無人機飛行途中視覺導航關鍵技術研究

衛俊樵

摘 要：視覺導航主要是一種自主式導航方式，在GPS出現了特殊情況時，視覺導航可以有效的取代并成為輔助導航方式，這種方式對無人機慣性導航系統實現遠程航行時高精度的導航具有積極作用。但是，由于受到自然環境與飛行狀態的影響，視覺導航會出現魯棒性差的問題，這將嚴重影響其價值的發揮。本文將著重分析無人機飛行途中視覺導航的關鍵技術，明確在復雜的環境下，視覺導航中景象匹配導航及基于序列圖像的運動估計中的主要問題，經過系統分析，為保證視覺導航更好的運用于無人機飛行過程提出可行性建議。

關鍵詞：無人機；視覺導航；技術手段

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0029-01

無人機屬于一種擁有動力、可進行控制、可執行任務的無人駕駛飛行器。這種設備相比有人駕駛飛機更體現出重量輕便、雷達反射界面小、運行成本低等優勢，因此在偵察和攻擊等軍事化任務中被廣泛使用；在民用方面，常常適合于氣象監測、災害預測等眾多領域，所以在國家受到了廣泛重視。

1 視覺導航的基本概述

伴隨著視覺傳感器技術的發展，計算機技術及人工智能技術的融合，一種建立在計算機視覺匹配定位上的技術手段應運而生，這就是視覺導航。視覺導航具有自主性及可視性、智能化的特點，因此它成為導航中最受矚目的焦點，能夠為無人機進行長途飛行時提供新的輔助手段。視覺導航最為關鍵的技術是自主導航技術，這種技術會根據需要導航圖與否來進行分門別類，如地圖型和無地圖導航兩種。地圖型導航主要是依靠事先儲存的精準地理信息導航地圖來實現一幀實拍圖像和導航地圖的相互匹配，這樣經過適當的過程，就能實現飛行器的有效定位，從而滿足具體的需要[1]。無地圖導航就是建立在序列圖像的運動基礎上進行估計，不需要任何導航圖的參與，這樣經過對周邊環境的感知，來通過相鄰兩幀特征的變化，實現對于兩幀之間運動的估計，經過多幀累積計算之后，實現飛行器的導航目標。總之，無人機飛行途中視覺導航關鍵技術包含著適配性分析、景象匹配定位及幀間特征點的匹配等內容。

2 視覺導航關鍵技術的發展現狀

2.1 計算機視覺與相關應用

計算機視覺又被稱為機器視覺，這是一種利用了計算機來模擬人視覺的功能，從而在圖像中獲取具體的信息，并對這種信息進行處理并分析的檢測、測試及控制等。計算機視覺是一種交叉性學科，常常涉及到多種領域，如圖像的處理、計算機科學及生理心理學等具體的內容。計算機視覺被廣泛的運用于多種領域，同樣是由硬件和軟件兩個重要的部分組成，其中硬件包含著圖像采集卡及PC機等部分，可以實現對信息的采集與處理；軟件則是安裝至PC中，用來完成圖像的處理和判斷相關決策，然后輸出相應的控制信號。這種搭配，使其在視覺導航中的應用打下了良好基礎[2]。

2.2 視覺導航技術的發展現狀

伴隨著計算機技術的發展與進步，視覺算法的性能得到有效提升，并且其運用的范圍正在逐漸拓展，成為自動化控制領域中測量位置及運動的傳感器。計算機硬件的發展與實時運行，使得計算機視覺系統的應用范圍越來越廣，并且處于穩步發展的趨勢中。無人機飛行途中視覺導航的應用可以使其自主著陸，同時能夠將視覺傳感器引入到控制回路中，確保估計算法可以從各種圖像中恢復運動和結構信息。

3 無人機視覺導航中的視覺處理

3.1 圖像預處理

從視覺傳感器中獲取到的圖像和視頻信息非常容易受到外界因素的干擾，所以需要針對圖像事先經過預處理過程，這樣才能及時進行去躁、灰度化、二值化等工作。去躁的主要方式是濾波，這個過程中可以有效的降低噪聲污染，從而保存完整的邊緣信息，這種方式主要是用于邊緣跟蹤的實用方法。圖像的二值化處理主要是針對標志物和背景進行的操作，相關學者在降落的地點設計了矩形框架標識物，然后對機載攝像機獲得的圖像進行二值化處理，把標識物和其他的背景進行移除[3]。

3.2 靜止目標特征提取

在進行無人機小范圍內的導引時，無論是飛行還是降落，多是采用靜止標識物，它們可以進行專門的設計，比如在降落的地點放置好具有顏色的標識物，或者是利用原有的事物如樓房、天線等。

3.3 運動目標特征提取

無人機在實際飛行的過程中，可以進行大范圍的運動，這個時候就可以利用地面上運動的事物來加以引導，作為運動的標識物。比如地面上正在移動的車輛、其他無人機等。運動目標特征的提取可以使用特定的運動物體檢測方式，例如光流法及背景差法等[4]。

3.4 其他視覺問題

在無人機視覺導航中，處理對其進行圖像預處理和目標提取之外，也會存在一些其他問題，比如遮擋物等，這個時候可以利用繞過特征提取，把圖像中的參數作為一種控制輸入。

4 結語

視覺導航中的圖像預處理、目標提取及跟蹤等都是具體內容。在實際應用的過程中，無人機的動力、載重及裝配空間等多種要素都會使算法處理需要更短的延時。很多時候，需要根據無人機具體的飛行情況和所處環境進行視覺導航關鍵技術的分析，這樣才可以保證無人機視覺導航技術的應用價值充分發揮出來。

參考文獻

[1]汪沛，羅錫文，周志艷，臧英，胡煉.基于微小型無人機的遙感信息獲取關鍵技術綜述[J].農業工程學報，2014（18）：1-12.

[2]習業勛，鄧聯文，張紀陽，張代兵.基于多核架構無人機飛行控制系統設計與實現[J].電子測量技術，2014（10）：89-94.

[3]黃楠楠，劉貴喜，張音哲，姚李陽.無人機視覺導航算法[J].紅外與激光工程，2016（07）：269-277.

[4]顧云濤.無人機導航技術研究[J].現代導航，2013（03）：198-201.