Acuro二维码识别与降落对准_acuro码

什么是Aruco码？

Aruco码能做什么？

 搜索任务、自主降落等辅助标识

 替代复杂任务中较难识别的目标（短期替代、长期替代）

 SLAM中的地标

 反解无人机位置、实现定点

 …

 最容易识别的目标之一

1 候选框检测

Aruco码外部由正方形框构成，因此，首先肯定要检测出候选框，由于透视变换的影响，导致正方形在图像上的投影可以为任意4边形，唯一可知的性质就是，这个4边形一定是具有凸性的，代码也是利用这个性质进行筛选的。

候选4边形检测算法分为三个阶段：

• 凸四边形检测
• 角点排序
• 去除相似框

1.1 凸四边形检测

记检测过程的第一步之一是对输入图像进行自适应二值化处理adaptiveThreshWinSizeMin控制的是最小窗口，adaptiveThreshWinSizeMax控制的是最大窗口，adaptiveThreshWinSizeStep控制窗口步长，如果二维码太大，则窗口小可能会“破坏”标记边界，导致无法检测到它。如果二维码太小，则窗口小会产生相同的效果，并且还会降低性能。而且，该过程将趋向于全局阈值化，从而失去了自适应收益。

1.1 凸四边形检测

基于规则的凸四边形检测

• 特别大特别小的轮廓一般都不会是目标，最小周长阈值为minPerimeterPixels = minPerimeterRate * max(rows, cols)，最大周长阈值为maxPerimeterPixels = maxPerimeterRate * max(rows, cols)
• 对这个轮廓进行多边形逼近approxPolyDP(contours[i], approxCurve, double(contours[i].size()) * polygonalApproxAccuracyRate, true);。
  double(contours[i].size()) * polygonalApproxAccuracyRate是对应的逼近精度，简单来说，越大的轮廓具有更大的逼近阈值。
• 轮廓逼近点必须为4个点（4边形），且这个4边形一定是凸的，否则这个轮廓就一定不是目标轮廓。
• 4边形的4个角点之间的最小距离minDistSq必须大于轮廓周长*minCornerDistanceRate，否则就不是候选。
• 判断4边形是否存在一个角点离图像的边界非常近，打个比方，角点的坐标为（1,1），与图像边界非常近，如果有那么这个就扔掉，边界距离阈值为minDistanceToBorder。

1.2 角点排序

角点排序使用函数_reorderCandidatesCorners(candidates);，保证角点的顺序是顺时针方向，

仅此而已。

1.3 去除相似4边形

对于两个4边形，其4个角点之间的最短平均距离如果小于两个矩形的最小周长*minMarkerDistanceRate，那么就认为这两个矩形是相似的。矩形的周长就是轮廓像素个数，两个

相似4边形，周长小的会被扔掉。

2 二维码识别（比特提取）

2.1 对每个四边形利用getPerspectiveTransform和warpPerspective进行透视变换，透视变换的目标为方形，其边长为perspectiveRemovePixelPerCell*比特边长

例如，假设我们正在处理5x5位的标记和1位的边框大小。然后，每个维度的单元/位总数为5 + 2 * 1

= 7（边界必须计数两次）。单元格总数为7x7。 如果PerspectiveRemovePixelPerCell的值为10，则所获得图像的大小将为10 * 7 = 70-> 70x70像素。

2.2 判断四边形内部是否为全黑或全白。先移除边框，然后利用meanStdDev计算区域的均值和方差，如果方差小于minOtsuStdDev，说明是全黑或全白，如果均值大于127，则认为是全白，否则全黑。

2.3 利用大津阈值对透视变换后的图像做个二值化threshold(resultImg, resultImg, 125, 255,

THRESH_BINARY | THRESH_OTSU);

2.4 因为已经知道码标的边长的比特数，那么就直接对二值化图像提取出对应的图像块。图像块的四周靠近边界部分肯定有噪声，所以四周边界部分扔掉，那么这个边界宽度为cellMarginPixels =

perspectiveRemoveIgnoredMarginPerCell * perspectiveRemovePixelPerCell

3 对检测出的二维码候选进行过滤

检测结果中可能会出现两个码标ID一样，且其中一个码标在另一个码标里面，属于包含关系。

那么针对这个情况就要先找出具有包含关系的矩形，判断ID是否一样，一样就删掉。

4 角点修正

前面步骤检测出的角点都是像素级的，用于后续位姿估计时候可能会有误差，因此检测出角点之后，需要对其进行细化，得到亚像素角点，细化方法有两种，分别为：角点细化（CORNER_REFINE_SUBPIX）和拟合直线细化（CORNER_REFINE_CONTOUR）。细化方法的选择，指定参数cornerRefinementMethod即可，算法默认是不细化的。

5 姿态估计

PnP（Perspective-n-Point）是求解3D到2D点对运动的方法。它描述了已知n个3D空间点及其

图像上的投影位置时，如何估计相机的位姿。

PnP问题有很多种求解方法，例如，用3对点估计位姿的P3P、直接线性变换（DLT）、EPnP、

UPnP，等等。此外，还能用非线性优化的方法，构建最小二乘问题并迭代求解，也就是Bundle

Adjustment。

Prometheus中的二维码识别与封装

Aruco检测代码位置：

Modules\object_detection\aruco_det.cpp
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如何使用Prometheus控制接口进行目标跟踪？

**代码位置：**Modules\mission\autonomous_landing\autonomous_landing_aruco.cpp

 订阅识别模块的输出（大部分都需要坐标转换，并进行数据处理）

"/prometheus/object_detection/aruco_det"
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 订阅无人机的状态（除了xyz信息之外，判断飞机当前模式、解锁等）

"/prometheus/drone_state"
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 发布控制指令

“/prometheus/control_command”

 简易状态机的实现（处理好初始化、起飞、丢失目标、检测到目标、任务失败等逻辑处理），这些不同的状态会对应不同的控制策略，即不同控制指令

 核心状态：目标追踪

目标追踪

 今天不讨论vision-based追踪，只说position-based追踪

 已知目标位置（一般来说只能追静止目标）

 直接飞到那个位置，发送 期望目标点 至控制模块

 将目标位置和当前无人机位置做差，乘以系数得到 期望速度 发至控制模块（推荐）

 已知目标位置和速度（可追动态目标）

 此处不展开

代码讲解与演示环节

启动脚本一: 用于检测识别算法的输出是否准确

Simulator\gazebo_simulator\launch_detection\sitl_aruco_detection.launch
**roslaunch Prometheus_gazebo sitl_aruco_detection.launch**
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启动脚本二: 基于Aruco码的自主降落

Simulator\gazebo_simulator\launch_detection\sitl_landing_on_aruco_marker.launch
**roslaunch Prometheus_gazebo sitl_landing_on_aruco_marker.launch**
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Aruco识别：

Modules\object_detection\aruco_det.cpp
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追踪控制：

Modules\mission\autonomous_landing\autonomous_landing_aruco.cpp
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启动脚本:

Simulator\gazebo_simulator\launch_detection\sitl_aruco_detection.launch (识别测试)
Simulator\gazebo_simulator\launch_detection\sitl_landing_on_aruco_marker.launch （基于
Aruco码的自主降落）
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