基于几何特征量的自主位姿测量方法的研究

论文摘要

本论文研究的方法是利用安装在动态平台上的图像采集系统采集参考平面上的几何量信息,进行平台的自主位姿测量的方法,简称位姿测量方法。本方法的提出是为了适应动态位姿测量系统的实时性强,测量精度高的要求。通过基本的针孔成像原理和几何关系建立数学模型,算法简单,特征参数数量少,计算速度快,测量精度高。将形成靶标的激光指示器同图像采集器结合为同一整体,是保证位姿测量的数学模型简单化的关键问题。在实际的工程应用中可根据现场的具体测量精度要求来研制适合现场使用的测量系统。位姿测量系统是现代控制、导航、跟踪等很多领域中的重要组成部分,可以应用与各种静态和动态的载体上,达到实时测量定位的作用。当前,单目视觉位姿测量方法以简单的结构和灵活的使用性成为了研究的热点。该方法应用前景广阔,如系统导航、无人机着落、目标跟踪定位、三维物体重建、工民建质量检测等等,具有很高的研究价值。本论文主要研究的内容和创新点包括:1.研究了大量国内外的位姿测量系统的发展状况,总结了各类方法的特点和应用中的优势与不足。对现有的位姿测量方法中的具有代表性的方法进行了较为深入的分析和研究,包括它们的理论基础,测量方法的数学模型,靶标的类型及其特点,适合应用的范围、优势和局限性等等。在将各类方法的优势和不足进行了综合的分析后,确定了本文的研究方向和目标,建立一个模型简单,计算速度快,使用灵活,价格低廉的基于几何特性的位姿测量方法。2.在对单目视觉位姿测量的理论基础和各类测量方法的深入研究基础上,构建了一种利用摄像机的透射成像原理中的三角形之间相似关系求解像平面相对参考平面的方位角、俯仰角和光心到光轴与参考平面交点的距离三个位姿参数的方法的数学模型,分析了该方法的测量原理,并对求解每个参数的过程做了详细的推导和说明。3.在构建测量方法的数学模型中,设计了一种可变化的靶标。该靶标是通过激光指示器投射的激光点形成的,激光指示器与摄像机固定在同一载体上成为一个整体,通过摄像机相对参考平面的姿态变化,参考平面上接收的激光点位置相应发生变化,从而能够从中获得姿态的信息。4.根据构建的数学模型,设计了验证该方法的实验平台,在不同的姿态情况下进行了大量的测量实验,测量结果表明该方法能够实现对三个位参数的测量,正确的验证了本论文研究方法的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 位姿测量方法的国内外技术综述
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.3.1 计算机视觉位姿测量系统的研究和分析
• 1.3.2 基于几何特征量的自主位姿测量方法的研究
• 1.3.3 测量系统的验证实验和结果分析
• 第二章 计算机视觉位姿测量系统的研究和分析
• 2.1 基于投影矩阵的单目视觉位姿测量原理
• 2.1.1 系统的成像原理
• 2.1.2 基于3D 立体靶标位姿测量系统
• 2.1.3 基于平面靶标位姿测量系统
• 2.1.4 靶标形状和形式的介绍
• 2.2 基于椭圆度的单目视觉位姿测量原理
• 2.3 基于单目视觉和激光测距仪的位姿测量原理
• 2.3.1 姿态测量算法
• 2.3.2 距离测量算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于几何特征量的自主位姿测量方法的研究
• 3.1 姿态测量原理
• 3.2 靶标形状的分析和设计
• 3.3 求解两个姿态较的数学模型的推导
• 3.3.1 计算方位角的数学模型推导
• 3.3.2 计算俯仰角的数学模型推导
• 3.4 计算参考平面深度的数学模型的推导
• 3.5 另一种分解方式的数学模型推导
• 3.5.1 计算俯仰角的数学模型推导
• 3.5.2 计算方位角的数学模型推导
• 3.5.3 计算深度的数学模型推导
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验验证及数据处理
• 4.1 实验验证平台概述
• AM1410 数字摄像机'>4.1.1 嘉恒OK_AM1410 数字摄像机
• 4.1.2 日本Computar 的FA 镜头
• 4.1.3 精密手动旋转台
• 4.2 实验验证平台搭建
• 4.2.1 制作安装激光指示器的固定装置
• 4.2.2 搭建实验验证系统
• 4.3 实验过程和结果
• 4.3.1 方位角α测量实验数据
• 4.3.1.1 实验数据和数据处理
• 4.3.1.2 计算深度信息
• 4.3.2 俯仰角β测量实验数据
• 4.3.2.1 实验数据和数据处理
• 4.3.2.2 计算深度信息
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢