【摘要】：在靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,對(duì)飛行器進(jìn)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(píng)估飛行器飛行平穩(wěn)性性能的重要依據(jù),而且對(duì)飛行器故障分析、氣動(dòng)外形建模、改進(jìn)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(jià)值。以大口徑光電經(jīng)緯儀測(cè)量空間飛行器姿態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)為背景,開展基于機(jī)器視覺的飛行器高精度姿態(tài)測(cè)量的方法研究。論文建立了長(zhǎng)基線遠(yuǎn)距離光電經(jīng)緯儀成像模型,推導(dǎo)了攝影坐標(biāo)系、經(jīng)緯儀坐標(biāo)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(jiǎn)化模型。鑒于圖像質(zhì)量直接關(guān)系特征檢測(cè)的成敗,論文首先開展了圖像預(yù)處理技術(shù)研究。分析經(jīng)緯儀圖像畸變?cè)?采用徑向畸變校正和基礎(chǔ)矩陣的線性優(yōu)化完成攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),較好消除了光電經(jīng)緯儀成像的幾何畸變;針對(duì)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(cè)量做了有利的鋪墊。飛行器姿態(tài)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)是目標(biāo)的特征提取。它不僅直接影響后續(xù)姿態(tài)測(cè)量參數(shù)的精度,而且關(guān)系到姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是否有效。為了提高測(cè)量精度和節(jié)省資源,針對(duì)傳統(tǒng)加速穩(wěn)健特征(Speed Up Robust Features,SURF)特征算子做出改進(jìn),提高了算法對(duì)幾何變形和位置誤差的魯棒性和匹配速度。在檢測(cè)特征點(diǎn)的基礎(chǔ)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(duì)姿態(tài)測(cè)量精度進(jìn)行了詳細(xì)分析。為進(jìn)一步提升算法穩(wěn)健性,針對(duì)靶場(chǎng)目標(biāo),提出基于核密度估計(jì)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(biāo)的姿態(tài)參數(shù)。靶場(chǎng)飛行器姿態(tài)視覺測(cè)量算法精度是一個(gè)很重要的系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。從算法角度評(píng)價(jià)其誤差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響是一個(gè)困難問題,其難點(diǎn)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(jì)姿態(tài)視覺測(cè)量誤差估計(jì)方法研究。經(jīng)緯儀拍攝、記錄的飛行器圖像,通過圖像預(yù)處理去除畸變、噪聲,采用多尺度二階描述子進(jìn)行目標(biāo)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(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,在目標(biāo)成像像元數(shù)500像素時(shí),測(cè)量精度0.1°。
【圖文】：

(a) 低對(duì)比度飛機(jī) （b）條紋干擾圖像（c）復(fù)雜背景下導(dǎo)彈 （d）復(fù)雜背景下火箭彈圖1.1 靶場(chǎng)圖像1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀飛行器姿態(tài)測(cè)量按照傳感器類型分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。接觸式測(cè)量也稱姿態(tài)內(nèi)測(cè)，此類方法使用的測(cè)量傳感器附著于飛行器本身，隨飛行器的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；非接觸式測(cè)量也稱姿態(tài)外測(cè)，其測(cè)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(tái)之上，利用經(jīng)緯儀、雷達(dá)等測(cè)量設(shè)備對(duì)飛行器進(jìn)行測(cè)量。目前，用于姿態(tài)內(nèi)測(cè)的傳感器設(shè)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(dǎo)設(shè)備(IMU)等，這些設(shè)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(cè)方法存在著明顯的不足，主要體現(xiàn)在測(cè)量方法和測(cè)量精度的魯棒性在一定條件下會(huì)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(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量，存在如下問題：（1）測(cè)量方法欠魯棒性。飛行器在某些動(dòng)作下姿態(tài)測(cè)量可能失敗。若GPS天線背離衛(wèi)星方向

光電經(jīng)緯儀
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V217;TP391.41

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本文編號(hào)：2525393