基于視覺(jué)的無(wú)人直升機移動(dòng)目標跟蹤技術(shù)研究

摘要：實(shí)現無(wú)人直升機對移動(dòng)目標的跟蹤是一個(gè)較難的技術(shù)，針對這個(gè)問(wèn)題，本文基于計算機視覺(jué)對無(wú)人直升機移動(dòng)目標跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，設計了無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標的總體方案;其次，提出了一種快速識別定位移動(dòng)目標的圖像處理算法，該算法運用了RGB三通道顏色分離和形狀匹配原理并且實(shí)時(shí)性好;最終，將計算機視覺(jué)應用到無(wú)人直升機對移動(dòng)目標跟蹤上，并通過(guò)實(shí)驗驗證了其可行性，結果表明機載視覺(jué)技術(shù)能夠很好地解決于無(wú)人直升機對移動(dòng)目標的跟蹤問(wèn)題。

近年來(lái)隨著(zhù)無(wú)人直升機控制技術(shù)不斷發(fā)展以及應用場(chǎng)合不斷擴大，實(shí)現無(wú)人直升機在移動(dòng)目標上的自主降落已成為無(wú)人直升機發(fā)展的趨勢，這將大大提升無(wú)人直升機執行多種任務(wù)的能力，而實(shí)現該技術(shù)的關(guān)鍵在于對移動(dòng)平臺的跟蹤。在文獻和中已經(jīng)對其進(jìn)行了研究，但大都停留在仿真驗證階段，還未在工程上實(shí)現。因此，本文把實(shí)現小型無(wú)人直升機移動(dòng)目標識別與跟蹤技術(shù)作為研究重點(diǎn)。

實(shí)現無(wú)人直升機對移動(dòng)目標的跟蹤，其重點(diǎn)在于主動(dòng)獲取目標準確的導航信息。當前用于無(wú)人機導航技術(shù)主要有慣性導航(INS)，全球定位系統導航(GPS)、差分全球定位系統導航(DGPS)以及INS/GPS組合導航等，但是這些技術(shù)都不適用于這種場(chǎng)合。因此，本文將計算機視覺(jué)應用到無(wú)人直升機移動(dòng)目標識別定位與跟蹤技術(shù)上。相對于其他引導方式，計算機視覺(jué)可以主動(dòng)地獲得視野內目標的相對運動(dòng)信息，提供準確的位置信息，并且不依靠其它外部信息。

文中給出了基于機器視覺(jué)的無(wú)人直升機移動(dòng)目標識別定位與跟蹤方案設計，針對當前計算機視覺(jué)跟蹤運動(dòng)物體存在的問(wèn)題，提出了一種快速捕捉運動(dòng)目標的圖像處理算法，并且給出了具體實(shí)現過(guò)程，設計了小型無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標的控制結構，最后進(jìn)行實(shí)際飛行實(shí)驗。實(shí)驗結果驗證了方案的可行性，表明計算機視覺(jué)能夠很好地滿(mǎn)足無(wú)人直升機對移動(dòng)目標的跟蹤。

1 方案設計

圖1給出了基于計算機視覺(jué)的無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標系統的工作原理框圖，該系統主要由兩部分任務(wù)構成，一是計算機視覺(jué)對移動(dòng)目標的識別定位，二是控制無(wú)人直升機跟蹤目標。首先，通過(guò)圖像對攝像頭獲取的視頻信號進(jìn)行處理，達到識別目標的目的并得到移動(dòng)目標的運動(dòng)信息。然后，把目標的運動(dòng)信息傳給無(wú)人直升機飛控計算機，經(jīng)過(guò)飛行控制律解算后引導無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標。

2 目標識別和定位

目標識別和定位采用計算機視覺(jué)的方法，具體是從圖像信號中自動(dòng)識別目標、提取和獲得目標位置信息，其實(shí)現主要包括圖像獲取、圖像識別、目標定位3個(gè)部分。由于目標移動(dòng)，就需要動(dòng)態(tài)捕捉和跟蹤移動(dòng)目標，大大增加了技術(shù)實(shí)現的困難。一般跟蹤動(dòng)態(tài)目標的算法，如CAMSHIFT算法和基于粒子群優(yōu)化的跟蹤算法等，存在容易丟失目標或者處理時(shí)間較長(cháng)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。文中提出了一種基于顏色和形狀特征的快速識別動(dòng)態(tài)目標算法，首先設計了目標特征圖案，然后給出了具體的實(shí)現過(guò)程。

2.1 目標特征圖案

本文設計的目標特征圖案從顏色和形狀兩方面考慮，圖2給出了移動(dòng)目標以及特征圖案，特征圖案是紅色的凸型。顏色特征是經(jīng)常用于目標跟蹤且效果較好的視覺(jué)特征，選擇紅色有利于視覺(jué)快速的捕捉，把目標從背景中分離出來(lái)。凸型形狀既可以用作對目標的識別，又可通過(guò)處理得到移動(dòng)目標的運動(dòng)信息。

2.2 圖像處理算法

計算機視覺(jué)的處理過(guò)程是先對移動(dòng)目標進(jìn)行識別，再獲取目標的運動(dòng)信息。文中的圖像處理算法利用丌源的圖像處理庫函數OPENCV實(shí)現，根據提出的算法實(shí)現對特定顏色進(jìn)

行快速捕捉，對特征圖案進(jìn)行匹配識別，最終得到移動(dòng)目標的運動(dòng)信息，圖像處理軟件流程圖如圖3所示。

快速捕捉目標主要利用特征圖案的顏色信息，一般攝像頭采集到的圖像都是RGB格式的圖像，也就是每一個(gè)像素都由紅(R)，綠(G)，籃(B)3個(gè)成分組成，圖像中每一個(gè)像素的RGB分量分配一個(gè)0～255范圍內的強度值，它們按照不同的比例混合呈現16777216(256x256x256)種顏色，顏色立方體模型如圖4所示。

快速捕捉目標的圖像處理算法首先通過(guò)對采集的圖像信息按照RGB三通道進(jìn)行顏色分離，分別得到紅色R，綠色G，藍色B單通道圖像。然后用紅色R單通道圖像值減去綠色G單通道圖像值和藍色B單通道圖像值，再把綠色G單通道圖像值和藍色B單通道圖像值賦0，最后把R，C，B三個(gè)單通道圖像組合成一副新的三通道圖像，圖像中只有原來(lái)是紅色的區域還是紅色，其余都為黑色。圖5(a)給出了攝像頭采集的原始圖片，圖5(b)給出了處理后的圖片，可以清楚地看到分離出的凸型紅色區域。

對新圖經(jīng)過(guò)灰度化，閾值化處理，提取出凸型紅色區域的輪廓，如圖5(c)所示，最后通過(guò)Hu矩匹配，判斷是否為目標的特征圖案。如果是目標特征圖案，通過(guò)輪廓上每個(gè)點(diǎn)在視野中的坐標計算出輪廓的形心坐標，即目標在視野中的坐標位置，根據圖標的幾何位置關(guān)系，就可以得到凸型標志的

方向，即移動(dòng)目標的運動(dòng)方向，如圖5(d)所示。

文中提到了輪廓Hu矩匹配的方法，它對包括縮放、旋轉和鏡像映射在內的變化具有不變性，能夠提高匹配的效率，不會(huì )因為直升機高度變化或姿態(tài)變化影響對目標的識別。

3 無(wú)人直升機控制結構

在無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標過(guò)程中，我們希望移動(dòng)目標始終處在攝像頭視野的正中間位置。具體控制過(guò)程是，當無(wú)人直升機接收到視覺(jué)給出的目標在攝像頭視野位置坐標后，飛控計算機根據攝像頭成像原理，即小孔成像原理，以及攝像頭距離目標的實(shí)際高度，計算出目標與攝像頭中心水平方向XY軸的實(shí)際距離，即實(shí)際的相對坐標位置，然后轉換為機體坐標系下坐標，與期望的相對位置坐標形成反饋，經(jīng)過(guò)控制律解算出舵機輸出量，控制無(wú)人直升機不斷調整以減小位置誤差，從而最終實(shí)現無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標。另外，根據目標運動(dòng)方向可以預估目標的運動(dòng)趨勢，調整無(wú)人直升機的飛行方向，圖6給出了直升機控制框圖。

4 實(shí)驗結果及分析

針對提出的基于計算機視覺(jué)引導無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標技術(shù)，本文進(jìn)行了實(shí)際飛行驗證。實(shí)驗中采用TREX600模型直升機，移動(dòng)目標如圖2所示。

實(shí)驗時(shí)，攝像頭安裝在一個(gè)兩軸云臺上，始終保持其朝下拍攝，不受無(wú)人直升機的姿態(tài)影響。攝像頭視野坐標系的中心(視野坐標系原點(diǎn))與機體坐標系原點(diǎn)重合，視野坐標系的XY軸視與機體XY軸重合。視覺(jué)傳感器采用100度廣角的USB攝像頭，焦距3.6 mm。視處理器采用2.5寸工業(yè)主板，型號為21268HW，CPU：Intel Cedar view—M N26001.6 G，其處理速度快，可以達到視覺(jué)處理的要求。以上設備都屬于機載設備，所有的視覺(jué)導航信息處理都在無(wú)人直升機上完成，完全實(shí)現無(wú)人直升機的自主飛行。

首先驗證視覺(jué)引導給出的位置信息，對計算得到的相對位置坐標與實(shí)際測量的相對位置坐標進(jìn)行對比，實(shí)驗結果如表1所示，只包含部分數據。

由表1可知，計算機視覺(jué)得到的位置坐標與實(shí)際的位置坐標存在誤差，但是誤差很小，能夠滿(mǎn)足無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標，而且每一幀圖像處理的速度在0.015～0.020 s，識別成功率高于95%，與其他的運動(dòng)目標跟蹤圖像處理算法相比有很大優(yōu)勢。圖7給出了實(shí)際飛行時(shí)無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標的圖像，目標識別定位的效果很好，速度很快，并且能夠提供準確的移動(dòng)目標運動(dòng)信息，完全達到預期目標，滿(mǎn)足了無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標對位置信息的要求。

實(shí)際飛行中，移動(dòng)目標只有水平方向上的兩自由度運動(dòng)，速度大概為0.4 m/s，并且無(wú)人直升機由GPS引導到移動(dòng)機器人附近，無(wú)人直升機飛行速度不超過(guò)1 m/s。

圖8給出了實(shí)際飛行相對誤差曲線(xiàn)，即期望的相對位置坐標與視覺(jué)獲得相對位置坐標的誤差，通過(guò)圖可以清楚地看出，系統的動(dòng)態(tài)響應很快，響應時(shí)間大概為5～10 s，穩定后有穩態(tài)誤差，但不會(huì )發(fā)散。實(shí)驗得到的曲線(xiàn)有些波動(dòng)，但實(shí)際跟蹤效果非常好，波動(dòng)可能是因為目標移動(dòng)，它們之間一直存在距離誤差，不能完全消除。實(shí)驗表明基于機器視覺(jué)視覺(jué)引導的小型無(wú)人直升機跟蹤移動(dòng)目標可以很好的實(shí)現，驗證了其工程實(shí)現的可行性。

5 結論

文中實(shí)現了無(wú)人直升機對移動(dòng)目標的跟蹤，從整體方案設計到具體實(shí)現給出了較為詳細的過(guò)程。從實(shí)驗結果可以看出，基于計算機視覺(jué)引導的方法可以很好地應用到小型無(wú)人直升機移動(dòng)目標跟蹤，并且充分驗證了整個(gè)系統的可行性和魯棒性。文中提出的基于視覺(jué)引導方式對小型無(wú)人直升機移動(dòng)目標跟蹤的實(shí)現提供了一種有效的解決方案，并且為下一步實(shí)現無(wú)人直升機移動(dòng)平臺降落打下基礎。