.19億平方公里的區(qū)域，覆蓋全球陸地表面的80％以上。原始數(shù)據(jù)超過(guò)90g，為了能夠根據(jù)在解算過(guò)程中快速實(shí)時(shí)獲取指定經(jīng)緯度的高程信息，本發(fā)明中采用高程數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載機(jī)制，即通過(guò)對(duì)dem數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，加載無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的dem分片，并根據(jù)飛行方向和飛行速度進(jìn)行估算，動(dòng)態(tài)預(yù)加載下一分片的dem數(shù)據(jù)，最多同時(shí)加載4個(gè)分片的dem數(shù)據(jù)，并卸載歷史分片數(shù)據(jù)，從而利用有限的內(nèi)存空間來(lái)保證在指定經(jīng)緯度的高程信息在限定飛行速度下的100％命中率。

上述步驟(3)中根據(jù)元數(shù)據(jù)信息計(jì)算視頻中的任意像素的絕對(duì)俯仰角和方位角，利用緩存的高程數(shù)據(jù)求解視軸線與交叉點(diǎn)的經(jīng)緯度信息和高度信息，最終求得指定像素的經(jīng)緯度信息，具體步驟如下：

步驟1-1，根據(jù)視頻分辨率w×h、視頻框選目標(biāo)中心坐標(biāo)(x,y)，結(jié)合傳感器水平視場(chǎng)角ψh和垂直視場(chǎng)角ψv，計(jì)算ccd面板到鏡頭的距離

步驟1-2，定義鏡頭中心三維坐標(biāo)為ωc＝(w/2,h/2,l)，ccd左上角坐標(biāo)為dtl＝(0,0,0)，ccd右下角坐標(biāo)為dbr＝(w,h,0)，ccd中心坐標(biāo)為dc＝(w/2,h/2,0)，視頻框選目標(biāo)的三維坐標(biāo)為pc＝(x,y,0)；

步驟1-3，計(jì)算視軸線到目標(biāo)視線的旋轉(zhuǎn)矩陣

步驟1-4，根據(jù)無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度及高度(αlon,αlat,αalt)，轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系坐標(biāo)α1＝(αx,αy,αz)，另根據(jù)(αlon,αlat,αalt-100)計(jì)算其在地心坐標(biāo)系中坐標(biāo)α0，，從而獲取地心坐標(biāo)系中，將無(wú)人機(jī)從初始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高的旋轉(zhuǎn)矩陣rα＝r(＜(0,0,0),(0,0,1)＞,＜α0,α1＞)，同時(shí)根據(jù)經(jīng)度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使無(wú)人機(jī)在地心坐標(biāo)系中與水平面平行，其旋轉(zhuǎn)矩陣記為rlon；

步驟1-5，根據(jù)無(wú)人機(jī)的方位角、俯仰角及側(cè)滾角云臺(tái)參數(shù)(βy,βp,βr)，計(jì)算機(jī)身軸線與無(wú)人機(jī)所在經(jīng)線之間的旋轉(zhuǎn)矩陣rβ；

步驟1-6，根據(jù)云臺(tái)參數(shù)，包括方位角λy和俯仰角λp，計(jì)算傳感器視軸線與機(jī)身軸線之間的旋rλ；

步驟1-7，獲取無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，記高程曲面為s；

步驟1-8，定義地心坐標(biāo)系中的直線計(jì)算根據(jù)無(wú)人機(jī)及云臺(tái)參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線

步驟1-9，計(jì)算直線與高程曲面s的交點(diǎn)ps＝(px,py,pz)，轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯高pα＝(plon,plat,palt)，即為視頻框選目標(biāo)的坐標(biāo)。

上述步驟(4)中，根據(jù)gis框選目標(biāo)的經(jīng)緯度結(jié)合高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)高程，再根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解算，獲取云臺(tái)期望方位角和俯仰角與當(dāng)前云臺(tái)位置的偏差，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體步驟如下：

步驟2-1，在gis上點(diǎn)選目標(biāo)，獲取經(jīng)緯度(plon,plat)；

步驟2-2，根據(jù)經(jīng)緯度，利用高程數(shù)據(jù)，獲取目標(biāo)對(duì)應(yīng)高度palt，將gis框選目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯高轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)p＝(px,py,pz)；

步驟2-3，根據(jù)無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度及高度(αlon,αlat,αalt)，轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系坐標(biāo)α1＝(αx,αy,αz)，另根據(jù)(αlon,αlat,αalt-100)計(jì)算其在地心坐標(biāo)系中坐標(biāo)α0，從而獲取地心坐標(biāo)系中，將無(wú)人機(jī)從初始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高的旋轉(zhuǎn)矩陣rα＝r(＜(0,0,0),(0,0,1)＞,＜α0,α1＞)，其中＜(0,0,0),(0,0,1)＞表示穿越南北極的一條直線，＜β0,βz＞表示過(guò)無(wú)人機(jī)所在點(diǎn)且與水平面垂直的一條直線，同時(shí)根據(jù)經(jīng)度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使無(wú)人機(jī)在地心坐標(biāo)系中與水平面平行，其旋轉(zhuǎn)矩陣記為rlon；

步驟2-4，根據(jù)無(wú)人機(jī)的方位角、俯仰角及側(cè)滾角云臺(tái)參數(shù)(βy,βp,βr)，計(jì)算機(jī)身軸線與無(wú)人機(jī)所在經(jīng)線之間的旋轉(zhuǎn)矩陣rβ；

步驟2-5，定義地心坐標(biāo)系中的一條過(guò)南北極的直線計(jì)算根據(jù)無(wú)人機(jī)參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線

步驟2-6，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與無(wú)人機(jī)所在點(diǎn)構(gòu)成的直線＜p,β1＞與直線的方位角偏差κy和俯仰角偏差κp；

步驟2-7，根據(jù)方位角偏差κy和俯仰角偏差κp旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心。

文中，<a,b>都表示a、b兩點(diǎn)確定的直線。

本發(fā)明中定位方法能夠在無(wú)激光測(cè)距的情況下對(duì)視頻中的任意像素表征的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，單像素定位耗時(shí)小于50ms。為驗(yàn)證該方法的有效性，本發(fā)明方法利用無(wú)人機(jī)的歷史元數(shù)據(jù)信息及視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，并結(jié)合衛(wèi)星地圖進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的定位誤差最小可達(dá)9米，最大300米左右。定位效果圖如圖12、圖13所示，其中圖12為無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻及目標(biāo)框選位置截圖，圖中框選道路交叉口，圖13為對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星影像地圖，圖中白色正方形框選區(qū)域?yàn)楸痉椒ǖ亩ㄎ唤Y(jié)果。

在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，本發(fā)明方法能夠?qū)崟r(shí)顯示視頻中目標(biāo)在衛(wèi)星地圖上的位置，而現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)，如大疆等，通常只能在地圖上顯示無(wú)人機(jī)自身的位置坐標(biāo)及云臺(tái)的大致方位，并不能獲取和顯示視頻中所拍攝目標(biāo)的位置；另一方面，在需要對(duì)指定區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行偵察時(shí)，現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)需要人工調(diào)整云臺(tái)，且只能依靠實(shí)時(shí)回傳的視頻來(lái)人工判斷云臺(tái)控制方向，操作極為不便，而本發(fā)明所述方法允許用戶直接在衛(wèi)星地圖上框選待偵察目標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向指定角度，使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻中，極大簡(jiǎn)化了無(wú)人機(jī)云臺(tái)的操作。本發(fā)明所述方法將實(shí)時(shí)視頻與衛(wèi)星影像地圖進(jìn)行了有效的融合，為無(wú)人機(jī)操作人員提供了便利的輔助操作手段，形成了一套視頻與衛(wèi)星地圖的互動(dòng)操作閉環(huán)。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。