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[0042] 根据透视成像原理和成像三角形关系，由飞机高度计算得到光轴与地面交点Α在 {G}下的坐标SPA。再根据公式⑵求出BPA，后面计算中使用。（由地球模型和飞机当前经 炜度，由BPA可得A点经度和炜度。大地坐标系的原点可以根据此方法取某一时刻平台信息 计算得到，也可取已知点。）
[0043] 无人机发现目标后，根据侦察任务选择感兴趣目标点，由所选目标点t在图像坐 标系{1}下的齐次坐标夂=(1\，11，1)\根据公式（6)得出^\，继而可依次求出中1、
[0045] 由地球模型和经炜度关系，求出目标点t的经炜高信息，实现目标精确定位。对 于机动目标来说，该方法可以根据两次定位状态估计目标运动信息。通常图像处理计算机 处理速度非常快，根据两次目标定位的时间间隔、飞机的飞行信息，得到目标当前的运动状 态，并估计机动目标下一时刻位置，从而在机动目标打击中提高系统命中率。
[0046] 3无人机视觉伺服控制下的机动目标跟踪
[0047] 无人机自主侦察飞行过程中，希望保持目标点在图像的中心位置，以获得最大的 稳定裕度。对于有云台的侦察载荷来说，当给出无人机侦察航线或航迹规划后，跟踪定位过 程可以依靠云台的伺服控制锁定目标在图像中心位置。当载荷云台运动失效或没有云台 时，为实现稳定裕度最大化，可以通过控制无人机姿态来实现，具体如下：
[0048] 根据式（7)和⑶的推导过程，结合式⑶和前面所求BPA，可分别求得'和 = SPA，则误差为八<^= ，由此方程组求出姿态角给定值0t、（^和φ t;
[0049] 由飞行航迹中飞机期望位置和飞机当前位置％。的误差 根据横侧向控制律求出滚转角给定值Φ
[0051] 根据纵向控制律分别求出俯仰角给定值
[0053] 结合任务权重λ "分配目标跟踪和航线跟踪的姿态角给定值，得到总输出
[0057] 以此作为飞行控制的内环给定，伺服控制无人机各相关舵面，实现目标定位跟踪 过程中稳定裕度最大化的视觉伺服控制。
【主权项】
1. 一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特征在于，所述方法应用 无人机进行视觉伺服控制，将目标锁定在摄像机视场之中。2. 根据权利要求1所述的一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特 征在于，所述方法建立大地坐标系、机体坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系、机体大地过渡 坐标系，通过上述建立的坐标系之间的关系，进行目标的定位及目标跟踪的姿态角给定值 和航线跟踪的姿态角给定值的计算，完成视觉伺服控制。3. 根据权利要求2所述的一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特 征在于，所述方法包括以下步骤： A) 确定无人机上定位装置、惯性测量单元及摄像机的设备状态及设备参数，所述摄像 机的设备参数包括摄像机内参数及安装角度，根据摄像机内参数及安装角度确定光轴指 向，由各坐标系间相互关系确定光轴与地面交点在无人机机体坐标系上的位置表示； B) 根据摄像机的侦察成像，选择目标点，确定目标点在摄像机坐标系中的坐标位置，再 结合摄像机的设备参数得出目标点在地球模型上的定位位置； C) 根据定位结果，结合无人机的飞行信息，得到目标点当前的运动状态，并预估目标点 下一刻的位置； D) 将图像中心作为目标点的期望位置，根据误差计算出目标跟踪的姿态角给定值； E) 由无人机航迹中飞机期望位置和飞机当前位置的误差，根据横侧向控制律和纵向控 制律分别求出航线跟踪的姿态角给定值，根据目标跟踪的姿态角给定值及航线跟踪的姿态 角给定值，得到各姿态角总给定量，以此伺服控制无人机的相关舵面，实现目标定位跟踪过 程中稳定裕度最大化的视觉伺服控制。4. 根据权利要求3所述的一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特 征在于，所述大地坐标系{G}:以无人机开始进行目标定位跟踪时刻，重心在地面的投影作 为全局固定不变的大地坐标系原点，X轴平行于经线，Y轴平行于炜线，Z轴垂直于XOY平面 指向地心； 机体坐标系{B}:以无人机重心为原点，固连在无人机上，X轴在无人机对称平面内平 行于设计轴线指向机头，Y轴垂直于无人机对称平面指向机体右侧，Z轴在对称平面内垂直 于X轴指向机身下方； 摄像机坐标系{C}:以摄像机光心为原点，X轴与Y轴分别平行于图像的纵向和横向直 线，Z轴为摄像机光轴，与图像平面垂直；定义摄像机光轴与{B}的XOY平面夹角为高低角 α，光轴在平面之上为正；光轴与{B}的XOZ平面夹角为方位角β，光轴在平面右侧为正； 图像坐标系{1}:以图像左上角点为原点二维坐标系，X轴平行于图像最左侧纵向像素 连线，Y轴平行于横向像素连线，坐标值X和y分别表示像素的行数和列数； 机体大地过渡坐标系{GB}:以无人机重心为原点，X、Y、Z各轴平行于大地坐标系{G}。5. 根据权利要求4所述的一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特 征在于，所述坐标系之间的关系包括： 根据定位信息和地球模型得到{Β}原点在{G}下的坐标结合机 体的俯仰角Θ、偏航角φ、滚转角φ得到{Β}在{G}下的表示JT和{Β}在{G}下的表示 "丁 * Xl 1 ·由坐标系定义得出，{B}在{GB}下的表示=T和{B}在{GB}下的表示：T为：摄像机坐标系{C}相对于{B}的位姿由摄像机固定位置高低角 α和方位角β决定，{C}在{B}下的表示为：I. 图像坐标系与摄像机坐标系关系由摄像机内参数确定，摄像机内参数包括图像中心坐 标中1_=(\1_，171_，1)'焦距1比例因子入；由中心透视投影模型可知，图像中心像 素坐标在摄像机坐标系{C}下坐标表示为屮^ nt= (0,0，f) τ，则{1}在{C}下的表示为：6.根据权利要求5所述的一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特 征在于，所述摄像机的光轴与地面的交点为Α，摄像机光轴线上的单位向量为i，i在摄像机 坐标系的齐次坐标系为午i= (〇,〇, 1，I) τ，根据摄像机的位姿由公式（5)，可得机体坐标系 {Β}下的表示bP1:I 根据飞机的位姿由公式（1)，求得大地坐标系{G}下的表示tiP1:根据透视成像原理和成像三角形关系，由飞机高度计算得到光轴与地面交点A在{G} 下的坐标sPa，再根据公式（2)求出bPa; 无人机发现目标后，由所选目标点t在图像坐标系{1}下的齐次坐标1Pt = (1Xt, I 1，1)τ，根据公式（6)得出ePt，继而可依次求出BP t、sPt:7.根据权利要求6所述的一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法，其特 征在于，根据式（7)和（8)，结合式（3)和所求得的bPa，分别求得sPJP raPto= gPa,则误差为由此方程组求出姿态角给定值0t、φ JP φ t; 由飞行航迹中飞机期望位置ijJ^和飞机当前位置tiPe。的误差根 据横侧向控制律求出滚转角给定值Φ ^根据纵向控制律分别求出俯仰角给定值结合任务权重λ"分配目标跟踪和航线跟踪的姿态角给定值，得到总输出以此作为飞行控制的内环给定，伺服控制无人机各舵面，实现目标定位跟踪过程中的 视觉伺服控制。
【专利摘要】本发明属于无人机飞行控制与机器视觉交叉融合的技术领域，具体涉及一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法。所述方法建立大地坐标系、机体坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系、机体大地过渡坐标系，通过上述建立的坐标系之间的关系，根据目标的成像序列，进行目标的定位及目标跟踪的姿态角给定值和航线跟踪的姿态角给定值的计算，完成视觉伺服控制。本发明仅需使用单一固定相机对目标成像，通过控制无人机位姿，实现对机动目标的高精度连续定位跟踪，该方法无需跟踪云台和激光测距设备，有效地降低了载荷的体积和成本，提高了侦察的隐蔽性。
【IPC分类】G01C21/16, G05D1/08, G05D1/12
【公开号】CN105353772
【申请号】CN201510785505
【发明人】王立鹏, 刘培强, 周英伟, 韩松, 樊鹏辉, 王小刚, 杨超峰
【申请人】中国航天时代电子公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月16日