基于視覺的無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究

摘要：實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤是一個(gè)較難的技術(shù)，針對(duì)這個(gè)問題，本文基于計(jì)算機(jī)視覺對(duì)無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，設(shè)計(jì)了無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的總體方案;其次，提出了一種快速識(shí)別定位移動(dòng)目標(biāo)的圖像處理算法，該算法運(yùn)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(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用到無人直升機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤上，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，結(jié)果表明機(jī)載視覺技術(shù)能夠很好地解決于無人直升機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤問題。

近年來隨著無人直升機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展以及應(yīng)用場(chǎng)合不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)在移動(dòng)目標(biāo)上的自主降落已成為無人直升機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，這將大大提升無人直升機(jī)執(zhí)行多種任務(wù)的能力，而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的跟蹤。在文獻(xiàn)和中已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了研究，但大都停留在仿真驗(yàn)證階段，還未在工程上實(shí)現(xiàn)。因此，本文把實(shí)現(xiàn)小型無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤技術(shù)作為研究重點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，其重點(diǎn)在于主動(dòng)獲取目標(biāo)準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。當(dāng)前用于無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)主要有慣性導(dǎo)航(INS)，全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航(GPS)、差分全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航(DGPS)以及INS/GPS組合導(dǎo)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(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用到無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別定位與跟蹤技術(shù)上。相對(duì)于其他引導(dǎo)方式，計(jì)算機(jī)視覺可以主動(dòng)地獲得視野內(nèi)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息，提供準(zhǔn)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(jī)器視覺的無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別定位與跟蹤方案設(shè)計(jì)，針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺跟蹤運(yùn)動(dòng)物體存在的問題，提出了一種快速捕捉運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像處理算法，并且給出了具體實(shí)現(xiàn)過程，設(shè)計(jì)了小型無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的控制結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，表明計(jì)算機(jī)視覺能夠很好地滿足無人直升機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。

1 方案設(shè)計(jì)

圖1給出了基于計(jì)算機(jī)視覺的無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)系統(tǒng)的工作原理框圖，該系統(tǒng)主要由兩部分任務(wù)構(gòu)成，一是計(jì)算機(jī)視覺對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別定位，二是控制無人直升機(jī)跟蹤目標(biāo)。首先，通過圖像對(duì)攝像頭獲取的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的并得到移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息。然后，把目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息傳給無人直升機(jī)飛控計(jì)算機(jī)，經(jīng)過飛行控制律解算后引導(dǎo)無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)。

2 目標(biāo)識(shí)別和定位

目標(biāo)識(shí)別和定位采用計(jì)算機(jī)視覺的方法，具體是從圖像信號(hào)中自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、提取和獲得目標(biāo)位置信息，其實(shí)現(xiàn)主要包括圖像獲取、圖像識(shí)別、目標(biāo)定位3個(gè)部分。由于目標(biāo)移動(dòng)，就需要?jiǎng)討B(tài)捕捉和跟蹤移動(dòng)目標(biāo)，大大增加了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的困難。一般跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)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(biāo)或者處理時(shí)間較長(zhǎng)實(shí)時(shí)性差的問題。文中提出了一種基于顏色和形狀特征的快速識(shí)別動(dòng)態(tài)目標(biāo)算法，首先設(shè)計(jì)了目標(biāo)特征圖案，然后給出了具體的實(shí)現(xiàn)過程。

2.1 目標(biāo)特征圖案

本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(biāo)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(biāo)跟蹤且效果較好的視覺特征，選擇紅色有利于視覺快速的捕捉，把目標(biāo)從背景中分離出來。凸型形狀既可以用作對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，又可通過處理得到移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息。

2.2 圖像處理算法

計(jì)算機(jī)視覺的處理過程是先對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，再獲取目標(biāo)的運(yùn)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(shù)OPENCV實(shí)現(xiàn)，根據(jù)提出的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)特定顏色進(jìn)

行快速捕捉，對(duì)特征圖案進(jìn)行匹配識(shí)別，最終得到移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，圖像處理軟件流程圖如圖3所示。

快速捕捉目標(biāo)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(nèi)的強(qiáng)度值，它們按照不同的比例混合呈現(xiàn)16777216(256x256x256)種顏色，顏色立方體模型如圖4所示。

快速捕捉目標(biāo)的圖像處理算法首先通過對(duì)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(lán)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(lán)色B單通道圖像值，再把綠色G單通道圖像值和藍(lán)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，圖像中只有原來是紅色的區(qū)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(qū)域。

對(duì)新圖經(jīng)過灰度化，閾值化處理，提取出凸型紅色區(qū)域的輪廓，如圖5(c)所示，最后通過Hu矩匹配，判斷是否為目標(biāo)的特征圖案。如果是目標(biāo)特征圖案，通過輪廓上每個(gè)點(diǎn)在視野中的坐標(biāo)計(jì)算出輪廓的形心坐標(biāo)，即目標(biāo)在視野中的坐標(biāo)位置，根據(jù)圖標(biāo)的幾何位置關(guān)系，就可以得到凸型標(biāo)志的

方向，即移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)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(duì)包括縮放、旋轉(zhuǎn)和鏡像映射在內(nèi)的變化具有不變性，能夠提高匹配的效率，不會(huì)因?yàn)橹鄙龣C(jī)高度變化或姿態(tài)變化影響對(duì)目標(biāo)的識(shí)別。

3 無人直升機(jī)控制結(jié)構(gòu)

在無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)過程中，我們希望移動(dòng)目標(biāo)始終處在攝像頭視野的正中間位置。具體控制過程是，當(dāng)無人直升機(jī)接收到視覺給出的目標(biāo)在攝像頭視野位置坐標(biāo)后，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)攝像頭成像原理，即小孔成像原理，以及攝像頭距離目標(biāo)的實(shí)際高度，計(jì)算出目標(biāo)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(duì)坐標(biāo)位置，然后轉(zhuǎn)換為機(jī)體坐標(biāo)系下坐標(biāo)，與期望的相對(duì)位置坐標(biāo)形成反饋，經(jīng)過控制律解算出舵機(jī)輸出量，控制無人直升機(jī)不斷調(diào)整以減小位置誤差，從而最終實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)。另外，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向可以預(yù)估目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，調(diào)整無人直升機(jī)的飛行方向，圖6給出了直升機(jī)控制框圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)提出的基于計(jì)算機(jī)視覺引導(dǎo)無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)技術(shù)，本文進(jìn)行了實(shí)際飛行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用TREX600模型直升機(jī)，移動(dòng)目標(biāo)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，攝像頭安裝在一個(gè)兩軸云臺(tái)上，始終保持其朝下拍攝，不受無人直升機(jī)的姿態(tài)影響。攝像頭視野坐標(biāo)系的中心(視野坐標(biāo)系原點(diǎn))與機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，視野坐標(biāo)系的XY軸視與機(jī)體XY軸重合。視覺傳感器采用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(hào)為21268HW，CPU：Intel Cedar view—M N26001.6 G，其處理速度快，可以達(dá)到視覺處理的要求。以上設(shè)備都屬于機(jī)載設(shè)備，所有的視覺導(dǎo)航信息處理都在無人直升機(jī)上完成，完全實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的自主飛行。

首先驗(yàn)證視覺引導(dǎo)給出的位置信息，對(duì)計(jì)算得到的相對(duì)位置坐標(biāo)與實(shí)際測(cè)量的相對(duì)位置坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，只包含部分?jǐn)?shù)據(jù)。

由表1可知，計(jì)算機(jī)視覺得到的位置坐標(biāo)與實(shí)際的位置坐標(biāo)存在誤差，但是誤差很小，能夠滿足無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)，而且每一幀圖像處理的速度在0.015～0.020 s，識(shí)別成功率高于95%，與其他的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤圖像處理算法相比有很大優(yōu)勢(shì)。圖7給出了實(shí)際飛行時(shí)無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的圖像，目標(biāo)識(shí)別定位的效果很好，速度很快，并且能夠提供準(zhǔn)確的移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息，完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足了無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)對(duì)位置信息的要求。

實(shí)際飛行中，移動(dòng)目標(biāo)只有水平方向上的兩自由度運(yùn)動(dòng)，速度大概為0.4 m/s，并且無人直升機(jī)由GPS引導(dǎo)到移動(dòng)機(jī)器人附近，無人直升機(jī)飛行速度不超過1 m/s。

圖8給出了實(shí)際飛行相對(duì)誤差曲線，即期望的相對(duì)位置坐標(biāo)與視覺獲得相對(duì)位置坐標(biāo)的誤差，通過圖可以清楚地看出，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，響應(yīng)時(shí)間大概為5～10 s，穩(wěn)定后有穩(wěn)態(tài)誤差，但不會(huì)發(fā)散。實(shí)驗(yàn)得到的曲線有些波動(dòng)，但實(shí)際跟蹤效果非常好，波動(dòng)可能是因?yàn)槟繕?biāo)移動(dòng)，它們之間一直存在距離誤差，不能完全消除。實(shí)驗(yàn)表明基于機(jī)器視覺視覺引導(dǎo)的小型無人直升機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)可以很好的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了其工程實(shí)現(xiàn)的可行性。

5 結(jié)論

文中實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，從整體方案設(shè)計(jì)到具體實(shí)現(xiàn)給出了較為詳細(xì)的過程。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于計(jì)算機(jī)視覺引導(dǎo)的方法可以很好地應(yīng)用到小型無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤，并且充分驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可行性和魯棒性。文中提出的基于視覺引導(dǎo)方式對(duì)小型無人直升機(jī)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的解決方案，并且為下一步實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)移動(dòng)平臺(tái)降落打下基礎(chǔ)。