基于多旋翼防水型无人机的弱小目标纵向精确测距方法与流程

本发明涉及一种基于多旋翼防水型无人机的弱小目标纵向精确测距方法。

背景技术：

由于使用无人机(UAV)的成本低廉，近年来无人机的使用都呈现出爆发式增长的态势。无人机的潜在用户呈现出多样性的特征，无人机的具体应用领域包括野外勘测、地图绘制、媒体报道、送货、军事侦察、保护、野外搜索和救援等。

常见飞行器通常被分为固定翼、直升机和多旋翼。多旋翼因优良的操控性能迅速成为航拍和航模运动领域的新星。目前，多旋翼已经成为微小型无人机或航模的主流。无人多旋翼飞行器：由多组动力系统组成的飞行平台，一般常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至更多旋翼组成。多旋翼机械结构非常简单，动力系统只需要电机直接连接螺旋桨就行。优点是机械简单，能垂直起降。对于目前多旋翼产品，一般分半自主控制方式和全自主控制方式。在操控性方面，多旋翼的操控是最简单的。不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中悬停。它的操控原理简单，操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面，多旋翼无人机的自动控制方法简单，控制器参数调节也相对容易；然而多旋翼也有自身的发展瓶颈，例如：螺旋桨的上下振动会导致刚性大的螺旋桨很容易折断。为了使多旋翼无人机完成更好的飞行，避障技术无疑能够为其提供更加稳定的导航性能。新的技术完全可以从视觉和雷达角度出发，采用普通摄像机充当无人机的“眼睛”并研发出识别障碍软件，从而使多旋翼无人机能够具备识别障碍的能力，进而实现自我导航。视觉定位与跟踪技术方面，现在的开源飞控应用能够使飞行器跟随用户的需求，并将用户保持在摄像头中心。OpenCV开源软件也同样有很多检测 与跟踪算法供飞行器开发。但目前无人机的应用仍处于初期阶段，对于无人机的设计师和开发者而言，要想向市场投放有竞争力的产品并让它们顺利工作，仍然面对许多挑战。例如：无人机通常利用在被跟踪目标上放置GPS装置进行定位和跟踪。这种方式会在某种程度上会影响用户体验。此外，对于没有GPS信号的情况、目标不便于放置GPS装置或非自愿携带GPS设备的用户，该方式就会失效。因此，使用非接触式光学与图像处理技术，使得无人机对目标的定位和跟踪更加可行。对于此情况，主要应当解决好两方面的因素：1)全天候的多旋翼无人机的飞控能力；2)基于非接触式光学与图像处理技术的无人机定位能力。

对于全天候的多旋翼无人机的飞行控制能力，主要是解决无人机的防水与飞行控制中的稳定性问题。无人机机身里的电机与传感器等电子设备的防水，在工程上可以利用相关技术加以解决。机载摄像机的防水十分复杂，目前无人机的机载防水摄像机的生产厂家较少，且几乎完全需要进口、防水摄像机的价格高昂。通常国内无人机生产厂家对云台摄像机防水的办法是挂载和加装如图9所示的防水壳，该类型防水壳普遍采用在国内的防水无人机上，存在的主要问题是形状的不规则易导致多旋翼无人机在强风情况下受力不均，从而引起无人机飞行的不稳定。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于多旋翼防水型无人机的弱小目标纵向精确测距方法，主要实现了：1)全天候的多旋翼无人机的飞控能力，较好的防水性能及稳定性能；2)基于非接触式光学与图像处理技术的无人机定位能力，精确的测出前方弱小目标与无人机之间的纵向距离。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于多旋翼防水型无人机的弱小目标纵向精确测距方法，包括以 下步骤：

1)在无人机上通过机械方法安装半球形防水罩，半球形防水罩包括半球形防水外壳、底座、调节装置以及连接支架，测距之前，将事先标定过的机载摄像机安放在半球形防水外壳内，将底座与半球形防水外壳密封连接，连接支架与底座连接，调节装置连接在连接支架的端部；

2)安装好后，无人机升空工作，依据摄像机内部参数的标定结果和摄像机模型下的成像关系进行参数测算；

3)通过无人机上的小型机载摄像机测试：摄像机光心设为O_c，记录O_c与路面垂直的点为I，摄像机光轴与路面相交于点G，光轴长度为O_cG，摄像机光轴与图像平面相交于点g；

4)通过摄像机进一步从摄像机视场中拍摄到的路面上与摄像机纵向距离最近的近视场点Q，并记录下对应图像下边沿上的像素点q；

5)使用基于图像的目标检测算法获取目标轮廓的边缘坐标值，记录前方目标的下边缘点H，并记录点H在成像平面内对应的像素点为点h，点H到摄像机的纵向距离d₂即为前方弱小目标与无人机之间的纵向距离。

作为优选，所述半球形防水外壳与所述底座密封连接，所述连接支架连接在所述底座的外侧，在所述连接支架内装设所述调节装置。

作为优选，所述半球形防水外壳由透明壳和塑料圈两部分组成，所述塑料圈与所述底座之间螺纹密封连接。

作为优选，所述底座中心位置设有安装孔，在所述安装孔内设置六角螺母。

作为优选，所述连接支架由螺纹端、侧面开口的槽口端以及杆部组成。

作为优选，所述螺纹端与所述六角螺母紧固连接，所述调节装置横向设置在所述连接支架的槽口端内。

作为优选，所述调节装置由螺杆部和球形调节部部组成，所述螺杆部位于所述连接支架槽口端侧面开口处，并且所述调节装置的调节端通过螺丝固定。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点是：本发明提出一种新型的用于多旋翼无人机的半球型防水罩，可以有效保护安装在无人机云台上的机载摄像机免于雨水侵袭，由于半球型的外形使得无人机在强风中仍可以受力均匀，使得多旋翼无人机的飞行较为稳定；该装置通过机械方法固定在多旋翼无人机云台上，装置具备机械结构简单、自重轻、连接牢固、强风中受力均匀的特点。

机载摄像机放置在该装置的半球形防水外壳内，该装置可以通过机械方法固定在多旋翼无人机云台上，无人机升空作业后，采用非接触式光学与图像处理技术的无人机定位能力，依据近视场点的摄像机成像技术获取机载摄像机与弱小目标之间的纵向距离，以便对地面目标进行精确的测距、定位与跟踪。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明半球形防水外壳示意图。

图3为本发明底座示意图。

图4为本发明连接支架示意图。

图5为本发明调节装置示意图。

图6为本发明六角螺母示意图。

图7为本发明装配示意图。

图8位本发明基于近视场点的摄像机成像原理图。

图9位本发明摄像机坐标系下的成像示意图。

其中：1-半球形防水外壳，2-底座，3-调节装置，4-连接支架，5-容置空腔，6-六角螺母，7-螺丝，8-小型机载摄像机。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例：基于多旋翼防水型无人机的弱小目标纵向精确测距方法，包括以下步骤：

1)参照附图1-7所示：在无人机上通过机械方法安装半球形防水罩，半球形防水罩包括半球形防水外壳、底座、调节装置以及连接支架，测距之前，将事先标定过的机载摄像机安放在半球形防水外壳内，将底座与半球形防水外壳密封连接，连接支架与底座连接，调节装置连接在连接支架的端部；

所述半球形防水罩包括半球形防水外壳1、底座2、调节装置3以及连接支架4，所述半球形防水外壳1由透明壳和塑料圈两部分组成，所述塑料圈与所述底座2之间螺纹密封连接，与底座2连接处采用塑料，利于螺纹与底座2禁锢连接，所述半球形防水外壳1内部设有容置空腔5，小型机载摄像机8安装在容置空腔5内，所述半球形防水外壳1与所述底座2密封连接，所述连接支架4连接在所述底座2的外侧，在所述连接支架4内装设所述调节装置3。

所述底座2中心位置设有安装孔，在所述安装孔内设置六角螺母6，所述连接支架4由螺纹端、侧面开口的槽口端以及杆部组成，所述螺纹端与所述六角螺母6紧固连接，所述调节装置3横向设置在所述连接支架4的槽口端内。

所述调节装置3由螺杆部和球形调节部部组成，所述螺杆部位于所述连接支架4槽口端侧面开口处，并且所述调节装置3的调节端通过螺丝7固定。

利用六角螺母6的配合，连接支架4，底座2均采用塑料结构，这样能最大程度地减轻防水罩的重量，与无人机连接处使用调节装置3，并用一根固定用的螺丝7固定，该方案的优势是设备总体重量非常轻，结构简单且装配容易完成，利用螺纹的啮合能更好地进行防水；

本发明为了实现全天候的多旋翼无人机的摄像机防水能力、稳定功能以及测试的数据的准确性，故需要将小型机载摄像机设置在上述结构的防水罩内，通过设置在上述防水罩中才能为测试数据的准确性提供辅助支撑，以实现最终测距的精确性，因此摄像机在测试过程中的稳定性、防水性等是比较重要的，特别是本发明采用了半球形的防水罩，由于半球型的外形使得无人机在强风中仍可以受力均匀，使得多旋翼无人机的飞行较为稳定；

2)安装好后，无人机升空工作，依据摄像机内部参数的标定结果和摄像机模型下的成像关系进行参数测算；

3)参照附图8-9，通过无人机上的小型机载摄像机测试：摄像机光心设为O_c，记录O_c与路面垂直的点为I，摄像机光轴与路面相交于点G，光轴长度为O_cG，摄像机光轴与图像平面相交于点g；

4)通过摄像机进一步从摄像机视场中拍摄到的路面上与摄像机纵向距离最近的近视场点Q，并记录下对应图像下边沿上的像素点q；

5)使用基于图像的目标检测算法获取目标轮廓的边缘坐标值，记录前方目标的下边缘点H，并记录点H在成像平面内对应的像素点为点h，点H到摄像机的纵向距离d₂即为前方弱小目标与无人机之间的纵向距离；

路面上近视场点Q到机载摄像机的纵向距离为d₁，由摄像机的成像关系存在：

图8中，f_y＝O_cg为摄像机纵向焦距，存在以下关系：

式(2)和(3)中，为图像像素坐标系v轴的尺度因子，d_y为纵向像元间距，v₀、v₁和v₂分别为像素坐标系下的主点g、近视场点q和目标下边缘上点h的纵坐标。图像中车道线的消隐点r对应世界坐标系中的无穷远点R，O_cr平行于路面，存在：

由式(2)、(3)和(4)得到：

综合式(1)、(5)和(6)得到：

式(7)中，内参数v₀和α_y由摄像机标定结果测出，v₁由摄像机镜头的分辨率决定，目标的下边缘位置v₂根据基于图像的弱小目标检测算法测出。由式(7)测出机载摄像机与地面弱小目标之间的纵向距离。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。