(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211479183.0 (22)申请日 2022.11.24 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 韩静　陈名洋　陈霄宇　瞿超　 魏驰恒　张靖远　王泽　 (74)专利代理 机构 南京苏创专利代理事务所 (普通合伙) 32273 专利代理师 吴太平 (51)Int.Cl. G06T 7/70(2017.01) G06F 17/16(2006.01) G01S 19/42(2010.01) (54)发明名称 一种无人机成像 定位方法 (57)摘要 本发明公开了一种无人机成像定位方法， 包 括以下步骤， 步骤一： 确定无人机上陀螺仪的偏 航角、 俯仰角以及横滚角的实际意义； 步骤二： 建 立图像定位所需要的坐标系； 步骤三： 根据图像 建立图像像素坐标系和图像物理坐标系， 计算目 标点实际位置在相机坐标系内的三维坐标； 步骤 四： 将相机坐标系转换为无人机地理坐标系； 步 骤五： 将无人机地理坐标系转换为大地直角坐标 系； 步骤六： 将大地直角坐标系转换为GPS坐标 系， 本发明的有益效果： 根据目标定位过程中目 标点、 像点和测量点的几何关系， 利用Matlab算 法计算出目标点的经纬度和高度， 从而实现目标 定位， 有利于无人机目标定位成像的精度的提 高。 权利要求书4页 说明书10页 附图7页 CN 115511956 A 2022.12.23 CN 115511956 A 1.一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 包括以下步骤： 步骤一： 利用无人机上的陀 螺仪获得拍摄图像时的偏航角、 俯仰角以及横滚角； 步骤二： 建立图像定位所需要的坐标 系， 其中包括相机坐标系 、 无人机地理坐标系 、 GPS坐标系和大地 直角坐标系； 步骤三： 根据图像建立图像像素坐标系和图像物理坐标系， 然后计算图像上的目标点 实际位置在相机坐标系内的三维坐标； 步骤四： 将步骤三中计算得到的目标点在相机坐标系内的三维坐标代入到无人机地理 坐标系中， 得到图像上目标点实际位置在无人机地理坐标系中的三维坐标； 步骤五： 将步 骤四中计算得到的目标点在无人机地理坐标系中的三 维坐标代入到大地直角坐标系中， 得 到图像上目标点实际位置在大地 直角坐标系中的三维坐标； 步骤六： 将步骤五中计算得到的目标点在大地直角坐标系中的三维坐标代入到GPS坐 标系中， 得到图像上目标点实际位置在GP S坐标系中的三维坐标。 2.根据权利要求1所述的一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 在所述相机坐标系 中， 以相机的平面中心点作为原点， 记作Oc， 以相机的光轴方向作为Z轴方向， X轴和Y轴的方 向与图像中的X轴和Y轴的方向相同。 3.根据权利要求1所述的一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 在所述无人机地理坐 标系中， 以无人机的实际位置为原点， 以无人机与地面的垂线为Z轴， 以无人机的正南方向 作为Y轴， 以无人机的正东方向作为X轴， 在俯拍时， 陀螺仪的偏航角、 俯仰角以及横滚角分 别代表相机坐标系和无人机坐标系三个极轴之间的旋转角度； 所述GPS坐标系即世界大地 坐标系WGS ‑84， 坐标原点为地球质心， X轴由原点指向本初子午线与赤道的交点， Z轴指向地 球北极方向， Y轴垂直于XOZ的平面， 并与X、 Z轴构成右手坐标系， 在该坐标系下任意一点的 坐标可以表示为B、 L、 H， 分别代表该点的纬度、 经度以及高度； 所述大地直角坐标系的坐标 轴以及坐标原点与GP S坐标系的坐标轴和坐标原点完全重合。 4.根据权利要求1所述的一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 在步骤三中， 所述图 像像素坐 标系是以当前拍摄的图像左上角为原点， 以像素为坐 标单位的直角坐标系， Xp和Yp 分别表示该像素在数字图像中的行数与列数， 所述图像物理坐标系是以相机光轴与相机内 部图像传感器的交点为原点， 以实际物理尺寸为单位的直角坐标系， 其中Xw轴、 Yw轴分别与 图像像素坐标系的Xp和Yp轴平行。 5.根据权利要求4所述的一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 在图像中选择一目标 点P以及像素点p， 其中， 是像素点p在图像像素坐标系中的图像物理坐标， 是像素点 p 在图像像素坐标系中的图像像素坐标， 与目标点 P 的相 机坐标系坐标 的关系式如下： ………………. （5‑1） ， 像素点 p 的图像像素坐标 与其图像物理坐标 的关系如下：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115511956 A 2………………… （5‑2） ， 其中， 为相机的焦距， 为图像 主点， 即相机光轴与相机内部图像传感器交点的图像像素坐标； dx 和dy别为相机的单个像 元在Xw和Yw方向上的物理尺寸； 结合关系式 （5 ‑1） 以及关系式 （5 ‑2） 可以将像素点 p 的图 像像素坐标 转化为像素点 p的图像物理坐标 ， 同时得到图像中目标点 P在相机坐标系中坐标为 。 6.根据权利要求1所述的一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 在步骤四中， 相机坐 标系中的点的三 维坐标到无人机地理坐标系的坐标转换步骤如下： S1： 将坐标系绕X轴沿右 手螺旋方向旋转， 即右手握住旋转轴， 四指指向方向为转动方向， 转换矩阵 ； S2： 将坐标系绕Y轴沿右手螺 旋方向旋转， 转换矩阵 ； S3： 将坐标系绕Z轴沿右手螺 旋方向旋转， 转换矩阵 ； 上述步骤中 ， ， 为拍摄照片时， 陀螺仪获取的横滚角、 俯仰角、 方位角的 度数； 图像中目标在无人机地理坐标系中表示为 …………（6‑1） ， 得到图像中 目标点实际位置在无 人机地理坐标系坐标表示 为 。 7.根据权利要求6所述的一种无人机成像定位方法， 其特征在于： 在步骤四中， 计算无 人机和目标点连线与无人机到地面的垂线的夹角 、 无人机和目标点的连接与无人机到图 像中心点连接之间的夹角 ； 随后利用拍摄该照片时的获取的无人机GPS信息 和 ， 计算目标在无人机地理坐标系中的坐标， 目标在无人机地理坐标系Z轴上的投影， 即目 标点的无人机地理坐标系Z轴坐标是 ， 根据该Z轴坐标值与相机焦距的比值， 分别计算X轴的坐标 、 Y轴的坐标 ， 得到无人机地理坐标系中的 坐标 ， 其中 为相机的焦距 和 分别代表无人机拍照时的经度、 纬权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115511956 A 3