论文摘要
飞行速度是无人机导航中的一个重要参数,特别是在某些需要通过速度来定位的应用领域,高精度的测量速度是至关重要的。本文紧扣武器装备发展的实际需要,研究了飞行器测速的相关因素,提出了一种基于序列图像的飞行器速度大小的测量方法,使用该方法完成了无人机速度大小测量和月球着陆器着陆下降过程横向速度测量;介绍了基于实时图与基准图匹配的无人机速度矢量测量方法,针对该方法工程中遇到的大地测量学的问题进行了研究,提出了解决方法。基于序列图像的无人机速度大小的测量方法和月球着陆器着陆下降过程横向速度测量方法使用了基于生物视觉的目标识别与匹配方法,基于实时图与基准图匹配的无人机速度矢量测量方法则比较了分别使用协方差相关亚像素定位方法、最小二乘影像匹配方法和基于生物视觉的目标识别与匹配方法得到的测速结果。本文针对基于生物视觉的目标识别与匹配方法进行了大量的半实图仿真实验,给出了该方法的适应范围和在适应范围内的匹配精度。基于序列图像的无人机速度大小的测量方案利用无人机上已有的惯导装置、高度计和可见光或红外摄像机,在连续成像的条件下,通过匹配跟踪得到地面同名点在相邻两帧实时图中的位置,利用飞行高度、姿态信息和成像帧频实时计算得到无人机的瞬时速度大小。在无人机的匀速平飞段,通过大量数据拟合实时得到了高精度的径向平均飞行速度。月球着陆器着陆下降过程横向速度测量方法与基于序列图像的无人机速度大小的测量方法由类似之处,其区别在于测速过程中前后两帧图像成像时无人机的高度发生明显的变化,因此测量过程中应在上一方法的基础上消除高度变化的影响。基于实时图与基准图匹配的无人机速度矢量测量方法中实时图与基准图匹配得到的机下点坐标以及由此计算得到的横向和纵向分量都是在大地测量中的高斯投影坐标系中表示的,无人机在飞行过程中需要得到的是大地坐标系中的东、北向速度分量,因此本文研究了两者的区别,给出了解决方法。同时本文给出了根据实时图与基准图匹配坐标来修正无人机上的惯导速度时所需要的高精度的实际飞行速度与惯导速度的差别,进而将这一差别传送给惯导以修正其误差。分别对速度大小测量方法和速度矢量测量方法进行了实验,分析了其中的误差因素,介绍了景象匹配的置信度,提出了一种测速测量结果置信度的评价方法。通过挂飞试验对方法进行了验证,得到了满足工程实时性和高精度要求的测速结果。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 概述1.2 课题来源1.3 系统组成1.4 本文主要研究内容第二章 景象匹配方法及基于生物视觉的匹配精度实验2.1 引言2.2 归一化协方差互相关亚像素定位方法2.2.1 归一化协方差互相关方法2.2.2 归一化协方差互相关方法亚像素定位方法2.3 最小二乘影像匹配方法2.3.1 最小二乘影像匹配原理2.3.2 最小二乘影像匹配解算方法2.3.3 最小二乘影像匹配精度分析2.4 基于生物视觉的目标识别与匹配方法2.4.1 原理描述2.4.2 Gabor 函数作用分析2.5 基于生物视觉的目标识别与匹配方法精度实验2.5.1 实验目的2.5.2 实验内容2.5.3 实验结果及数据分析2.6 本章小结第三章 基于序列实时图的无人机速度大小测量方法3.1 引言3.2 基于序列图像的无人机速度大小测量工作流程3.3 基于序列图像的无人机速度大小测量基本模型3.4 基于序列图像的无人机速度大小测量改进模型3.5 基于序列图像的无人机速度大小测量仿真结果3.6 基于序列图像的无人机速度大小测量实际飞行试验结果3.7 月球着陆器着陆下降过程横向速度测量方法3.7.1 工作条件3.7.2 解决策略3.7.3 定位误差分析3.7.4 瞬时速度误差分析3.7.5 滤波效果分析3.7.6 提高测速精度的方法3.8 本章小结第四章 基于实时图与基准图匹配的速度矢量测量方法4.1 引言4.2 基于实时图与基准图匹配的无人机速度矢量测量方法介绍4.3 实时图中机下点的计算方法4.4 由景象匹配坐标计算速度4.5 点在大地坐标系中的表示方法及相互关系4.5.1 子午面直角坐标系同大地坐标系的关系4.5.2 空间直角坐标系与子午面直角坐标系的关系4.5.3 空间直角坐标系与大地坐标系的关系4.6 利用子午线收敛角修正速度方向4.6.1 子午线收敛角的概念4.6.2 由经纬度求子午线收敛角的方法4.6.3 由子午线收敛角校正速度矢量4.7 惯导速度修正量解算方法4.8 基于实时图与基准图匹配的无人机速度矢量测量结果及误差分析4.8.1 试验结果4.8.2 误差分析4.9 本章小结第五章 景象匹配及测速结果置信度分析5.1 引言5.2 归一化协方差互相关景象匹配置信度5.2.1 实验统计方法5.2.2 理论分析方法5.2.3 置信度的使用方法5.3 测速结果置信度5.4 本章小结结束语1 本文结论2 展望致谢参考文献作者在学期间取得的学术成果附录A 参考椭球及椭球面上常用坐标系A.1 参考椭球A.1.1 基本概念A.1.2 常用参考椭球A.2 椭球面上常用的坐标系及相互关系A.2.1 椭球面上的常用坐标系附录B 地球投影与变形B.1 概述B.2 定义与概念B.3 高斯-克吕格投影
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