一种基于多图像的四旋翼飞行器增稳系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及飞行器及无人机在农田小区域作业时位置稳定的技术应用，特别设及 一种基于多图像的四旋翼飞行器增稳系统与方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代农业的发展，飞行器W及无人机在监测农田病虫害、农作物生长情况和 农田水利情况上的应用愈加广泛，在其采集农田信息的基础上，做到准确施肥和喷洒农药， 降低成本、增加可靠性。而要实现运些要求，便需要飞行器在作业过程中保持高度和姿态的 稳定。目前，增稳系统在小型飞行器的控制系统中起到越来越重要的作用。小型飞行器的 增稳系统除了增稳算法外，还要求物理系统的体积小、重量轻。目前数字式增稳系统应用较 多，数字式增稳系统的构成主要是单片机和外围电路，外围电路采用mpu6050等S轴巧螺 仪传感器，增稳系统主要是靠算法来处理指令信号和传感器返回的反馈信号，并向飞行器 相应的执行单元发送控制信号，使得飞行器能够在稳定状态下飞行。但是，对于数字增稳系 统，其电路搭建有时过于复杂，且传感器信号容易受外界干扰，算法较为复杂，处理层次过 多时易引起信号误差较大。而对于多相机增稳系统，现可利用图像来确定飞行器的姿态，减 小采样和控制误差，W提高控制精度。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于多图像的四旋翼 飞行器增稳系统与方法，采用多相机W实现飞行器周围环境的采样，图像处理后比较分析 得出飞行器位置及姿态变化进而发出相应的调整指令，W此实现飞行器的增稳。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 阳〇化]一种基于多图像的四旋翼飞行器增稳系统，包括：
[0006]分别布置在飞行器前侧、左侧和右侧的带有红外接收器的=个可控相机，在飞行 器到达需求高度时，各个相机利用红外接收器接收遥控器的命令按照设定周期进行图像采 集；
[0007]设置在飞行器上的与所述=个可控相机连接的图像处理器，图像处理器对各个 相机采集的图像进行提取，每幅图像中在固定坐标位置选定目标物，图像处理器基于Mean Shift算法分别跟踪每个相机中所规定的目标物；
[0008]设置在飞行器上的与所述图像处理器连接的单片机，单片机接收所述图像处理器 的计算结果，W各个相机第一次拍摄的图像为基准，其后各个相机每个周期内拍摄的图像 的目标物均与相应的原始目标物的坐标位置进行比较，通过每一侧不同拍摄周期的图像对 比，进行飞行器的姿态和位置判断，并根据判断结果输出信号控制飞行器的调整，达到姿 态、位置反馈，反复此过程进而实现飞行器的增稳。
[0009] 本发明还提供了一种基于多图像的四旋翼飞行器增稳方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤1:在飞行器前侧、左侧和右侧分别布置一个带有红外接收器的可控相机，在 飞行器到达需求高度时，各个相机利用红外接收器接收遥控器的命令按照设定周期进行图 像义集；
[0011] 步骤2:每次采集的图像传输至设置在飞行器上的图像处理器，在每幅图像中建 立二维直角坐标系，并在固定坐标位置选定S个目标物，基于Mean Shift算法跟踪每幅图 像每个选区的目标物；
[0012] 步骤3: W各个相机第一次拍摄的图像为基准，其后各个相机每个周期内拍摄的 图像的目标物均与相应的原始目标物的坐标位置进行比较，如果各幅图像中=个目标物的 坐标变化不超过预设的误差值，则认为飞行器稳定悬停，即姿态未变化，如果某一幅图像或 多幅图像中的S个目标物的坐标同时变化，则认为飞行器姿态发生变化，通过前后图片的 目标物的位置差值，从而计算出飞行器姿态调整所需的控制量，W控制飞行器的姿态，保证 飞行器稳定；
[0013] 步骤4 :根据步骤3的判断结果，对飞行器进行姿态控制，多相机与图像处理反复 工作使飞行器不断进行姿态调整，直到与基准各个目标物满足偏离误差。
[0014] 所述步骤2中，应用基于Mean Shift的目标跟踪算法，在每幅图像中建立二维直 角坐标系，并在固定坐标位置选定=个目标物，提取帖图像的多种特征，得到显著图，即一 幅和原始图像大小相同的二维图像，其中的每个像素值表示原图像对应点的显著性大小， 在此基础上建立目标模型的直方图，然后运用Mean Shi ft算法进行跟踪。
[0015] 所述步骤2中，分别在每个相机所捕获的初始帖图像中选取=个坐标固定的目标 物，坐标分别为（xl，yl)、（x2，y2)和（x3，y3)，假设目标物初始位置在坐标中屯、，通过分别 比较=组视频序列中目标物坐标位置的偏移量，从而判别飞行器的状态。
[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0017] (1)提高稳定精度，图像采集方法的增稳精度为像素级，而现有电子式增稳系统受 电磁干扰、传感器精度等影响精度为分米级，且受传感器限制，速度较慢的自身漂移无法监 测和矫正。
[0018] (2)通过安装多相机进行图像采集，处理器进行图像处理与飞行器控制，避免了对 多种复杂电路的设计与使用。
[0019] 做采用算法进行飞行器控制，增加使用期限，减小因硬件损坏导致控制作用无法 运行的可能。
[0020] (4)使用多相机不会对原始周围环境的采集有所影响，减小因图像等外界误差导 致的飞行器误操作。
[oow 妨器件种类少，数据传输可靠，精度较高，可适用于较复杂的环境。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明的飞行器及相机固定位置示意图。
[0023] 图2是本发明选取图片时坐标轴建立示意图。
[0024] 图3是本发明选取的基准图片，固定选区，S个框分别对应左、前、右S个相机的 图像。
[00对图4是本发明选取的姿态图片1，追踪选区，立个框分别对应左、前、右立个相机的 图像。 阳0%] 图5是本发明选取的姿态图片2,追踪选区，=个框分别对应左、前、右=个相机的 图像。
[0027]图6是本发明Mean shift算法流程示意图。
【具体实施方式】
[002引下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0029] 如图1所示，本发明所述四旋翼飞行器包括四轴飞行器、处理器、S台相机和其他 控制器。器件除相机外集中在飞行器中屯、4,相机A、5装在飞行器的前端，相机B、6装在飞 行器的左侧，相机C、7装在飞行器的右侧。四轴飞行器四轴在结构上采用了四个旋翼1为 飞行的基本动力源，四个旋翼1通过支架3连接在飞行器中屯、4。同时四个旋翼1两两对称 分布于机身的前后和左右四个方向，四个旋翼1位于同一水平高度，并且各个旋翼1的半径 和结构都一样，一组相对的旋翼1逆时针方向旋转，另一组相对的旋翼1顺时针方向旋转， 四个无刷电机2对称分布于飞行器支架的末端，支架的中央交叉空间可W安放飞行姿态控 制处理器、和传感器及其它外部拓展的设备。由于两组旋翼1 W相反方向旋转，因此当飞行 器平衡飞行时，产生的空气动力扭矩效应W及巧螺效应均被相互抵消，因此，四轴飞行器能 够抵抗一定的外部干扰，保证自身的稳定及受遥控器的控制。从上述结构和原理可W看出， 四轴飞行器及其多相机的机械结构简单直观，可灵活控制，是用于增稳的最佳设备。
[0030] 本发明所述基于四轴飞行器的多相机增稳系统由=个小型可控相机组成。多相机 的图像采集能力是本系统的必要条件，同时也是本系统的显著特征。本系统利用现有的两 轴舱机云台来支撑和调节本发明所述系统。
[0031] 当飞行器需要位置保持时，遥控器发出信号，各个相机接受指令开始进行拍摄。 且相机设定有拍摄周期，采集到的图像传输到处理器中，进行每张图像的处理并利用Mean Shift算法跟踪出每张图像中所规定的目标物。第一次拍摄后，左、右、前侧图像传输到图像 处理器中进行处理得到显著图并规定坐标系，每个相机显著图的坐标设定如图2所示。分 别在每个相机所捕获的某帖图像中从左到右选取现实中的=个目标物，每个相机的图像的 坐标分别为（xl，yl)，（x