【摘要】：在靶場實驗中,對飛行器進行跟蹤并且記錄飛行器飛行的姿態(tài)視頻,以獲得飛行器飛行的三維姿態(tài),不僅是評估飛行器飛行平穩(wěn)性性能的重要依據(jù),而且對飛行器故障分析、氣動外形建模、改進和完善飛行器發(fā)射和跟蹤系統(tǒng)的參考,具有非常重要的價值。以大口徑光電經(jīng)緯儀測量空間飛行器姿態(tài)參數(shù)的實驗任務為背景,開展基于機器視覺的飛行器高精度姿態(tài)測量的方法研究。論文建立了長基線遠距離光電經(jīng)緯儀成像模型,推導了攝影坐標系、經(jīng)緯儀坐標系之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,明確了姿態(tài)參數(shù)的定義,提出了求解姿態(tài)參數(shù)的簡化模型。鑒于圖像質(zhì)量直接關(guān)系特征檢測的成敗,論文首先開展了圖像預處理技術(shù)研究。分析經(jīng)緯儀圖像畸變原因,采用徑向畸變校正和基礎矩陣的線性優(yōu)化完成攝像機標定實驗,較好消除了光電經(jīng)緯儀成像的幾何畸變;針對條紋干擾,提出矩形低通濾波算法,大大提升了圖像的信噪比。上述方法有效改善了圖像質(zhì)量,從而為姿態(tài)視覺測量做了有利的鋪墊。飛行器姿態(tài)測量關(guān)鍵技術(shù)是目標的特征提取。它不僅直接影響后續(xù)姿態(tài)測量參數(shù)的精度,而且關(guān)系到姿態(tài)測量系統(tǒng)是否有效。為了提高測量精度和節(jié)省資源,針對傳統(tǒng)加速穩(wěn)健特征(Speed Up Robust Features,SURF)特征算子做出改進,提高了算法對幾何變形和位置誤差的魯棒性和匹配速度。在檢測特征點的基礎上,提出了構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)高精度姿態(tài)求解模型;并對姿態(tài)測量精度進行了詳細分析。為進一步提升算法穩(wěn)健性,針對靶場目標,提出基于核密度估計的線特征提取算法,利用直線段特征作為約束條件優(yōu)化求解目標的姿態(tài)參數(shù)。靶場飛行器姿態(tài)視覺測量算法精度是一個很重要的系統(tǒng)技術(shù)指標。從算法角度評價其誤差對整個系統(tǒng)的影響是一個困難問題,其難點來自于誤差源的不確定性,目前的研究手段不多,開展了基于蒙特卡羅算法估計姿態(tài)視覺測量誤差估計方法研究。經(jīng)緯儀拍攝、記錄的飛行器圖像,通過圖像預處理去除畸變、噪聲,采用多尺度二階描述子進行目標特征提取,采用構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)及線特征約束的方法姿態(tài)求解。外場試驗結(jié)果表明,在目標成像像元數(shù)500像素時,測量精度0.1°。
【圖文】：

(a) 低對比度飛機 （b）條紋干擾圖像（c）復雜背景下導彈 （d）復雜背景下火箭彈圖1.1 靶場圖像1.2 相關(guān)領域研究現(xiàn)狀飛行器姿態(tài)測量按照傳感器類型分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。接觸式測量也稱姿態(tài)內(nèi)測，此類方法使用的測量傳感器附著于飛行器本身，隨飛行器的運動而運動；非接觸式測量也稱姿態(tài)外測，其測量傳感器和飛行器是非接觸的，通常放置在地面或其他平臺之上，利用經(jīng)緯儀、雷達等測量設備對飛行器進行測量。目前，用于姿態(tài)內(nèi)測的傳感器設備己經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品，，如姿態(tài)衛(wèi)星定位系統(tǒng)(即GPS)、慣導設備(IMU)等，這些設備可以直接給出高精度的姿態(tài)參數(shù)，但是，姿態(tài)內(nèi)測方法存在著明顯的不足，主要體現(xiàn)在測量方法和測量精度的魯棒性在一定條件下會變差。若在飛行器內(nèi)部裝置姿態(tài)衛(wèi)星定位系統(tǒng)(即GPS)實現(xiàn)姿態(tài)測量，存在如下問題：（1）測量方法欠魯棒性。飛行器在某些動作下姿態(tài)測量可能失敗。若GPS天線背離衛(wèi)星方向

光電經(jīng)緯儀
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V217;TP391.41

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本文編號：2525393