运动体运动姿态感知系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种运动体运动姿态感知系统，主要是为了能够全面高效地感知运动体运动姿态全部信息而设计。本实用新型专利技术包括：图像采集模块，由至少三个设置在运动体上且不在同一条直线上的图像采集器构成；图像解析模块，由数量与图像采集器相同的位移解算器构成，各位移解算器分别接收与其对应的图像采集模块输出的图像，并通过对比连续若干帧图像算出光流信息；姿态解算模块，分析接收自图像解析模块输出的光流信息，并基于有效的光流信息得出运动姿态。基于上述结构，本实用新型专利技术能够感知运动体运动姿态的全部信息，可为飞机的飞行姿态监测和控制，地表地形的测量以及其他类似机床夹具或刀具运动姿态监测等提供更为全面高效的运动姿态信息。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光学、电子信息和航空领域，尤其涉及一种运动体运动姿态感知系统。
技术介绍
飞机飞行姿态是指飞机飞行过程中俯仰、滚转和偏航的程度，衡量飞机飞行姿态的标准是飞机姿态角，包括俯仰角、滚转角和偏航角。为保证飞机正常飞行，需要对飞机飞行姿态进行测量和控制。飞机姿态感知系统是飞机姿态控制系统的重要组成部分，为飞机姿态闭环控制提供反馈。在现有技术中，飞机多使用加速度计、陀螺仪、红外地平仪等设备进行姿态测量。但对于小型和微型无人飞机，上述技术目前仍难以满足其起飞降落阶段对抗过载、测量准确度和价格成本方面的要求。另外，在侦查和大地测量等对地面进行拍照的领域，因飞机向下对地进行拍摄时照片无法显示地面的坡度，其所拍照片的实用价值受到限制，因此就需要有配套的测量飞机所拍摄地面坡度的系统，对所拍摄地面的坡度进行测量。光流是空间运动物体在观测成像面上的像素运动的瞬时速度。光流的研究是利用图像序列中的像素强度数据的时域变化和相关性来确定各自像素位置的“运动”，即研究图像灰度在时间上的变化与景象中物体结构及其运动的关系。光流法能够在不知道场景的任何信息的情况下，检测出运动对象，并判断其运动情况。近年来，光流方法已经得到一些发展和应用。作为光流分析方法用于高精度系统的例子，麻省理工学院的干涉计算机微视觉系统(ICMVS)，将光流分析方法应用于检测微机电系统MEMS中各微器件的平面微运动，运动幅度的分辨率最高可达2. 5nm。在无人机领域， 光流方法主要用于规避障碍和控制低速微型室内无人机。例如瑞士 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)制成的一维光流信息飞机姿态感知和控制系统，但该系统不能获得飞机姿态的全部信息，即俯仰、滚转、偏航角度和角速度，其只能获得偏航角度和角速度，该系统主要用于避障和导航，仅适用于低速微型室内无人机。
技术实现思路
针对上述问题，本技术目的在于提供一种基于光流方法感知运动体运动姿态全部信息的运动体运动姿态感知系统。为达到上述目的，本技术所述运动体运动姿态感知系统，包括图像采集模块、图像解析模块、姿态解算模块、通信模块和外接设备；其中，所述的图像采集模块，由至少三个设置在运动体上且不在同一条直线上的图像采集器构成，用于在运动体处于运动状态下采集参照面图像；所述图像解析模块，由数量与所述图像采集器相同的位移解算器构成，各位移解算器分别接收与其对应的图像采集模块输出的图像，并通过对比连续若干帧图像基于位移解算算法解算出图像中的光流信息；所述姿态解算模块，分析接收自所述图像解析模块输出的光流信息，并基于有效的光流信息采用姿态解算算法得出运动体的运动姿态；所述通信模块，建立所述姿态解算模块和所述外接设备之间的信号传输。特别地，所述光流信息包括图像中图像模式的横向和纵向移动信息，该移动信息以所述图像采集器输出图像的像素大小为单位的图像移动的二维位移信号来表述。特别地，所述的运动姿态包括运动体相对参照面的姿态角和姿态角角速度。进一步地，所述姿态解算模块包括数据筛选器和姿态解算器，其中，所述数据筛选器，分析接收自所述图像解析模块输出的二维位移信号是否真实有效，将有效的二维位移信号和输出该二维位移信号的所述位移解算器的编号传递给所述姿态解算器；所述姿态解算器，接收数据筛选器输出的二维位移信号以及各二维位移信号对应的位移解算器编号；判断接收到的二维位移信号个数是否小于姿态解算算法所需的最少个数，是，向所述通信模块发送报警信号；否，基于姿态解算算法解算出运动体相对参照面的姿态角和姿态角角速度并输出。与现有技术相比，本技术具有如下有益效果(1)本技术提出了一种实用的二维光流分析方法，实现了由二维光流信息解算三维空间中两平面间夹角，该方法较传统二维光流分析方法更简洁高效。传统的二维光流方法还需考虑图像中各像素点以图像中一点为中心辐散或辐合的模式，这种模式代表单个传感器靠近或远离图像中环境的情况(辐散为远离，辐合为靠近)，而这种模式与飞机飞行姿态没有直接关联，因而传统方法并没有关注飞机飞行姿态，更多地关注避障问题，因而这导致了算法的复杂化。而本技术所述的二维光流分析方法更针对姿态测量，且计算复杂度降低。(2)本技术所述系统中无活动部件，具有良好的抗过载性能，可以承受无人机起飞着陆阶段的冲击载荷，为小型无人机自主起飞着陆提供了一种可用的姿态测量方法。而现有技术中，使用加速度计、陀螺仪、红外地平仪等设备进行姿态测量的系统中，加速度计存在着极限载荷，陀螺仪易受干扰和破坏，红外地平仪易受跑道两侧的车辆、其他飞行器、人或其他动物等的热源的干扰(3)本技术所述系统因采用图像采集器连续采集图像的方式具有良好的实时性和时间无关性，测量精度不受工作时间的影响，输出的信号中俯仰角、滚转角、俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度无累积误差。(4)本技术所述系统对于常见小型低空无人机具有高度、速度无关性，且可通过升级图像采集器分辨率扩展其高度、速度适用范围。附图说明图1是本技术所述运动体运动姿态感知系统的工作流程示意图；图2是本技术所述运动体运动姿态感知系统结构示意图；图3是本技术所述感知运动体运动方法及系统的理论基础图；图4是本技术装有四图像采集器的飞机飞行姿态感知系统的结构示意图；图5是本技术所述位移解算器和所述数据筛选器工作原理示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本技术做进一步的描述。本技术提供了一种运动体运动姿态感知系统，用于测量运动体运动姿态以便对运动体的运动姿态进行控制。本技术所述系统可利用在飞机的飞行姿态监测和控制领域，还可利用在对地表地形的测量领域中以及其他需要监测运动体运动姿态的领域。本技术通过多通道图像采集，基于图像采集器输出的信号，确定图像的运动，基于图像的运动，确定运动体如飞机的飞行姿态。如图1所示，本技术所述运动体运动姿态感知系统的工作流程图，包括以下步骤Si、连续捕捉运动体在运动状态下参照面所呈的图像；S2、基于捕捉到的连续图像解算出图像中的光流信息；S3、基于解算出的光流信息得出运动体的运动姿态。作为本技术所述方法的进一步的实施例，本技术所述方法还包括S4、将得到的运动姿态输出到外接设备，以便于其他外接设备接收所述运动姿态数据，并依据该数据作出相应的响应，例如控制飞机飞行姿态。其中，上述的步骤S2，具体实现如下S201、对比连续若干帧的图像得出对比结果；S202、基于对比结果采用位移解算算法从图像中解算出光流信息。上述的步骤S3，具体实现如下S301、分析解算出的光流信息是否真实有效，是，继续进行下一步骤；否，丢弃无效光流信息；S302、判断有效的光流信息个数是否小于姿态解算算法所需的最少个数3，是，发出报警信号；否，基于有效的光流信息采用姿态解算算法计算出运动体的运动姿态。其中，分析光流信息是否真实有效的依据是若连续两帧图像中不包含相同的地面信息，则位移解算器无法给出正确的位移信号，输出值为位移的最大值，此时即认为该位移信号为无效。上述的光流信息包括图像中图像模式的横向和纵向移动信息，该移动信息以所述图像采集器输出图像的像素大小为单位的图像移动的二维位移信号来表述。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种运动体运动姿态感知系统，其特征在于，包括：图像采集模块、图像解析模块、姿态解算模块、通信模块和外接设备；其中，所述的图像采集模块，由至少三个设置在运动体上且不在同一条直线上的图像采集器构成，用于在运动体处于运动状态下采集参照面图像；所述图像解析模块，由数量与所述图像采集器相同的位移解算器构成，各位移解算器分别接收与其对应的图像采集模块输出的图像，并通过对比连续若干帧图像基于位移解算算法解算出图像中的光流信息；所述姿态解算模块，分析接收自所述图像解析模块输出的光流信息，并基于有效的光流信息采用姿态解算算法得出运动体的运动姿态；所述通信模块，建立所述姿态解算模块和所述外接设备之间的信号传输。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春华，王宁羽，陈科行，赵海洋，姜泉，蒋竞颉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11