一种基于近红外信标的相对位姿测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于近红外信标的相对位姿测量系统与方法。该系统包括：图像采集装置获取清洁装置的图像序列；检测装置接收图像序列的多个图像帧并检测每一帧的近红外信标特征点；匹配装置将所检测的近红外信标特征点与根据上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行匹配；输出装置根据匹配结果对当前相对位姿进行优化。相比于现有技术，本发明专利技术基于特定结构的近红外信标，以图像序列作为输入，通过提取每一帧图像中的近红外信标特征点并且与上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行特征点匹配，如此一来，藉由近红外信标特征点的预测机制，可提升计算速度，最终实现对清洁装置的高精度识别、实时跟踪与维护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于近红外信标的相对位姿测量系统及方法
本专利技术涉及一种空中无人系统及相对位姿的测量技术，尤其涉及一种基于近红外信标的相对位姿测量系统及方法。
技术介绍
在现有技术中，无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)自问世以来就受到人们广泛地关注，随着科学技术的进步，无人机已经应用到了诸如地形探测、灾难检测、空中侦察等多个方面。此外，现有的城市高楼林立，楼层可高达近百米，其中的外墙壁面材质主要是玻璃、瓷砖等。对于壁面的清洁，目前这些工作大部分仍由清洁工作人员通过吊线、吊绳等方式开展工作，不仅比较危险而且清洁效率低。再者，这些高空作业无法充分保证人身安全且极有可能对壁面有较大的威胁性。现有的移动式清洁机器人，如悬吊式清洁机器人和爬壁机器人等，在吸附方式、移动方式等方面存在着速度慢、结构复杂、适应能力较差等问题。与此同时，无人机系统也需要适应非结构化环境，如光照变化、强光反射等动态场景。因此，有必要开发一种无人机的相对位姿测量方法，结合清洁系统等系统组件，实现自动化清洁。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本专利技术提供了一种基于近红外信标的相对位姿测量系统及方法，可以实时地计算得到出无人机与清洁装置之间的六自由度相对位姿。依据本专利技术的一个方面，提供了一种基于近红外信标的相对位姿测量系统，用来测量无人机与清洁装置之间的相对位姿，该相对位姿测量系统包括：图像采集装置，用于获取所述清洁装置的图像序列，其中，所述图像采集装置为近红外相机，所述清洁装置包括多个近红外信标，所述图像序列包括多个图像帧；检测装置，与图像采集装置相连，用于接收所述图像序列的多个图像帧，并检测每一帧图像中的近红外信标特征点；匹配装置，用于将所述检测装置的近红外信标特征点与根据上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行匹配；以及输出装置，与所述匹配装置相连，所述输出装置根据所述匹配装置输出的匹配结果对所述无人机与所述清洁装置之间的当前相对位姿进行优化，并输出相对位姿的各个参数。在其中的一实施例，所述近红外信标采用不同波段的LED发光二极管。在其中的一实施例，所述近红外相机的波段范围介于800nm～1300nm。在其中的一实施例，所述近红外信标的数量为4～6，分布式安装于所述清洁装置的本体。在其中的一实施例，所述无人机根据所述相对位姿测量系统测量得到的相对位姿，将所述清洁装置送至墙壁、光热板或光伏板表面，并由所述清洁装置的清洁机器人进行自主清洁。依据本专利技术的另一个方面，提供一种基于近红外信标的相对位姿测量方法，用来测量无人机与清洁装置之间的相对位姿，该相对位姿测量方法包括以下步骤：提供一无人机，所述无人机包括图像采集装置，该图像采集装置为近红外相机；提供一清洁装置，所述清洁装置包括清洁机器人以及多个近红外信标，其中所述近红外信标固定安装于所述清洁机器人；获取所述清洁装置的图像序列，该图像序列包括多个图像帧；检测所述多个图像帧的每一帧图像中的近红外信标特征点；采用重映射方式对所检测的所述近红外信标特征点以及上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行匹配；以及根据匹配结果，使用指数映射方式对所述无人机与所述清洁装置之间的当前相对位姿进行参数化，求解高斯-牛顿最小化函数。在其中的一实施例，使用自适应阈值检测所述近红外信标，并且满足如下关系式：其中，上述阈值threshold与所述近红外相机的快门速度相关，I(u,v)代表所述每一帧图像的二维平台，u,v代表二维平台的坐标值。在其中的一实施例，阈值threshold介于60～170之间。在其中的一实施例，使用高斯光滑和组相邻像素算法来提取所述近红外信标特征点，且所述近红外信标的中心点以及中心点坐标分别满足如下关系式：在其中的一实施例，使用张正友标定算法对所述近红外相机进行标定，且所述近红外信标的数量为4～6个。采用本专利技术的相对位姿测量系统及其测量方法，诸如近红外相机的图像采集装置获取清洁装置的图像序列，该清洁装置包括多个近红外信标，该图像序列包括多个图像帧，检测装置接收图像序列的多个图像帧并检测每一帧图像中的近红外信标特征点，匹配装置用于将检测装置的近红外信标特征点与根据上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行匹配，输出装置根据匹配结果对无人机与清洁装置之间的当前相对位姿进行优化，并输出相对位姿的各个参数。相比于现有技术，本专利技术基于特定结构的近红外信标，以图像序列作为输入，通过提取每一帧图像中的近红外信标特征点并且与上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行特征点匹配，最后通过求解高斯-牛顿最小化函数来实现无人机与清洁装置之间的相对位姿优化。如此一来，本专利技术引入近红外信标特征点的预测机制，可提升计算速度，最终实现对清洁装置的高精度识别、实时跟踪与维护。附图说明读者在参照附图阅读了本专利技术的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本专利技术的各个方面。其中，图1示出依据本专利技术的一个方面，基于近红外信标的相对位姿测量系统中的无人机与清洁装置复合对接的原理示意图；图2示出图1的相对位姿测量系统中，固定安装于清洁装置的近红外信标的结构图；图3示出依据本专利技术的一个方面，基于近红外信标的相对位姿测量系统的结构示意图；以及图4示出依据本专利技术的另一个方面，基于近红外信标的相对位姿测量方法的流程框图。具体实施方式为了使本申请所揭示的
技术实现思路
更加详尽与完备，可参照附图以及本专利技术的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本专利技术所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。下面参照附图，对本专利技术各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。图1示出依据本专利技术的一个方面，基于近红外信标的相对位姿测量系统中的无人机与清洁装置复合对接的原理示意图。图2示出图1的相对位姿测量系统中，固定安装于清洁装置的近红外信标的结构图。图3示出依据本专利技术的一个方面，基于近红外信标的相对位姿测量系统的结构示意图。参照图1至图3，在该实施方式中，本专利技术的相对位姿测量系统中，无人机与清洁装置复合对接主要涉及无人机、清洁装置和地面控制台。详细而言，如图1所示，无人机包括飞控计算机、视觉处理器以及图像采集单元。其中，图像采集单元与视觉处理器电性耦接，视觉处理器与飞控计算机电性耦接。清洁装置包括清洁机器人、通信芯片和近红外信标，其中，近红外信标固定安装于清洁机器人，通信芯片用于将传感器及充电状态信息传送给清洁机器人并接收来自清洁机器人的命令。亦即，通信芯片与清洁机器人之间实行双向数据交互，例如二者间采用基于MAVLINK协议的数据传输形式。在图3中，本专利技术的示意性实施例中，相对位姿测量系统用来测量无人机与清洁装置之间的相对位姿，其包括图像采集装置(未示出)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近红外信标的相对位姿测量系统，用来测量无人机与清洁装置之间的相对位姿，其特征在于，所述相对位姿测量系统包括：/n图像采集装置，用于获取所述清洁装置的图像序列，其中，所述图像采集装置为近红外相机，所述清洁装置包括多个近红外信标，所述图像序列包括多个图像帧；/n检测装置，与图像采集装置相连，用于接收所述图像序列的多个图像帧，并检测每一帧图像中的近红外信标特征点；/n匹配装置，用于将所述检测装置的近红外信标特征点与根据上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行匹配；以及/n输出装置，与所述匹配装置相连，所述输出装置根据所述匹配装置输出的匹配结果对所述无人机与所述清洁装置之间的当前相对位姿进行优化，并输出相对位姿的各个参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外信标的相对位姿测量系统，用来测量无人机与清洁装置之间的相对位姿，其特征在于，所述相对位姿测量系统包括：
图像采集装置，用于获取所述清洁装置的图像序列，其中，所述图像采集装置为近红外相机，所述清洁装置包括多个近红外信标，所述图像序列包括多个图像帧；
检测装置，与图像采集装置相连，用于接收所述图像序列的多个图像帧，并检测每一帧图像中的近红外信标特征点；
匹配装置，用于将所述检测装置的近红外信标特征点与根据上一个相对位姿预测的近红外信标特征点进行匹配；以及
输出装置，与所述匹配装置相连，所述输出装置根据所述匹配装置输出的匹配结果对所述无人机与所述清洁装置之间的当前相对位姿进行优化，并输出相对位姿的各个参数。


2.根据权利要求1所述的相对位姿测量系统，其特征在于，所述近红外信标采用不同波段的LED发光二极管。


3.根据权利要求1所述的相对位姿测量系统，其特征在于，所述近红外相机的波段范围介于800nm～1300nm。


4.根据权利要求1所述的相对位姿测量系统，其特征在于，所述近红外信标的数量为4～6，分布式安装于所述清洁装置的本体。


5.根据权利要求1所述的相对位姿测量系统，其特征在于，所述无人机根据所述相对位姿测量系统测量得到的相对位姿，将所述清洁装置送至墙壁、光热板或光伏板表面，并由所述清洁装置的清洁机器人进行自主清洁。


6.一种基于近红外信标的相对位姿测量方法，用来测量无人机与清洁装置之间的相对位姿，其特征在于，所述相...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘汉，敬忠良，陈务军，任炫光，董鹏，黄健哲，陈家耕，高颖，
申请(专利权)人：苏州翼搏特智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32