飞行目标位置和姿态光电测量技术的研究与应用

论文摘要

光电测量技术具有非接触、精度高等优点，在测量飞行目标的相对位置和姿态的导航系统中具有重要的应用，如舰载直升机助降光电引导系统、航天器空间交会对接过程中的光电导航系统等。而这些应用在系统的测量精度和实时性方面都有较高的要求，因此对于精确、快速的光电测量技术进行研究有重要科学意义和应用价值。本文介绍了直升机助降光电引导系统和航天器空间交会对接光电导航系统中所采用光电测量技术的发展现状、趋势以及基本理论。从理论上和实验上分别对单目视觉的测量技术、双目视觉的测量技术和相位式激光测距技术进行了深入的研究。正交迭代OI(Orthogonal Iteration)算法是一种快速且能全局收敛的单目摄影测量算法。但是使用该算法在近距离对三维目标测量时，距离测量误差较大。本文提出了增加旋转矩阵约束条件的改进方法，建立了共面特征点的共线性方程，得到了一种快速、准确且能全局收敛的位置、姿态测量算法。计算机仿真表明，采用本文改进算法总能得到正确的旋转矩阵，同时也提高了距离测量精度。本文还对拍摄的三维目标真实图像进行了实验研究，使用改进算法测到的相对距离和旋转角的精度都优于OI算法的结果。改进算法对于二维或三维目标位置与姿态测量技术具有重要的理论和实用价值。针对舰载直升机助降光电引导技术，本文建立了一种双摄影测量算法模型，该模型是在目标模板两侧各安装了两台摄像机，分别获取飞行目标两侧特征点的图像，在提取出特征点的图像坐标后，使用线性算法计算出目标相对位置和姿态的初始解，再使用非线性优化算法得到了最优解。在研究双摄影测量算法模型的基础上，建立了一套直升机助降光电引导演示系统。它由两台大功率半导体激光照明装置和两台精密CCD(Charge Coupled Device)摄像机、目标模板以及高性能DSP(Digital Signal Processing)数据处理装置组成。实现了实时图像处理、目标跟踪和位姿参数的测量。进行了室外实验，测量得到目标的相对平移误差小于5cm，偏航角误差小于±3°，其精度与国外直升机光电助降系统ASIST(aircraftship integrated secure and traverse)的技术指标相近。该直升机着舰助降演示系统在国内尚未见报道。本文基于基因遗传算法求解病态矩阵的方法，对国外文献中一种经典的多平面摄像机镜头标定方法进行了改进，该标定方法可以同时利用目标空间和图像空间的特征，能得到较为精确的像机内部参数，但是在模板平面旋转角度较小时，计算结果会出现不稳定。仿真计算表明，采用本文改进方法后得到了更为稳定和准确的像机内部参数。由此求解出反向投影畸变模型下的镜头畸变系数，能够适用于实时测量系统。该方法具有重要的理论和实用价值。为了确定飞行目标位置，本文对传统的相位式激光测距方法进行了改进，提出了一种快速、高精度的相位式激光测距方法。该方法采用内、外光路替代传统机械转换光路的方法，去除了电路中的附加相移，提高了测量速率。使用单片机、复杂可编程逻辑器件进行数据处理与逻辑控制，简化了电路设计，提高了系统的稳定性。进行了室内测量，实验测量速率达到5Hz，测距数据精度3σ小于81．181mm，稳定度3ε小于3．688mm。本文研究的相位式激光测距方法对今后的工程系统研制具有重要的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光电测量技术研究与进展
• 1.1.1 基于视觉的相对位置、姿态测量技术
• 1.1.2 摄像机镜头标定与畸变校正方法
• 1.1.3 激光测距技术
• 1.2 光电测量在直升机着舰助降技术中的应用
• 1.2.1 直升机着舰助降系统的应用背景
• 1.2.2 直升机助降技术的发展概况
• 1.3 光电测量技术在空间交会对接中的应用
• 1.3.1 空间交会对接技术的应用背景
• 1.3.2 国内外空间交会对接的发展与现状
• 1.3.3 空间交会对接中光电测量技术的发展
• 1.4 光电测量技术在其他导航系统中的应用
• 1.5 论文的结构与内容安排
• 1.6 本章小节
• 第二章 目标位置、姿态光电测量技术的基本理论
• 2.1 摄影测量系统概述
• 2.2 提取特征目标的基本方法
• 2.2.1 图像预处理与图像分割
• 2.2.2 特征点识别与定位
• 2.3 摄像机理想成像模型
• 2.4 单目摄影测量算法
• 2.4.1 共线性方程
• 2.4.2 非线性位姿估计算法
• 2.4.3 基于正交投影模型的位姿计算
• 2.5 激光测距基本原理
• 2.5.1 激光测距方法简介
• 2.5.2 相位式激光测距方法
• 2.5.3 相位式激光测距中的鉴相方法
• 2.6 本章小节
• 第三章 摄像机镜头标定方法研究
• 3.1 摄像机镜头标定基本理论
• 3.1.1 理想针孔成像模型
• 3.1.2 非线性畸变模型
• 3.1.3 反向投影畸变模型
• 3.2 一种改进的基于多平面的像机参数标定方法
• 3.2.1 基于平面的标定方法
• 3.2.2 基于遗传算法求解内部参数
• 3.2.3 计算反向投影模型下的镜头畸变参数
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 数值计算结果与讨论
• 3.3.2 真实图像实验与结果
• 3.4 本章小节
• 第四章 摄影测量算法的研究
• 4.1 单目摄影测量算法的研究
• 4.1.1 目标函数与求解
• 4.1.2 迭代求解过程
• 4.1.3 改进算法收敛特性的讨论
• 4.1.4 数学仿真与结果分析
• 4.2 双摄影测量算法
• 4.2.1 双摄影测量模型
• 4.2.2 双摄影测量方程组的求解
• 4.3 本章小节
• 第五章 光电测量演示系统的研究与实验
• 5.1 直升机位姿参数光电测量演示系统
• 5.1.1 光电引导助降演示系统的组成
• 5.1.2 特征目标模型、激光照明与CCD成像装置的设计
• 5.1.3 激光器功率的选择
• 5.1.4 DSP视频处理单元的结构
• 5.1.5 图像处理与特征点坐标提取
• 5.1.6 目标识别与跟踪
• 5.1.7 双摄像机相对位姿关系的标定
• 5.1.8 直升机着降光电引导演示系统实验研究
• 5.2 对改进正交迭代算法的实验研究
• 5.3 相位式激光测距仪设计与实验研究
• 5.3.1 测量频率的选择
• 5.3.2 激光测距仪测程分析
• 5.3.3 光路结构
• 5.3.4 电路结构
• 5.3.5 鉴相原理
• 5.3.6 硬件组成
• 5.3.7 实验结果分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文