基于協(xié)同無人機的感興趣目標定位

馬俊杰，黃大慶，王金勐，龔永富

(1.南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京 210016；2.南京航空航天大學 中小型無人機先進技術(shù)工信部重點實驗室，南京 210016)

0 引言

無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)，作為由人員操控的無人機載平臺，隨著越來越多地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其能夠作為空中可移動監(jiān)視平臺的作用無論是在軍事還是在民用領(lǐng)域都得到了長足的發(fā)展。對地面目標定位是其作為空中監(jiān)視平臺的重要需求之一，對地面感興趣目標定位的目的是通過無人機所配備的傳感設(shè)備，結(jié)合其飛行數(shù)據(jù)，求解感興趣目標在參考坐標系下的位置信息。目前，通過無人機對感興趣目標進行高精度定位已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究重點。

通過無人機對地面感興趣目標定位，根據(jù)其定位機制的不同主要可以分為兩類，有源定位和無源定位。有源定位是通過在無人機上加裝激光測距儀，根據(jù)測距結(jié)果以及無人機自身的飛行數(shù)據(jù)對目標進行定位，但是搭載載荷較多，對無人機自身性能要求較高，且容易暴露自身位置[1]。無源定位通過光學載荷獲取地面目標圖像，通過圖像解算目標方位信息。樊邦奎、段連飛等人[2]提出通過無人機在空間中拍攝序列圖片，實現(xiàn)兩點交會的目標定位方法，但是定位精度較低。文獻[3]假設(shè)目標高度為零，對地面感興趣目標進行定位，并通過擴展卡爾曼濾波來提高定位精度。然而，這種方法只適用于平坦地面上的位置。文獻[4]建立了空間三點交會的目標定位模型，結(jié)合傳統(tǒng)的空間后方交會原理，利用差分進行目標定位，但是需要無人機對目標跟蹤并多次拍攝，定位效率與實時性較低。

針對以上問題,本文設(shè)計了一種機載在線實時定位的協(xié)同無人機感興趣目標定位系統(tǒng)，提出了利用三架無人機針對同一感興趣目標同時進行觀測，根據(jù)獲取到的多幅圖像，結(jié)合無人機飛行數(shù)據(jù)，通過主機搭載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)機載在線實時目標定位。針對三架無人機觀測精度上存在的差異，建立了基于內(nèi)三角質(zhì)心算法的定位模型，更好的減小了誤差帶來的影響。通過數(shù)值模擬與飛行試驗證明通過三架無人機協(xié)同對感興趣目標進行定位可以更好地利用觀測數(shù)據(jù)，能夠有效地提高定位效率與定位精度。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無人機協(xié)同感興趣目標定位系統(tǒng)主要由三架四旋翼無人機記載平臺以及地面站組成。四旋翼無人機分為主機與僚機，主機單獨配備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主機與僚機搭載相同的飛行控制系統(tǒng)以及無線傳輸系統(tǒng)。其中，飛行控制系統(tǒng)負責飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定，并通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸無人機飛行信息，包括無人機的姿態(tài)信息以及位置信息。光電平臺包含機載攝像機以及云臺控制系統(tǒng)。無線傳輸系統(tǒng)負責主機與僚機，主機與地面控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

目標定位系統(tǒng)利用三架無人機協(xié)同對同一感興趣目標進行定位，如圖1所示，主機與僚機在對目標定位的過程中，將采集到的圖像信息通過與地面控制系統(tǒng)進行通信，傳輸已獲取數(shù)據(jù)。地面操作人員控制光電平臺轉(zhuǎn)動，當感興趣目標出現(xiàn)時，光電平臺鎖定目標，同時，無人機的飛行控制系統(tǒng)輸出無人機的飛行數(shù)據(jù)，包含無人機的位置坐標和姿態(tài)信息，傳感器測量攝像機的方位角和俯仰角，通過無線傳輸系統(tǒng)將信息傳輸?shù)街鳈C的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過無人機協(xié)同目標定位算法求解感興趣目標坐標。

圖1 感興趣目標定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件平臺設(shè)計

1.2.1 機載平臺

為了適應(yīng)比較復雜的飛行環(huán)境，更好地對地面目標進行觀測，本系統(tǒng)選用能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、空中懸停、飛行性能優(yōu)越的四旋翼無人機作為機載平臺。

1.2.2 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)主要包含飛行控制器、慣性測量單元(IMU)和負責定位的全球定位系統(tǒng)(GPS)等幾個部分。

飛控選用了STM32F427處理器，采用雙處理器工作模式，另外還配備一個定位于故障應(yīng)對的處理器STM32F103，主要是為了防止當主處理器發(fā)生意外故障時停機導致無人機墜毀。

慣性導航測量單元選用ADXRS620工業(yè)級的陀螺儀和ADXL203工業(yè)級別的加速度計組成的外置(SPI接口的)IMU，可以通過SPI總線傳輸，SPI最大讀取速率5 kHz，并且具有較低的功耗和較好的抗干擾能力，適用于無人機機載。

GPS采用NEO-M8N高精度定位模塊。

1.2.3 無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)采用YL-100IL模塊，通過該無線傳輸模塊將各僚機的飛行數(shù)據(jù)以及攝像機的方位角俯仰角傳輸至主機的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。YL-100IL載頻315～915 MHz，具有低功耗，傳輸距離長，故障率低等特點。利用串口與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通信。

圖像傳輸模塊采用瑞鷹5.8 G～2 W模擬圖傳，傳輸距離可以高達5～15 km，該模塊抗干擾能力強，具有優(yōu)秀的圖像傳輸能力。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

主機配備的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Raspberry pi 3b+，采用了BCM2837B0處理器。CPU由1.4 GHz 64位4核 ARM Cortex-A53組成，可以滿足對感興趣目標的坐標解算。此外, Raspberry pi 3b+具有低功耗的特點，整體功耗低于7.5 W，適用于無人機機載目標定位任務(wù)。

該系統(tǒng)的主要任務(wù)為通過無線傳輸系統(tǒng)接收各僚機的飛行與姿態(tài)數(shù)據(jù)及其攝像機的方位角和俯仰角，結(jié)合主機獲取的數(shù)據(jù)，利用無人機協(xié)同目標定位算法實現(xiàn)機載實時解算地面感興趣目標的坐標。

1.2.5 地面控制系統(tǒng)

地面控制站處理器為Intel Core i5-7300HQ，主頻為2.50 GHz，主要有以下幾個功能：1) 觀測實時采集的視頻信息；2)遠程控制無人機的光電平臺轉(zhuǎn)動以鎖定目標；3)實現(xiàn)無人機的航跡規(guī)劃。

2 協(xié)同目標定位算法

2.1 雙像交會目標定位

本文的參考坐標系為大地直角坐標系。將坐標變換的旋轉(zhuǎn)矩陣表示為R，平移矩陣表示為T：

(1)

由此可以將目標坐標表示為：

(2)

其中:R=RBRNRG，RGRN和RB是坐標系坐標變換的旋轉(zhuǎn)矩陣，G代表大地直角坐標系，N為NEU坐標系，而B代表載機坐標系。(XC,YC,ZC)為目標在攝像機坐標系中的坐標，(XG,YG,ZG)是目標大地直角坐標系中的坐標[5]。

根據(jù)中心透視投影的成像原理，在進行地面感興趣目標定位任務(wù)時，當無人機使用所配備的攝像機觀測地面目標點A，獲取到的航拍圖像是目標的中心投影，相應(yīng)的像點a和攝像機的光學中心共線。

故由中心透視成像關(guān)系可得：

(3)

其中:M為中心透視投影的投影矩陣：

(4)

由公式(3)、(4)聯(lián)立可得：

(5)

如圖2所示，通過兩架無人機在不同處觀測同一個地面感興趣目標A，地面控制站通過數(shù)據(jù)鏈路獲取目標A的圖像信息并控制光電平臺鎖定目標，得到圖像的像點坐標數(shù)據(jù)A1，A2，在誤差可以忽略時，兩架無人機所搭載的相機光學中心與像點的射線交匯于目標點A。由此根據(jù)公式(5)可以得到4個方程，從而解算出目標點A的坐標(XA,YA,ZA)。

圖2 雙像交會目標定位

2.2 內(nèi)三角形質(zhì)心算法

通過無人機攝像機獲取感興趣目標信息時，由于目標的物距遠遠大于相機的焦距，所以無人機目標定位的精度容易受到噪聲干擾。本文基于雙像交會視覺定位原理，通過三架無人機對同一個地面感興趣目標進行觀測，獲取多張包含目標信息的圖像，并通過質(zhì)心算法來提升定位精度。

利用三架無人機協(xié)同獲取包含同一地面感興趣目標點的圖像，根據(jù)第二節(jié)中的坐標系轉(zhuǎn)換公式(2)以及中心透視投影的成像原理，以地面感興趣目標點A的坐標(XA,YA,ZA)作為未知量，引出下式：

(6)

由上述雙像交會視覺定位原理可以得到目標點在參考坐標系中的位置坐標為：

(7)

其中:

由于圖像噪聲的存在，圖像有效信息的提取也會受到影響，為了減少冗余誤差信息的干擾，引入內(nèi)三角質(zhì)心算法，采用最優(yōu)估計方法來提高定位精度。

表1 內(nèi)外部元素數(shù)據(jù)

目標點A點的坐標為(XA,YA,ZA),由此可得感興趣目標點坐標的估計值應(yīng)該滿足以下目標函數(shù)：

(YA-YAi)2+(ZA-ZAi)2，i=(1,2,3)

(8)

要滿足式(8)，則由內(nèi)三角形質(zhì)心算法可知，各變量值與其平均數(shù)的離差平方之和等于最小值[6]，由此可得目標點A坐標的最優(yōu)估計為：

(9)

由此得到地面感興趣目標點A的坐標(XA,YA,ZA)。

3 實驗與分析

3.1 數(shù)學仿真實驗

為了驗證算法的正確性，利用本文提出的目標定位算法來計算表1三組圖像中的地面感興趣目標點A的坐標，并與真值作比較。得到結(jié)果:

XA=[λA=32.041151°φA=118.830066°hA=100 m]T與真值相同，驗證了算法的正確性。

3.1.1 仿真實驗一：目標定位魯棒性分析

蒙特卡羅方法[7]是一種通過預(yù)設(shè)參數(shù)誤差對數(shù)值進行隨機初始化，模擬產(chǎn)生影響的方法。本實驗通過蒙特卡洛方法，針對無人機定位魯棒性進行數(shù)值仿真實驗。本文在充分考慮樣本數(shù)量，以及保證計算時間的情況下，通過蒙特卡洛方法模擬無人機協(xié)同定位算法針對感興趣目標定位誤差源的樣本值[8]。各誤差源的隨機方差根據(jù)機載飛行平臺以及攝像機云臺系統(tǒng)輸入。為了驗證本系統(tǒng)的定位魯棒性，以表2中的參數(shù)誤差數(shù)據(jù)為例，通過對本系統(tǒng)以添加隨機測量誤差驗證系統(tǒng)目標定位魯棒性。

針對上文建立的基于協(xié)同無人機的感興趣目標定位模型[9]，結(jié)合表2的誤差參數(shù)模型，以蒙特卡洛隨機序列為10000次進行仿真。仿真結(jié)果如圖3所示，其中圖3(a)、(b)、(c)分別為經(jīng)度坐標誤差分布、緯度坐標誤差分布和其高程位置坐標誤差分布，由此可以看出基于協(xié)同目標定位算法的感興趣目標定位坐標誤差服從正態(tài)分布，圖3(d)為目標在空間中的位置分布。對仿真結(jié)果求均值，得到經(jīng)度誤差為0.000 186°，緯度誤差為0.000 161°，高程位置誤差為9.56 m，換算為地面感興趣目標的位置結(jié)果與真值的位移偏差為26.6 m。結(jié)果表明，通過協(xié)同定位算法所得結(jié)果避免了較大誤差，可以有效平衡隨機誤差，具有較高的魯棒性。

表2 參數(shù)誤差值

圖3 目標定位結(jié)果

3.1.2 仿真實驗二：目標定位精度分析

由于本文提出的通過協(xié)同無人機對感興趣目標定位能夠有效利用多幅圖像的信息，并通過最優(yōu)估計降低定位誤差，具有較高的魯棒性，并且對測量誤差的具有較高的平衡能力。為了驗證這一特性，將該方法與單機定位方法[10]進行比較。對飛機坐標添加誤差，從0～60 m，間隔1 m，繪制隨誤差變化的定位精度曲線如圖4(a)所示。對圖像的像點坐標添加誤差，從0～80像素，間隔1個像素，繪制隨誤差變化的目標定位精度曲線如圖4(b)所示。隨著像點坐標誤差與飛機坐標誤差的增大，單機目標定位系統(tǒng)和本文所提出的協(xié)同定位系統(tǒng)的定位精度均近似線性下降。通過圖4可以看出，對于同一誤差水平的每組圖像，本文所提出的基于協(xié)同無人機的感興趣目標定位方法的精度明顯高于單機目標定位方法。

圖4 目標定位精度分析

3.2 飛行驗證實驗

在本節(jié)中，通過飛行測試數(shù)據(jù)驗證本文提出的協(xié)同無人機對感興趣目標定位系統(tǒng)。為了驗證該系統(tǒng)，在外場環(huán)境下進行了飛行試驗。同時使用3架無人機對感興趣目標進行觀察。無人機主機與僚機配備光電平臺(分辨率1920×1080像素大小4.2 μm)，無人機飛行高度約100 m，無人機如圖5所示。

圖5 無人機

通過三架無人機協(xié)同定位地面感興趣目標，共測試十次，無人機拍攝感興趣目標圖像如圖6所示，對誤差結(jié)果取均值，得到感興趣目標定位的誤差結(jié)果為:B=2.6310×10-5(°)，L=1.1563×10-5(°)，H=3.43(m)，D=4.82(m)，其中B代表經(jīng)度誤差，L代表緯度誤差，H代表高程位置誤差，D代表誤差距離。

圖6 感興趣目標

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有無人機目標定位的局限性，設(shè)計了一種新的協(xié)同無人機對感興趣目標定位系統(tǒng)。通過三架無人機同時觀測同一地面感興趣目標，建立了基于共線方程的無人機協(xié)同目標定位數(shù)學模型。通過內(nèi)三角形質(zhì)心算法對模型進行機載在線實時求解，充分利用了觀測數(shù)據(jù)中的有效信息，減少誤差信息的干擾。最后，通過數(shù)值模擬實驗和外場飛行實驗驗證了該系統(tǒng)具有較高的定位精度以及魯棒性。結(jié)果表明，該基于協(xié)同無人機的感興趣目標定位系統(tǒng)不僅能有效提高目標定位實時性，也能提高目標定位的效率與定位精度，在現(xiàn)實的工程應(yīng)用中有較大的應(yīng)用潛力。