一种无人机对地目标跟踪方法及系统

本发明属于机器人跟踪相关，尤其涉及一种无人机对地目标跟踪方法及系统。

背景技术：

1、无人机目标跟踪技术是当前无人机应用领域的热点之一，通过无人机上的视觉或其他传感器实时识别并跟踪特定目标，具有广泛的应用前景；目前的无人机目标跟踪技术主要依赖于gps信号和视觉传感器。在gps信号良好的环境下，无人机可以通过gps接收器获取自身的精确位置信息，进而实现对目标的准确跟踪；同时，视觉传感器通过捕捉实时图像来监控和跟踪移动目标；并且，一些先进的跟踪算法和框架也被应用于无人机目标跟踪中。

2、但是，目前的无人机目标跟踪方法在面临低光照条件下，尤其是极低亮度的夜间场景，其跟踪准确度会大幅度的下降，甚至丢失目标。具体的，gps信号的缺失会导致无人机无法获取自身的精确位置信息，从而无法实现对目标的准确跟踪；夜间光线条件较弱，相机需要通过设置更高的感光度、采用更长的曝光时间来获取充足的光线，这可能导致图像质量下降，增加目标跟踪的难度；同时，夜间环境中的噪声和干扰也可能对目标跟踪的准确性产生负面影响，这限制了无人机在夜间或gps信号受限区域的应用。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种无人机对地目标跟踪方法及系统，本发明根据声波信号以及接收声波的时间，确定地面移动机器人到移动机器人中预设四个声波捕捉位置的距离；并根据确定的距离得地面移动机器人在相机坐标系中的坐标，以及根据相机坐标系到像素坐标系的转化关系确定地面移动机器人在像素坐标系下的坐标；根据地面移动机器人在像素坐标系下的坐标，确定地面移动机器在无人机的相对方位，并得到图像偏差；最后，根据图像偏差控制无人机，实现了对地面移动机器的跟踪，在保证定位和跟踪精度的基础上，避免了gps信号缺失导致无人机无法获取自身的精确位置信息，从而无法实现对准确跟踪的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种无人机对地目标跟踪方法，包括：

4、获取待跟踪地面移动机器人的声波信号，以及无人机上预设相机的相机坐标系和像素坐标系；

5、根据声波信号以及接收声波的时间，确定地面移动机器人到移动机器人中预设四个声波捕捉位置的距离；并根据确定的距离得地面移动机器人在相机坐标系中的坐标，以及根据相机坐标系到像素坐标系的转化关系确定地面移动机器人在像素坐标系下的坐标；

6、根据地面移动机器人在像素坐标系下的坐标，确定地面移动机器在无人机的相对方位，并得到图像偏差；

7、根据地面移动机器在无人机的相对方位，以及图像偏差控制无人机，对地面移动机器进行跟踪。

8、进一步的，以无人机上预设相机的光心作为坐标系原点，z轴与相机的光轴重合指向地面，根据右手定则确定相机坐标系，y轴穿过无人机机头和机尾的两个声波捕捉器并指向无人机机头方向；像素坐标系表示在相机成像平面上的图像，以像素为单位进行表示，原点位于图像的左上角，u轴平行向右，v轴垂直向下。

9、进一步的，设相机坐标系xc轴上两个声波捕捉器为a和b，yc轴上两个声波捕捉器为c和d，地面移动机器人位置为p；声波捕捉器安装距离ab，以及到地面移动机器人位置的距离sa和sb已知，根据三角形余弦定理可知：

10、

11、可求得∠abp的角度，根据三角形余弦定理，则ocp长度和∠bocp角度为：

12、

13、过p点做平面ycoczc的法线qp，交平面ycoczc于点q，由于ocp长度和∠bocp角度已知，则qp为：

14、qp＝ocp*cos∠bocp；

15、qp即目标点p位置的x轴坐标；则目标点p的x坐、目标点p的y坐标以及标点p的z坐标为：

16、

17、进一步的，目标地面移动机器人在像素坐标系下的坐标(u，v)为

18、

19、其中，(x，y，z)为相机坐标系下地面移动机器人的位置坐标；f为相机焦距；(cx，cy)为相机光心在像素坐标系中投影的坐标。

20、进一步的，图像偏为：

21、

22、进一步的，控制无人机调整姿态，使无人机按照偏差减小的方向移动，使地面移动机器人始终保持在图像中心，完成跟踪。

23、第二方面，本发明还提供了一种无人机对地目标跟踪系统，包括：

24、数据采集模块，被配置为：获取待跟踪地面移动机器人的声波信号，以及无人机上预设相机的相机坐标系和像素坐标系；

25、坐标系确定模块，被配置为：根据声波信号以及接收声波的时间，确定地面移动机器人到移动机器人中预设四个声波捕捉位置的距离；并根据确定的距离得地面移动机器人在相机坐标系中的坐标，以及根据相机坐标系到像素坐标系的转化关系确定地面移动机器人在像素坐标系下的坐标；

26、偏差确定模块，被配置为：根据地面移动机器人在像素坐标系下的坐标，确定地面移动机器在无人机的相对方位，并得到图像偏差；

27、跟踪控制模块，被配置为：根据地面移动机器在无人机的相对方位，以及图像偏差控制无人机，对地面移动机器进行跟踪。

28、第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的无人机对地目标跟踪方法的步骤。

29、第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的无人机对地目标跟踪方法的步骤。

30、第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现了第一方面所述的无人机对地目标跟踪方法的步骤。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

32、本发明中根据声波信号以及接收声波的时间，确定地面移动机器人到移动机器人中预设四个声波捕捉位置的距离；并根据确定的距离得地面移动机器人在相机坐标系中的坐标，以及根据相机坐标系到像素坐标系的转化关系确定地面移动机器人在像素坐标系下的坐标；根据地面移动机器人在像素坐标系下的坐标，确定地面移动机器在无人机的相对方位，并得到图像偏差；最后，根据地面移动机器在无人机的相对方位，以及图像偏差控制无人机，实现对地面移动机器的跟踪，在保证定位和跟踪精度的基础上，避免了gps信号缺失导致无人机无法获取自身的精确位置信息，从而无法实现对准确跟踪的问题，且降低了夜间光线较弱环境下的跟踪难度。

技术特征：

1.一种无人机对地目标跟踪方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种无人机对地目标跟踪方法，其特征在于，以无人机上预设相机的光心作为坐标系原点，z轴与相机的光轴重合指向地面，根据右手定则确定相机坐标系，y轴穿过无人机机头和机尾的两个声波捕捉器并指向无人机机头方向；像素坐标系表示在相机成像平面上的图像，以像素为单位进行表示，原点位于图像的左上角，u轴平行向右，v轴垂直向下。

3.如权利要求2所述的一种无人机对地目标跟踪方法，其特征在于，设相机坐标系xc轴上两个声波捕捉器为a和b，yc轴上两个声波捕捉器为c和d，地面移动机器人位置为p；声波捕捉器安装距离ab，以及到地面移动机器人位置的距离sa和sb已知，根据三角形余弦定理可知：

4.如权利要求3所述的一种无人机对地目标跟踪方法，其特征在于，目标地面移动机器人在像素坐标系下的坐标(u，v)为

5.如权利要求4所述的一种无人机对地目标跟踪方法，其特征在于，图像偏为：

6.如权利要求1所述的一种无人机对地目标跟踪方法，其特征在于，控制无人机调整姿态，使无人机按照偏差减小的方向移动，使地面移动机器人始终保持在图像中心，完成跟踪。

7.一种无人机对地目标跟踪系统，其特征在于，包括：

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-6任一项所述的无人机对地目标跟踪方法的步骤。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-6任一项所述的无人机对地目标跟踪方法的步骤。

10.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现了如权利要求1-6任一项所述的无人机对地目标跟踪方法的步骤。

技术总结
本发明属于机器人跟踪相关技术领域，提供了一种无人机对地目标跟踪方法及系统，根据声波信号以及接收声波的时间，确定地面移动机器人到移动机器人中预设四个声波捕捉位置的距离；并根据确定的距离得地面移动机器人在相机坐标系中的坐标，以及根据相机坐标系到像素坐标系的转化关系确定地面移动机器人在像素坐标系下的坐标；根据地面移动机器人在像素坐标系下的坐标，确定地面移动机器在无人机的相对方位，并得到图像偏差；根据地面移动机器在无人机的相对方位，以及图像偏差控制无人机，实现对地面移动机器的跟踪，在保证定位和跟踪精度的基础上，避免了GPS信号缺失导致无人机无法获取自身的精确位置信息，从而无法实现对准确跟踪的问题。

技术研发人员：纪鹏,董万龙,马凤英,曹茂永,张玮
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：
技术公布日：2025/3/24