【摘要】：目前在海上作戰(zhàn)領(lǐng)域,無(wú)人機(jī)是人們研究的熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)要在各種復(fù)雜的任務(wù)環(huán)境中,自主完成起飛、導(dǎo)航以及著陸等一系列任務(wù),其中著陸階段是故障高發(fā)階段。因此研究一種輔助無(wú)人機(jī)安全自主著艦的系統(tǒng)迫在眉睫,由于視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)具有功耗低、體積小、非接觸、易于隱藏、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此本文提出了一種強(qiáng)拒止環(huán)境下的視覺(jué)輔助無(wú)人機(jī)自主著艦系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于單目視覺(jué)獲取無(wú)人機(jī)六自由度位姿的技術(shù),并基于kalman濾波器實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)導(dǎo)航、INS以及雷達(dá)高度計(jì)的組合導(dǎo)航、INS累積誤差校正以及艦船速度信息的預(yù)估計(jì)。本文主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下:1)首先在形狀、尺寸、顏色以及材質(zhì)等方面對(duì)合作目標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì),使得合作目標(biāo)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單包含足夠的特性信息,且具有方向引導(dǎo)性、遠(yuǎn)近距離均適用性以及全天候等性質(zhì)。此外為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,本文對(duì)攝像機(jī)成像模型進(jìn)行了研究并對(duì)其進(jìn)行了離線標(biāo)定。2)本文針對(duì)合作目標(biāo)內(nèi)外部的不同特征本文提出了遠(yuǎn)距離在RGB顏色空間、近距離在HSV顏色空間的圖像預(yù)處理方案,減少了后續(xù)視覺(jué)處理算法的計(jì)算量。3)為了在無(wú)人機(jī)自主著降的過(guò)程中識(shí)別由合作目標(biāo)標(biāo)識(shí)的安全著降平臺(tái),提出了遠(yuǎn)距離合作目標(biāo)完全可見(jiàn)時(shí)應(yīng)用基于Freeman鏈碼與合作目標(biāo)幾何特征結(jié)合的識(shí)別方案,近距離合作目標(biāo)不完全可見(jiàn)時(shí)基于AMIs的橢圓識(shí)別方案。4)由于艦船處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為了防止目標(biāo)丟失,提出了遠(yuǎn)距離時(shí)應(yīng)用基于金字塔LK光流法的角點(diǎn)跟蹤方法。近距離時(shí)利用合作目標(biāo)的顏色特征,采用基于顏色直方圖的CAMShift跟蹤方法,并且實(shí)現(xiàn)了兩種跟蹤算法的自動(dòng)切換,提高了視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。5)為了解決視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)中的位姿解算問(wèn)題,對(duì)系統(tǒng)涉及到的多個(gè)坐標(biāo)系以及坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了研究。為了實(shí)現(xiàn)合作目標(biāo)3D特征點(diǎn)與其2D投影點(diǎn)之間的一一對(duì)應(yīng),提出了遠(yuǎn)距離采用基于DP算法的特征點(diǎn)提取算法,以及基于合作目標(biāo)幾何特征的特征點(diǎn)排序算法;近距離基于橢圓擬合以及橢圓投影模型的橢圓四點(diǎn)提取算法,最后采用PnP算法結(jié)合攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)的位姿進(jìn)行了解算。為了提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與魯棒性,引入了 INS與雷達(dá)高度計(jì)兩種傳感器,設(shè)計(jì)了基于Kalman濾波器的多速率信息融合方案,充分利用了系統(tǒng)傳感器信息,并在Kalman狀態(tài)方程中引入了速度狀態(tài),對(duì)船舶的速度進(jìn)行了預(yù)估計(jì)。研究了 INS 了誤差累積模型,并基于該模型與Kalman濾波器提出了一種INS誤差校正方案。為了驗(yàn)證本文提出的導(dǎo)航系統(tǒng),利用實(shí)時(shí)三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)了三維驗(yàn)證驗(yàn)證場(chǎng)景,對(duì)海洋狀態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并分析了其對(duì)艦船的影響,研究了現(xiàn)存艦船的運(yùn)動(dòng)參數(shù),創(chuàng)建了更加符合現(xiàn)實(shí)的艦船運(yùn)動(dòng)模型。參考導(dǎo)航級(jí)INS的精度以及雷達(dá)高度計(jì)的精度,對(duì)INS與雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行了仿真。最后對(duì)驗(yàn)證驗(yàn)證系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行了分析,實(shí)時(shí)性方面,視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的幀率至少可達(dá)17幀,滿足實(shí)時(shí)性要求;精度方面,位置精度為0.5m,姿態(tài)角精度為1.5?,速度精度為0.8m/s。證明了本文提出的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)融合與INS校正方案的可行性。
【圖文】：

美國(guó)對(duì)伊拉克的第二次與第三次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍將先鋒無(wú)人機(jī)作為可靠系統(tǒng)在戰(zhàn)爭(zhēng)逡逑中占據(jù)了明顯的優(yōu)勢(shì)。此后，各個(gè)國(guó)家充分認(rèn)識(shí)到無(wú)人機(jī)在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要性，競(jìng)逡逑相對(duì)無(wú)人機(jī)展開高新技術(shù)的研發(fā)，圖１．１給出了各國(guó)典型軍用無(wú)人機(jī)示例。逡逑（ａ）美國(guó)“ＭＱ－８”火力斥候邋（ｂ）中國(guó)“翔龍”無(wú)人機(jī)逡逑（ｃ）英國(guó)“風(fēng)凰”無(wú)人機(jī)邐（ｃ0以色列“偵察兵”無(wú)人機(jī)逡逑圖１．１典型軍事無(wú)人機(jī)示例逡逑無(wú)人機(jī)要在各種復(fù)雜的任務(wù)環(huán)境中，自主完成起飛、導(dǎo)航以及著陸等一系列任務(wù)，，逡逑其中故障率發(fā)生最高的任務(wù)為：無(wú)人機(jī)的回收著陸，約５０％的無(wú)人駕駛飛行器在著陸逡逑過(guò)程中會(huì)發(fā)生事故。特別是艦載無(wú)人機(jī)的自主回收，受艦船尺寸、海環(huán)境狀態(tài)以及艦逡逑１逡逑

圖１．２邋ＭＱ－８Ｂ自主著降逡逑
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279;V249.3

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本文編號(hào)：2709401