CN108733066B - 一种基于吊舱姿态反馈的目标跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于吊舱姿态反馈的目标跟踪控制方法。在已知目标检测成像结果的前提下,考虑到吊舱的2个姿态角(俯仰角和偏航角)的输出是已知的,同时吊舱和无人机是捷联的,因此可以利用吊舱的姿态信息来生成所需的角度输入,进而产生吊舱速度控制指令,从而使得目标保持在视场中心。通过该方法能够快速准确的控制吊舱的旋转,使得目标在视场中心。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制技术领域,特别是涉及一种无人机机载吊 舱在线控制跟踪目标的方法。
背景技术
无人机在执行目标跟踪任务的过程中,一般要求能够锁定目标, 也就是说尽可能的使得目标在视场中心。要实现这个任务,仅仅依靠 相机是无法实现的,因此需要带有旋转功能的吊舱来实现。
由于低成本且小型化,无人机的机载载荷重量和体积有限,因此 一般小型无人机携带的吊舱都为二自由度的吊舱(三自由度吊舱相对 重,体积相对大),而实现吊舱的目标跟踪控制是一个难点。
关于吊舱的目标跟踪控制方法,目前常规的方法主要是基于纯图 像像素的吊舱跟踪控制,这种控制方法的参数调试与无人机和目标的 运动紧密相关,不同场合可能需要多次调试不同的控制参数。因此从 通用性的角度出发,需要一种能够适用于大多数吊舱目标跟踪的控制 方法。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明的目的是提供一种基于吊舱姿 态反馈的目标跟踪控制方法,通过该方法能够快速准确的控制吊舱的 旋转,使得目标在视场中心。
具体地,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种基于吊舱姿态反馈的目标跟踪控制方法,该方法 是在已知目标检测成像结果的前提下,通过本发明提供的上述控制方 法,能够快速准确的控制吊舱的旋转,使得目标在视场中心,具体实 施步骤如下:
(1)确定吊舱坐标系到摄像机坐标系的旋转的顺序为先偏航后 俯仰最后再滚转。考虑到吊舱没有滚转角的自由度,而且如果要保证 目标在视场中心,滚转角只会影响目标在中心的朝向(将目标看出区 域),旋转滚转角并不会使得目标偏离中心,因此将滚转角的旋转定 义在最后。
(2)定义坐标系和转换关系
关于吊舱坐标系、摄像机坐标系:
摄像机坐标系ocxcyczc原点为相机的光心,ocxc和ocyc轴与图 像的u,v轴平行,oczc轴为相机光轴,焦距为f,ocxc和ocyc方向的 有效焦距分别为fx和fy;吊舱坐标系opxpypzp的原点为吊舱安装轴 的中心点,opxp和opyp轴分别为吊舱的右侧和正前方,opzp满足 右手法则。
如图1所示,为摄像机坐标系到吊舱坐标系的方向余弦矩阵, 为tj时刻吊舱坐标系到ti时刻吊舱坐标系的方向余弦矩阵(其中 i,j=0,...k,i≠j),对应的欧拉角为分别表示偏航角,俯 仰角和滚转角。为tj时刻摄像机坐标系到ti时刻摄像机坐标系的 方向余弦矩阵(其中i,j=0,...k,i≠j),对应的欧拉角为
(3)计算目标偏离视场中心的大小(Δu,Δv)
其中(u0,v0)是图像的中心点,也叫主点坐标,(u1,v1)是检测到的 目标在图像中的成像位置坐标。
Δψ表示偏离的偏航角。参见图3,图3为目标u方向上的角度 示意图。
与现有技术相比,本发明能够产生以下技术效果:
本发明是在已知目标检测成像结果的前提下,考虑到吊舱的2个 姿态角(俯仰角和偏航角)的输出是已知的,同时吊舱和无人机是捷 联的,因此可以利用吊舱的姿态信息来生成所需的角度输入,进而产 生吊舱速度控制指令,从而使得目标保持在视场中心。通过该方法能 够快速准确的控制吊舱的旋转,使得目标在视场中心。
附图说明
图1是舱坐标系和摄像机坐标系转换示意图。
图2是目标图像像素位置示意图。
图3是目标u方向上的角度示意图。
具体实施方式
下面对本发明的进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易 于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明 确的界定。
本发明是在已知目标检测成像结果的前提下,通过本发明提供的 上述控制方法,能够快速准确的控制吊舱的旋转,使得目标在视场中 心。
下面给出一具体实施例:
假设摄像机的焦距为fx=fy=1000,分辨率为1280×720;摄像机 坐标系到吊舱坐标系的方向余弦矩阵为单位矩阵;上一时刻tk吊 舱旋转的欧拉角为当前目标的成像位置 像素坐标为(u1,v1)=(740,560)。需要获得当前时刻tk+1时的吊舱控制速 度控制回路中的角度输入
采用本发明提供的方法获得2自由度吊舱的输入角,具体实施流 程如下:
1)根据已知条件和公式(1)计算出目标在偏离偏离视场中心的 大小
2)根据公式(2)计算出目标距离上一时刻偏离的角度
6)根据5)的结果可以获得2自由度吊舱的角度输出(单位为 度)
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已,并不用于限制本发明, 对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本 发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应 包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于吊舱姿态反馈的目标跟踪控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)确定吊舱坐标系到摄像机坐标系的旋转的顺序为先偏航后俯仰最后再滚转;
(2)定义坐标系和转换关系
关于吊舱坐标系、摄像机坐标系:
摄像机坐标系ocxcyczc原点为相机的光心,ocxc和ocyc轴与图像的u,v轴平行,oczc轴为相机光轴,焦距为f,ocxc和ocyc方向的有效焦距分别为fx和fy;吊舱坐标系opxpypzp的原点为吊舱安装轴的中心点,opxp和opyp轴分别为吊舱的右侧和正前方,opzp满足右手法则;
为摄像机坐标系到吊舱坐标系的方向余弦矩阵,为tj时刻吊舱坐标系到ti时刻吊舱坐标系的方向余弦矩阵,其中i,j=0,...k,i≠j,对应的欧拉角为分别表示偏航角,俯仰角和滚转角;为tj时刻摄像机坐标系到ti时刻摄像机坐标系的方向余弦矩阵,对应的欧拉角为
(3)计算目标偏离视场中心的大小(Δu,Δv)
其中(u0,v0)是图像的中心点,也叫主点坐标,(u1,v1)是检测到的目标在图像中的成像位置坐标;
其中:Δψ表示偏离的偏航角;
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