专利名称：基于序列图像和基准图匹配的飞行器全参数导航方法
技术领域：
本发明涉及飞行器自主导航以及摄像测量技术领域，进ー步指利用飞行器自身携带摄像机、惯导系统和数据处理器件，对自身的位置、姿态、速度和姿态角速度等进行全參数測量。
背景技术：
飞行器导航为飞行器提供实时位置与姿态等信息，对执行飞行任务至关重要。飞行器导航通常要求导航系统实时给出飞行器的12个运动參数，包括飞行器运动的6个零次量(三维位置、姿态)、6个一次量(三个方向速度分量和姿态角速度分量)。目前能够提供飞行器全參数测量的方法有GPS、惯性导航等。GPS信号易受干扰和钳制；惯性导航短期精度 积小、重量轻、基于视觉的飞行器全參数导航系统对无人机等小型航空飞行器发展具有重要意义。景象匹配导航技木通过将采集到的实时图与飞行器上预存带有大地坐标的地面基准图进行匹配，仅能得到导航需要的水平位置信息。目前飞行器视觉导航主要用于相对位姿测量以及ニ维定位，未见国内外有利用实时图与基准图匹配得到大地绝对坐标系下飞行器导航全參数的视觉导航研究。本发明实现了ー种基于单目摄像机采集序列实时图与基准图匹配的飞行器全參数导航方法，通过实时图上多个特征点与基准图匹配，得到特征点地面三维坐标，并利用摄像机内參求解成像模型，得到飞行器在大地绝对坐标系下的位置和姿态等參数，进ー步与惯导进行组合导航得到精确的飞行器速度和姿态角速度等參数。方法所需设备简单，完全依赖飞行器上现有装备得到飞行器全參数测量結果，測量实时性好，精度高，具有很好的应用前景。

发明内容
本发明是在飞行器(航空器)上装备一台摄像机、惯导系统、数据处理器件(微机、DSP)和存储器件(硬盘等存储介质)(已存储基准图数据)，构成基于序列图像和基准图匹配的飞行器全參数视觉导航系统。上述硬件若飞行器上已装备，则无需重新安装。该系统组成如附图
I所示。系统开始工作时，摄像机实时对地面进行成像，之后采用本发明的基于景象匹配的飞行器全參数导航方法完成飞行器全參数的測量。I本发明的基于景象匹配的飞行器全參数导航的实施过程是I)在飞行器上安装摄像机、惯导系统、数据处理器件和存储器件等，且数据存储器上存储有预定区域的地面基准图数据(通常为卫星图片)，构成基于景象匹配的飞行器全參数导航系统。2)飞行器进入预定区域后，开启基于景象匹配的飞行器全參数导航系统，摄像机对地面进行连续拍摄，采用本发明基于景象匹配的飞行器全參数导航方法，即飞行器位姿參数估计方法或飞行器全參数测量的组合导航方法，完成飞行器全參数的測量，具体按以下步骤进行2. I)在每帧实时图像上选取多个特征点，与带有大地水平坐标和高程的基准图进行匹配，得到特征点在大地绝对坐标系下的三维坐标。2. 2)利用匹配得到特征点图像坐标和三维大地绝对坐标，以及已知的摄像机内參数(像主点、等效焦距)和安装角，求解摄像机成像模型，得到飞行器三维位置和姿态參数。2. 3)将解算出的飞行器位姿參数拟合出飞行器的速度、加速度、角速度角加速度等导航參数，或者将解算出的飞行器位姿參数和惯导进行组合导航，得到高精度的飞行器全參数导航测量結果。2本发明的基于景象匹配的飞行器全參数导航方法上述过程步骤中，图像特征点选取以及与基准图的匹配，有多种公知的方法，具体 可參照已有技术的摄像測量、摄影测量、计算机视觉的相关内容。而根据序列实时图多点匹配结果进行飞行器导航的全參数测量是本发明的发明点，其基本原理和方法是I)基于景象匹配的飞行器全參数导航基本原理其基本原理如附图2、3所示。通过在实时图上选取多个特征点，与基准图匹配得到特征点对应的三维大地绝对坐标，并利用已知摄像机内參(像主点、等效焦距)和安装角，求解摄像机成像模型，获得飞行器三维位置和姿态參数。然后将飞行器位姿參数测量结果与惯导进行组合导航，得到高精度的飞行器导航的全參数测量結果。组合导航有两种方法，ー种假设惯导速度误差和角速度误差在短时间内为常值，利用解算出的飞行器位姿參数构建误差修正方程进行组合导航；ー种利用惯导误差状态方程，与解算出的飞行器位姿參数进行卡尔曼滤波完成组合导航。2)基于景象匹配的飞行器全參数导航方法2. I)飞行器位姿參数估计方法在实时图上选取多个特征点与基准图匹配，得到特征点图像坐标以及对应的三维大地绝对坐标。根据摄像測量学知识，设地面上有n个点，其大地绝对坐标为(Xi, Yi, Zi),图像坐标为(Xi, Yi)，Fx、Fy为摄像机等效焦距，Cx、Cy为摄像机像主点坐标，(Xc, Y。, Zc)为摄像机光心在大地绝对坐标系中的位置坐标。由中心投影成像模型，建立以下方程
a^-X^ + b^-Y^ + c^-Z^
Fxら(z,-zt)
_8]ラ,-C'.尤)+ら Fc) + C2(る-Zc)
Fy ch (X,-夂)+ へ(Y1 - y:.) + C、(Z1 - Z)其中，大地绝对坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵为为R，则R可由飞行器姿态角以及摄像机安装角表示，如下
Q1 bx C1R-Ci2 B2 C2⑵
a3 b, c当有至少三个对应特征点对时，根据以上成像方程可以利用非线性迭代最优化的方法求解得到飞行器三个位置量和三个姿态角。2. 2)飞行器全參数测量的组合导航方法方法一假设短时间内惯导速度误差为恒定值，并以X方向为例说明组合导航方法。设在到t2的一小段时间段内任意时刻tk，惯导位置、姿态和飞行器位姿參数解算出的位置、姿
态分别为X〖、《和X[、もF，惯导速度误差和角速度误差为常值，分别用Sv和S CO表示，并设 Axrt = xf - Xvk 和 Aも=￠1 - (j>l，那么
-fi；^ro ⑶其中V和w表示飞行器位姿估计中的位置和姿态解算误差。
根据某ー小段时间内由序列图像解算出的飞行器位姿參数结果以及惯导输出，联立式(3)所示的线性方程组，使用最小二乗法对该时间段内的初始位置误差Ax1、初始姿态误差A C^1、速度误差Sv和角速度误差8 Co进行估计。并利用下式完成组合导航修正，得到高精度飞行器全參数导航結果。
Xt =X^+Ax1+^v ^1)戎=狀+吨+ScQ (も_も)
cok ニ (O1k +di)方法ニ考虑姿态角误差、速度误差、位置误差、陀螺仪测量误差、加速度计测量误差，由惯导误差方程得到组合导航的误差状态方程如下=-l^k-l + ^k-Wk-I(つ)其中
X = [^if 3小 OtJ) Svh. Svx Ji Sxl,. Sxv Jv sx sy sz Vx Vv Vz 了W =Wgy wgz wm Way Waz]式中小表示姿态角；v表示飞行器速度；x表示飞行器位置；e表示陀螺仪测量误差；V表示加速度计测量误差；下标E、N、U分别表示直角坐标系的东向、北向和天向，下标g表示陀螺仪，下标a表示加速度计。以解算出的飞行器位姿參数与惯导输出的位姿參数之差作为量测值，构建组合导航的量测方程。Zk = HkXk+vk(&)其中
权利要求
1.基于序列图像和基准图匹配的飞行器全參数导航方法，其特征在于，该方法实施过程是: 1)在飞行器上安装摄像机、惯导系统、数据处理器件和存储器件，且数据存储器上存储有预定区域的地面基准图数据，构成基于景象匹配的飞行器全參数导航系统； 2)飞行器进入预定区域后，开启基于景象匹配的飞行器全參数导航系统，摄像机对地面进行连续拍摄，采用飞行器位姿參数估计方法或飞行器全參数测量的组合导航方法，完成飞行器全參数的測量，具体按以下步骤进行 .2.I)在每帧实时图像上选取多个特征点，与带有大地水平坐标和高程的基准图进行匹配，得到特征点在大地绝对坐标系下的三维坐标； .2. 2)利用匹配得到特征点图像坐标和三维大地绝对坐标，以及已知的摄像机内參数和安装角，求解摄像机成像模型，得到飞行器三维位置和姿态參数； .2. 3)将解算出的飞行器位姿參数拟合出飞行器的速度、加速度、角速度角加速度等导航參数，或者将解算出的飞行器位姿參数和惯导进行组合导航，得到高精度的飞行器全參数导航测量结果； 飞行器位姿參数估计方法具体为 在实时图上选取多个特征点与基准图匹配，得到特征点图像坐标以及对应的三维大地绝对坐标，根据摄像测量学知识，设地面上有n个点,其大地绝对坐标为(Xi,Yi,Zi)，图像坐标为(xi+yi),Fx、Fy为摄像机等效焦距，CXY、cy1为摄像机像主点坐标(Xc,Yc,Zc)为摄像机光心在大地绝对坐标系中的位置坐标，由中心投影成像模型，建立以下方程
全文摘要
本发明涉及基于序列图像和基准图匹配的飞行器全参数导航方法。该方法在飞行器上安装摄像机、惯导系统、数据处理器件和存储器件，且数据存储器上存储有预定区域的地面基准图数据，构成基于景象匹配的飞行器全参数导航系统。通过实时图像与基准图的匹配，并与惯导进行组合导航的卡尔曼滤波，即可实现飞行器导航的高精度全参数测量，具有广泛、重要的应用前景。
文档编号G01C11/00GK102829785SQ201210313150
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者于起峰, 雷志辉, 尚洋, 刘晓春, 李鑫, 李强, 李想, 苏昂 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学