无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，属于无人机视觉定位领域，包括步骤：S1，确定初始位置；S2，计算无人机的相对位置；S3，计算无人机的绝对位置；S4，通过窗口轨迹关联将步骤S2中视觉里程计计算的无人机的相对位置与步骤S3中卫星地图定位计算的绝对位置相融合；S5，在可视化界面显示无人机的实时位置。本发明专利技术不依赖GNSS和地面差分站对无人机进行定位，在可视化操作界面上实时显示无人机的飞行轨迹，并且可以通过可视化操作界面给无人机发送飞行指令，将有效降低无人机的事故率和战时的消耗率。降低无人机的事故率和战时的消耗率。降低无人机的事故率和战时的消耗率。

【技术实现步骤摘要】
无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法


[0001]本专利技术涉及无人机视觉定位领域，更为具体的，涉及一种无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法。

技术介绍

[0002]目前无人机地定位主要依赖GNSS等导航卫星系统，或者地面差分站。在战争场景下，导航卫星系统的信号容易受到干扰，会导致无人机坠毁或被地方捕获，地面差分站则需要提前在地面上部署基站，这在战争场景下是不现实的。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，不依赖GNSS和地面差分站对无人机进行定位，在可视化操作界面上实时显示无人机的飞行轨迹，并且可以通过可视化操作界面给无人机发送飞行指令，将有效降低无人机的事故率和战时的消耗率等。
[0004]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0005]一种无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，包括以下步骤：
[0006]S1，通过GNSS坐标与视觉里程计的轨迹关联，确定初始位置，完成初始化；
[0007]S2，利用视觉里程计跟踪每一帧航拍图像，计算无人机的相对位置；
[0008]S3，通过航拍图像与局部卫星地图的模板匹配，计算无人机的绝对位置；
[0009]S4，通过窗口轨迹关联将步骤S2中视觉里程计计算的无人机的相对位置与步骤S3中卫星地图定位计算的绝对位置相融合；
[0010]S5，在可视化界面显示无人机的实时位置。
[0011]进一步地，在步骤S1中，包括子步骤：
[0012]S11，获取一段飞行距离的视觉里程计轨迹和对应的GNSS的经纬高坐标轨迹，将GNSS的经纬高坐标变换到东北天坐标系下；
[0013]S12，计算步骤S11中两段轨迹之间的相对坐标变换关系，通过所述相对坐标变换关系将视觉里程计轨迹变换到东北天坐标系下，进而变换成经纬高坐标。
[0014]进一步地，在步骤S3中，包括子步骤：
[0015]S31，从视觉里程计获取先验位姿，在无人机初始位置附近提取局部卫星地图；
[0016]S32，用理论观测图像和航拍图像之间的互信息的倒数作为目标函数，
[0017]在先验位姿附近优化搜索最优位姿。
[0018]进一步地，在步骤S4中，包括子步骤：
[0019]S41，当新一帧完成卫星地图定位，首先提取距离该帧最近的若干个旧帧，旧帧同时拥有两个位姿，分别是来自视觉里程计的先验位姿和来自融合后的后验位姿；
[0020]S42，计算所述若干个旧帧之间的先验位姿轨迹和后验位姿轨迹之间的相对变换；
[0021]S43，将新一帧的视觉里程计先验位姿变换到后验位姿轨迹坐标系下；
[0022]S44，计算变换后的位姿和卫星地图定位位姿的加权和，权重取决于最优模板匹配的互信息；
[0023]S45，将加权结果存储为新一帧的后验位姿。
[0024]进一步地，在步骤S5中，所述可视化界面设置有显示条框。
[0025]进一步地，在所述可视化界面中，包括子步骤：用不显色的线条表示不同的飞行轨迹。
[0026]进一步地，所述飞行轨迹包括GNSS轨迹和视觉定位系统估计的轨迹，轨迹被画在无人机飞行位置的局部卫星地图上，无人机的实时航拍图像显示在可视化界面的左下角，飞机的经纬高数据显示在可视化界面左侧的显示条框中，通过鼠标右键点击和选择将导航目标的位置发送给无人机。
[0027]进一步地，在步骤S41中，所述先验位姿的坐标原点是视觉里程计的初始化点，后验位姿的坐标系是东北天坐标系。
[0028]进一步地，在步骤S12中，所述相对坐标变换关系包括相对旋转、相对平移和相对尺度。
[0029]本专利技术的有益效果包括：
[0030]本专利技术实施例提供了一种完整的无人机视觉定位方案，可以在初始化完成后，不依赖GNSS和地面差分站对无人机进行定位，在可视化操作界面上实时显示无人机的飞行轨迹，并且可以通过可视化操作界面给无人机发送飞行指令，将有效降低无人机的事故率和战时的消耗率。
[0031]本专利技术实施例中，无人机起飞后，当视觉定位系统初始化完成，在无GNSS的情况下仍可以实时确定无人机的经纬高坐标，并且估计的飞行轨迹光滑、噪声小。
[0032]本专利技术实施例系统的可视化操作界面，可以实时显示无人机的位置，并给无人机发送飞行指令。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术实施例方法的步骤流程图；
[0035]图2为本专利技术实施例中初始化模块流程图；
[0036]图3为本专利技术实施例中模板匹配卫星地图定位流程图；
[0037]图4为本专利技术实施例中视觉里程计和卫星地图定位的松耦合融合定位流程图；
[0038]图5为本专利技术实施例中可视化操作界面。
具体实施方式
[0039]下面结合附图和实施例对专利技术进一步说明。本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0040]本专利技术实施例提供的无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，专利技术构思如下：系统初始化之前，需要先对视觉里程计初始化。视觉里程计通过图像特征点跟踪，快速地估计无人机的相对运动。但视觉里程计所计算的无人机飞行轨迹的坐标原点是视觉里程计完成初始化的位置，无法获取飞机的在真实世界坐标系下的绝对位置。因此，本专利技术实施例视觉定位系统在视觉里程计初始化完成后，设计为通过GNSS信号进行初始化，即利用GNSS信号计算视觉里程计轨迹对应的经纬高坐标轨迹。初始化完成后，视觉里程计估计的飞行轨迹可以通过旋转、平移和尺度放缩变换到东北天坐标系下，再由东北天坐标变换成经纬高坐标。但视觉里程计会随着时间的推移产生累积误差，本专利技术实施例系统通过一种基于模板匹配的卫星地图定位方法对视觉里程计估计的轨迹进行修正。卫星地图定位可以直接计算飞机的经纬高坐标，但定位结果噪声较大，直接使用该坐标会导致估计的飞行轨迹存在剧烈的抖动。本专利技术实施例通过一种松耦合轨迹融合方法对估计的轨迹进行平滑，减小噪声。
[0041]在具体实施方式中，本专利技术实施例基于视觉里程计与GNSS轨迹关联的初始化包括：初始化模块主要包括两个步骤。第一步，获取一段飞行距离的视觉里程计轨迹和对应的GNSS的经纬高坐标轨迹，将GNSS的经纬高坐标变换到东北天坐标系下。第二步，计算两段轨迹之间的相对坐标变换关系，包括相对旋转、相对平移和相对尺度。通过相对坐标变换关系就可以将视觉里程计轨迹变换到东北天坐标系下，进而变换成经纬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过GNSS坐标与视觉里程计的轨迹关联，确定初始位置，完成初始化；S2，利用视觉里程计跟踪每一帧航拍图像，计算无人机的相对位置；S3，通过航拍图像与局部卫星地图的模板匹配，计算无人机的绝对位置；S4，通过窗口轨迹关联将步骤S2中视觉里程计计算的无人机的相对位置与步骤S3中卫星地图定位计算的绝对位置相融合；S5，在可视化界面显示无人机的实时位置。2.根据权利要求1所述的无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，其特征在于，在步骤S1中，包括子步骤：S11，获取一段飞行距离的视觉里程计轨迹和对应的GNSS的经纬高坐标轨迹，将GNSS的经纬高坐标变换到东北天坐标系下；S12，计算步骤S11中两段轨迹之间的相对坐标变换关系，通过所述相对坐标变换关系将视觉里程计轨迹变换到东北天坐标系下，进而变换成经纬高坐标。3.根据权利要求1所述的无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，其特征在于，在步骤S3中，包括子步骤：S31，从视觉里程计获取先验位姿，在无人机初始位置附近提取局部卫星地图；S32，用理论观测图像和航拍图像之间的互信息的倒数作为目标函数，在先验位姿附近优化搜索最优位姿。4.根据权利要求1所述的无人机视觉里程计与卫星地图定位松耦合融合定位方法，其特征在于，在步骤S4中，包括子步骤：S41，当新一帧完成卫星地图定位，首先提取距离该帧最近的若干个旧帧，旧帧同时拥有两个位姿，分...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁文斌，徐宇，翟友灵，丁士延，张果，冯丽君，
申请(专利权)人：四川腾盾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：