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設(shè)備與工具在沒有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 的情況下，無人駕駛飛行器 (UAV) 的運行仍然是研究人員和商業(yè)發(fā)展感興趣的領(lǐng)域。對于圖像強度不同的許多基于特征的導(dǎo)航技術(shù)來說，合適的增益設(shè)置是一個挑戰(zhàn)。圖1顯示了從 LWIR 傳感器的輻射原始數(shù)據(jù)獲得的圖像幀，其中應(yīng)用了增益和偏移以最大化各個圖像的對比度。包括每個圖像的溫度范圍，以展示觀察到的熱發(fā)射率隨一天中的時間和所觀察的地形類型而變化。
圖1 長波紅外 (LWIR) 傳感器處理后的熱圖像。跑道（左上）和地形（右上）的白天LWIR圖像。跑道（左下）和地形（右下）的夜間圖像?；叶炔蕳l為其相鄰圖像提供以攝氏度為單位的表面溫度
圖2顯示了 LWIR 傳感器的光流處理。我們的光流分析是使用OpenCV中實現(xiàn)的Lucas–Kanade (LK)方法計算的。該實現(xiàn)使用Shi-Tomasi角點檢測器來識別初始圖像中的突出特征塊。然后使用LK 跟蹤方法將這些補丁位置匹配到后續(xù)幀中。圖2a顯示了在應(yīng)用最佳增益和偏移以最大化這對圖像的對比度后，在夜間捕獲的兩個連續(xù)幀的結(jié)果圖像。
圖2 長波紅外傳感器夜間流動處理。(a) 連續(xù)圖像之間的關(guān)鍵點匹配。(b) 初始幀中良好特征的位移到后續(xù)圖像中匹配位置的箭袋圖（紅色箭頭）。使用的最佳（藍色）和最差（黃色）特征用彩色箭頭標(biāo)注。（c）（左）初始幀中的最佳特征補丁（如（b）中注釋）；（右）后續(xù)幀中的匹配補丁。(d) 關(guān)鍵點的X和Y角位移集的直方圖。
在飛行前，TF方法的經(jīng)驗評估如下進行。LWIR傳感器針對由實驗室內(nèi)的環(huán)境條件設(shè)定的強度大致均勻的場景。通過將玻璃圓筒加熱到環(huán)境溫度以上產(chǎn)生的“熱”標(biāo)記被放置在距離傳感器已知范圍（2.0 m）的場景中。然后標(biāo)記垂直于傳感器視圖移動已知距離（0.078 m）。在之前和之后的條件下都捕獲了LWIR 幀。范圍和距離的受控值允許對熱標(biāo)記特征的位移角進行數(shù)值計算。對兩個框架進行熱流處理以確定角位移。圖3顯示處理后的幀。
圖3 LWIR 流動處理的實驗室評估。評估圖像之間匹配的單個熱門特征
使用的固定翼飛機是三角翼配置的Zeta Science FX61機身，翼展1.5 5m，質(zhì)量1.4 kg，并配備了航空電子設(shè)備以進行實驗飛行。三角翼配置包括被稱為升降舵的控制面，它線性地結(jié)合了傳統(tǒng)固定翼飛機中使用的副翼和升降舵控制面的功能，以實現(xiàn)獨立的橫滾和俯仰控制。如圖4所示，專門制造的飛機被組裝成包含LWIR傳感器在內(nèi)的航空電子設(shè)備。Ardupilot開源自動駕駛儀嵌入到配備GPS和指南針模塊的Pixhawk自動駕駛儀上。使用的自動駕駛配置能夠以50Hz的頻率更新飛機的兩個升降舵控制面，這適用于控制這種類型的固定翼飛機。
圖4 實驗飛機（左上）和底部（左下）的圖像，頂部（中）和底部插圖（右）。布局包括 (A) Raspberry Pi 嵌入式計算機，(B)LWIR 傳感器，(C)PX4FLOW，(D)Pixhawk 自動駕駛儀，(E) 3DR 指南針和 UBlox GPS 模塊，以及 (F)機翼照明
在整個飛行實驗部分中， OGC實施的所有控制和處理均在飛機上以閉環(huán)方式完全執(zhí)行，同時以全速記錄所有相關(guān)信號的數(shù)據(jù)記錄。如圖5所示，無人機在白天和夜間條件下均手動發(fā)射，通過取消飛行前后的滑行要求，簡化了夜間的地面操作。為了符合夜間飛行的運行批準(zhǔn)，增加了機翼照明條，如圖4所示。
圖5 白天（左）、夜間（中）和夜間開燈飛行中的實驗飛機（右）
實驗是在位于南澳大利亞的一個現(xiàn)場進行的。選擇該站點是因為它允許進行無人系統(tǒng)實驗，包括無人機的夜間操作。在地理上，該地點是一個干旱地帶景觀，具有稀疏的膝蓋高度的自然植被和起伏的地形。由于地處偏遠，操作區(qū)域內(nèi)的人工特征極少。該地點在春季和夜間都在白天和夜間使用，風(fēng)力適宜，但其他情況下則晴朗溫和。圖6顯示該站點的衛(wèi)星視圖和海拔地圖。該場地位于已獲準(zhǔn)使用的封閉跑道附近。在實驗期間，衛(wèi)星地圖上所有明顯的河床都是干涸的。這種環(huán)境的海拔高度相當(dāng)平坦，變化大約十米，確保在任何方向的飛行過程中，地面以上的高度隨時間緩慢變化。
圖6 實驗測試地點衛(wèi)星視圖和海拔圖
通過在天黑后在地面以上400m的高度操作無人機來定性地評估檢測足夠紋理的能力。這個高度是OGC-TF飛行實驗的8倍，也大大高于許多國家小型無人機的監(jiān)管高度上限（400 英尺）（國際民用航空組織，2019 年）。獲取下方地形的LWIR圖像，并應(yīng)用熱流處理來生成圖7中的顫動圖。
圖7 從海拔 400m 處獲取的圖像中獲得的示例圖像和產(chǎn)生的流場。(a) 包含跑道和小型基礎(chǔ)設(shè)施的圖像，帶有特征運動的顫動圖。(b) 僅帶有顫動圖的自然場景圖像。自然場景具有更多識別跟蹤的特征
這項研究顯示了長波紅外傳感器在擴展長距離低復(fù)雜度導(dǎo)航能力以允許在黑暗條件下操作方面的實用性。使用低成本、商用技術(shù)和低分辨率、低幀率LWIR傳感器已經(jīng)證明了擴展到這個具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
源自：https://doi-org.uconn.80599.net/10.1002/rob.22015
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