一种基于光流相机的姿态定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光流相机的姿态定位方法，涉及无人机定位技术领域，主要用于实现无人机的自主控制飞行。本发明专利技术的系统结构主要由中央处理单元、图像传感单元、姿态传感单元、高度传感单元、补光单元、预警单元和电源单元组成。中央处理单元与图像传感单元、姿态传感单元、高度传感单元相连，分别对图像传感数据进行光流算法处理、对姿态传感数据进行二维速度补偿、对高度传感数据进行三维速度计算。中央处理单元与补光单元、预警单元相连，分别控制近红外补光灯、声光预警的开启与关闭。电源单元为上述单元提供供电。本发明专利技术在克服传统视觉定位方法精度不高、准度随时间漂移的同时，还保证低亮度情况下系统的稳定运转，提供实时监测和预警。实时监测和预警。实时监测和预警。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光流相机的姿态定位方法


[0001]本专利技术涉及无人机定位
，特别是一种基于光流相机的姿态定位方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着科学技术的日益发展，无人机已被广泛应用于军事领域和民用领域中，如在室外环境中用于空中预警、低空摄影，室内环境中用于情报侦察、搜索救援等。然而，无人机能否实时感知自身的位置信息和速度信息对于其实现自主飞行至关重要，目前广泛使用的定位方法主要是基于全球卫星定位系统(GPS)的定位方法。但在一些GPS信号较弱的环境中，如楼群之间、大型建筑之内等，传统定位方法就无法发挥出作用。而基于视觉的定位方法不需要依靠GPS信号，且具有体积小、重量轻、价格低、精度高等优势，正逐渐成为无人机实现自主飞行的主流定位方法。
[0003]传统视觉定位方法系统组成实例结构如图1所示，主要由图像传感器MT9V034 1、陀螺仪L3GD20 2、声呐MB1240 3以及微控制器STM32F407 4组成。图像传感器MT9V034 1是一款1/3英寸CMOS有源数字图像传感器，负责视觉图像数据的采集与发送。陀螺仪L3GD20 2是一款三轴角速度传感器，负责系统角速度数据的采集与发送。声呐MB1240 3是一款超声波测距传感器，通过声波发送和接收的时间差来计算距离，负责系统高度数据的采集与发送。微控制器STM32F407 4是一款具有Cortex M4F内核的168MHz的32位微控制器，包含图像采集卡401、直接存储器访问402、内存403、中央处理器404，负责图像数据、角速度数据、高度数据的接收与处理，并发送当前速度数据以进行积分定位。
[0004]由此可知，现有方法存在如下缺点：
[0005]1.图像传感器MT9V034 1在图像最高分辨率752
×
480下的最高帧率为60fps，当无人机在复杂场景中进行高速飞行任务时，受分辨率低的影响，导致微控制器不能精准计算出速度数据；受帧率低的影响，导致微控制器不能实时发送出速度数据。
[0006]2.陀螺仪L3GD20 2测量的角速度数据具有不确定性，且随着时间的推移，陀螺仪会出现稳定增大的角速度误差，导致微控制器用角速度数据补偿计算的速度数据的误差会越来越大。
[0007]3.声呐MB1240 3超声波测距的测量精度是厘米级的，易受温度和风向的影响，且在障碍物较多的环境中回波干扰较多，导致无人机不能精准定位当前飞行高度。
[0008]4.微控制器STM32F407 4提供的工作频率为168MHz的Cortex M4F内核浮点运算性能不足以支撑高分辨率高帧率的图像光流计算，目前仅可支持到图像分辨率为64*64，帧率为30fps的图像光流计算。
[0009]5.在亮度较低情况下，图像传感器不能较好的对周围环境进行感知，导致微控制器的光流算法失效，无法给出正确的速度数据。
[0010]6.当系统运行不正常时，无法实时查看各个单元的运转情况，缺乏一定的指示及预警。

技术实现思路

[0011]针对上述现有方法的缺点，本专利技术提供了一种基于光流相机的姿态定位方法，用于无人机的视觉定位导航。
[0012]为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0013]一种基于光流相机的姿态定位方法，系统结构主要由中央处理单元、图像传感单元、姿态传感单元、高度传感单元、补光单元、预警单元和电源单元组成；
[0014]所述中央处理单元用于接收所述图像传感单元、所述姿态传感单元、所述高度传感单元的数据输入，并对输入数据进行综合处理，在输出结果数据的同时，发送出用于控制所述补光单元、所述预警单元的控制信号；
[0015]所述图像传感单元与所述中央处理单元相连，用于视觉图像数据的采集与发送；
[0016]所述姿态传感单元包含传统陀螺仪和加速计陀螺仪，与所述中央处理单元相连，用于姿态角速度数据的采集与发送；
[0017]所述高度传感单元包含激光雷达，与所述中央处理单元相连，用于高度数据的采集与发送；
[0018]所述补光单元包含近红外补光灯，与所述中央处理单元相连，用于确保低亮度情况下所述中央处理单元的光流算法正常执行；
[0019]所述预警单元包含声光预警，与所述中央处理单元相连，其中声预警部分用于对系统非正常运行情况进行预警，光预警部分用于指示所述图像传感单元、所述姿态传感单元、所述高度传感单元是否正常运转；
[0020]所述电源单元包含相机电源和公用电源，相机电源用于给所述图像传感单元供电，公用电源用于给相机电源、所述中央处理单元、所述姿态传感单元、所述高度传感单元、所述补光单元以及所述预警单元供电。
[0021]所述中央处理单元先对所述图像传感单元获取的图像数据进行预处理，判断图像传感单元获取的图像数据是否需要补光，若需要补光则控制所述补光单元开启，否则进入光流算法流程，包括中值滤波、特征点计算、特征点匹配、光流速度计算等本领域常规算法。
[0022]所述中央处理单元接着对所述姿态传感单元获取的姿态角速度数据进行二维速度补偿。
[0023]所述中央处理单元最后对所述高度传感单元获取的高度数据进行三维速度的计算及输出。
[0024]所述中央处理单元会分别在所述图像传感单元、所述姿态传感单元、所述高度传感单元的关键节点判断其是否正常运转，若否则会控制所述预警单元给出声光指示。
[0025]本专利技术的有益效果如下：
[0026]1.图像传感器OV5647在图像最高分辨率为2592
×
1944情况下的帧率为15fps，在最高帧率为120fps情况下的图像分辨率为320
×
240，能有效应对无人机不同场景、不同应用的需求，使得系统能实时精准的发送出速度数据。
[0027]2.采用传统陀螺仪和加速计陀螺仪分别对系统姿态角速度数据进行测量，依据累计飞行时间对二者测量角速度进行加权处理，使得角速度误差不会随着时间推移而稳定增大，且当一方出现故障时仍能保证系统稳定运行。
[0028]3.采用激光雷达对系统飞行高度进行测量，其测量精度可达毫米级，且几乎不受
所处环境干扰。
[0029]4.树莓派Raspberry Pi 4B的四核Cortex-A72处理器速度高达1.5GHz，浮点运算性能得到明显提升，并且还能对数据进行并行处理，保证系统的数据综合处理性能。
[0030]5.系统自动检测当前所处环境的亮度，当亮度不足以支持光流算法的正确性时，系统会自动开启近红外补光灯，在提供亮度的同时，保证自身的隐蔽性。
[0031]6.采用指示灯对各个单元的运转情况进行实时监测，并在系统将无法正常运转时使用蜂鸣器主动预警。
附图说明
[0032]图1为无人机传统视觉定位方法系统组成实例结构示意图；
[0033]图2为本专利技术具体实施例系统组成结构示意图；
[0034]图3为本专利技术具体实施例系统组成结构中中央处理单元接口电路原理图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光流相机的姿态定位方法，其特征在于，系统结构主要由中央处理单元、图像传感单元、姿态传感单元、高度传感单元、补光单元、预警单元和电源单元组成；所述中央处理单元用于接收所述图像传感单元、所述姿态传感单元、所述高度传感单元的数据输入，并对输入数据进行综合处理，在输出结果数据的同时，发送出用于控制所述补光单元、所述预警单元的控制信号；所述图像传感单元与所述中央处理单元相连，用于视觉图像数据的采集与发送；所述姿态传感单元包含传统陀螺仪和加速计陀螺仪，与所述中央处理单元相连，用于姿态角速度数据的采集与发送；所述高度传感单元包含激光雷达，与所述中央处理单元相连，用于高度数据的采集与发送；所述补光单元包含近红外补光灯，与所述中央处理单元相连，用于确保低亮度情况下所述中央处理单元的光流算法正常执行；所述预警单元包含声光预警，与所述中央处理单元相连，其中声预警部分用于对系统非正常运行情况进行预警，光预警部分用于指示所述图像传感单元、所述姿态传感单元、所述高度传感单元是否正常运转；所述电源单元包含相机电源和公用电源，相机电源用于给所述图...

【专利技术属性】
技术研发人员：王元庆，刘捷，李希才，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：