基于视频图像测量飞行器飞行高度的方法 【技术领域】
本发明涉及飞行器领域，更具体的说，本发明涉及一种用飞行器拍摄的视频图像来测量飞行器飞行高度的方法。
背景技术
微型飞行器(MAV)的自主飞行是提高微型飞行器性能和工作任务范围的一个非常重要的因素。因此，对微型飞行器飞行控制方法的研究是微型飞行器研究的重要环节。在对微型飞行器进行飞行控制时需要获取其飞行参数，例如飞行器的姿态角和高度等。
飞行器的飞行高度是确定飞行器飞行状态的一个重要参数，是提供给飞行器控制系统地一个重要指标，直接影响飞机的飞行状况。现有的飞行器通常用高度计来获取飞行高度，由于微型飞行器对负载的重量、体积、功耗都有一定的限制，在飞机上配备高度计势必要增加飞行器的负载，因此利用高度计获取飞行高度的方法对微型飞行器来所并不是最好的方法。因此需要寻找更简单有效的途径来提供飞行控制所需要的飞行高度。
MAV的一项重要任务就是侦察，因此摄像系统是其不可缺少的负载。视频图像信息丰富，从视频信息中提取有用的飞行信息是一项非常有前途的工作。因此就需要有一种方法能够利用MAV航拍的图像获取飞行器的飞行高度。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种飞行器飞行高度的测量方法，该方法适用于微型飞行器；本发明的目的还在于提供一种飞行器飞行高度的测量方法，该方法利用飞行器的航拍视频图像来提取飞行器的飞行高度。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于视频图像测量飞行器飞行高度的方法，包括步骤：
1)在所述飞行器上设置一摄像装置，该摄像装置布置成当所述飞行器水平飞行时所述摄像装置可垂直拍摄地面；该摄像装置包括一成像透镜，其焦距为f；
2)飞行器以速度v、横滚角θ和俯仰角Φ飞行时，所述摄像装置在第一时刻拍摄地面的第一图像，所述摄像装置在第一时刻之后的第二时刻拍摄地面的第二图像；所述第一时刻与第二时刻的时间差为Δt；
3)设定一地面上的参考点；所述第一图像和第二图像包含该参考点；
4)分别测量所述参考点在所述第一图像和第二图像的位置，计算其位移变化量Δs；
5)根据所述焦距f、速度v、横滚角θ、俯仰角Φ、时间差Δt和位移变化量Δs计算飞行器的飞行高度H。
所述飞行器的飞行高度H＝vΔt·f·cosΦ·cosθ/Δs。当飞行器水平飞行时，所述飞行器的飞行高度H＝vΔt·f/Δs。
本发明利用视频图像获取飞行高度的方法不需要额外的传感器，可以有效减少负载的重量和体积，通过所获得的飞行参数有利于飞行器进行自主控制飞行。
【附图说明】
图1是飞行器水平飞行时高度测量原理图；
图2是飞行器具有俯仰角时高度修正原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的测量飞行器飞行高度的方法是根据飞行器在飞行过程中拍摄的地面图像来获取的。当飞行器飞行时，不同时刻拍摄的地面图像会发生变化，也就是说，地面上的同一个参考点在不同时刻时在图像上的位置会发生变化。本发明发现参考点在不同时刻拍摄的地面图像中的位置变化直接反映了飞行器的飞行高度。
为了更清楚的说明本发明，首先以飞行器水平飞行的状态描述本发明提取飞行高度的方法。飞行器上的摄像装置或者说摄像头固定在飞行器的正下方，使得摄像头在水平飞行时可以垂直向下拍摄地面图像。
如图1所示的高度计算原理图，在飞行器飞行的某一时刻(在下文中称为第一时刻t1)，摄像头的成像透镜位于第一位置成像透镜5处，由于地平面4距离第一位置成像透镜5的位置可以近似为无穷远的正下方，因此地平面4在第一位置成像透镜5的聚焦平面处成像，该聚焦平面称为第一成像平面1，第一成像平面1与第一位置成像透镜5的距离为透镜的焦距f。第一成像平面1平行于地平面4。
在飞行器飞行的下一时刻(在下文中称为第二时刻t2)，摄像头的成像透镜位于第二位置成像透镜6处，由于地平面4距离第二位置成像透镜6的位置可以近似为无穷远的正下方，因此地平面4在第二位置成像透镜6的聚焦平面处成像，该聚焦平面称为第二成像平面2，第二成像平面2与第二位置成像透镜6的距离为透镜的焦距f。第二成像平面2平行于地平面4。
在图1上定义两个单轴坐标系。一个是飞行器坐标系，将摄像头成像平面的中心定义为飞行器坐标系的坐标原点；另一个是地面坐标系，将摄像头成像平面中心对应于地平面4上的点作为其坐标原点。例如，在第一时刻t1，飞行器坐标系的坐标原点为第一成像平面1的中心Os1；在第二时刻t2，飞行器坐标系的坐标原点运动至第二成像平面2的中心Os2处。对于地面坐标系，在第一时刻t1，Os1对应地面上的Og1点，Og1就是第一时刻t1时地面坐标系的原点；在第二时刻t2，Os2对应地面上的Og2点，Og2就是第二时刻t2时地面坐标系的原点。这两个坐标系的正方向都定义为如箭头3所示的飞行器飞行速度的方向。
在第一时刻t1，地面上的参考点Ag在第一成像平面1的A1处成像，其相对于第一成像平面1的中心Os1的位移为S1。在第二时刻t2，地面上的参考点Ag在第二成像平面2的A2处成像，其相对于第二成像平面2的中心Os2的位移为S2。要注意，由于在飞行器坐标系定义了如箭头3所示的正方向，因此S1和S2是具有方向的矢量，S1是从Os1指向成像点A1，而S2是从Os2指向成像点A2。
在第一时刻t1，地面上的参考点Ag相对于Og1点的位移为x1；在第二时刻t2，地面上的参考点Ag相对于Og2点的位移为x2。由于在地面坐标系定义了如箭头3所示的正方向，因此x1和x2是具有方向的矢量，x1是从Og1指向参考点Ag，而x2是从Og2指向参考点Ag。
根据几何理论和光学理论可以从图1得出：
-S1x1=fH0,S2-x2=fH0---(1)]]>
根据公式(1)得到飞行器水平飞行时的高度H0＝Δx·f/Δs，其中Δs＝S2-S1，Δx＝x1-x2。而Δx＝vΔt，其中v是飞行器的飞行速度；Δt＝t2-t1。最后得到：
H0＝vΔt·f/Δs (2)
这样，根据公式(2)，飞行器的摄像头拍摄得到间隔为Δt的两个时刻的地面图像，然后测量一个参考点在两个图像中的位移变化Δs，最后根据飞行器的速度v和摄像头的焦距f，并结合公式(2)得到飞行器的高度H0。其中，摄像头的焦距f可预先测定，而飞行器的速度v可由飞行器上的其它传感器例如GPS来获得。
以上提到的利用图像计算微型飞行器的飞行高度的方法只适用于微型飞行器水平飞行的情况。由于摄像头粘在机身上，当微型飞行器不是水平飞行时，摄像头将不再垂直向下拍摄，此时计算的高度不是飞行器当前的真实高度，而是一个伪高度。
在微型飞行器系统中，俯仰角Φ和横滚角θ这两个自由度导致了利用视频图像测量高度信息的误差。现在以俯仰角为例说明它是如何影响高度计算的，同时给出了高度计算的补偿方法。
图2是高度校正方法的原理图。图2中，HΦ是利用俯仰角Φ修正后飞行器的飞行高度，H0是利用公式(2)计算出的高度。
HΦ可以由下式得到，
HΦ＝H0cosΦ (3)
同理，飞行器横滚角为θ时，利用横滚角信息对HΦ做进一步的修正，可以得到在具有俯仰角Φ和横滚角θ时飞行器的真实飞行高度，如下式所示：
H＝HΦ·cosθ＝H0·cosΦ·cosθ＝v(t2-t1)·f·cosΦ·cosθ/Δs (4)
在实际应用时，可以用飞行器上的传感器获得俯仰角Φ和横滚角θ信息，从而对飞行器的飞行高度作出修正。