无人机视觉辅助着陆中的关键技术研究

论文摘要

着陆阶段是飞行事故的高发阶段,对导航系统的精度、可靠性、实时性要求很高。随着无人机在民用和军事领域的广泛应用,无人机的自主着陆导航成为一个迫切需要解决的问题。基于视觉的导航技术将传统的摄影测量、光学测量以及现代计算机视觉和数字图像处理等学科结合起来,具有高精度、非接触、抗干扰、成本低等优点,在无人机着陆中具有良好的应用前景。视觉导航需要事先对像机进行高精度标定,在着陆过程中对实时对目标进行跟踪、匹配,然后利用多目交会、位姿估计解算无人机的位置姿态,将之返回到控制回路,从而引导无人机顺利着陆。本文研究了无人机着陆视觉导航系统的关键技术问题,包括视觉导航系统的像机标定问题、多像机接力测量时的几何约束关系及其在目标跟踪匹配中的应用等。本文研究成果已成功应用于作者所在课题组研制的无人机着陆视觉导航系统。该系统参加了“中航杯-国际无人飞行器创新大赛”,顺利完成了无人机的着陆任务。本文的主要工作有:1、综述了目前飞机飞行及着陆过程中的各种导航方式,分析并比较了其优缺点。重点介绍了地基和机载两种基于视觉的无人机辅助着陆导航方法。2、介绍了像机成像模型,对各种近似模型中所蕴含的空间几何变换不变量进行探讨。3、针对地基测量中的大视场标定问题,给出了基于简易像机模型和无穷单应的两种标定方法;针对机载测量中单像机的内参标定问题,给出了基于平面靶板的标定方法。仿真与现场实验均验证了其正确性。4、针对地基测量精度随距离增大下降的问题,提出采用像机组接力测量的方法。对像机组之间的几何关系进行了研究,提出了利用三视图之间的三焦点张量来引导同名点的匹配方法并进行了仿真验证。5、在算法研究的基础上,设计了软件模块,应用于无人机着陆辅助系统,顺利完成了无人机的着陆任务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 无人机导航方式发展现状
• 1.3 着陆导航发展现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 像机成像模型与基本标定方法
• 2.1 空间几何变换
• 2.1.1 齐次坐标
• 2.1.2 空间变换
• 2.2 像机中心成像模型
• 2.2.1 空间物点到图像像点的坐标转换
• 2.2.2 像差模型
• 2.3 摄像机标定原理
• 2.3.1 摄像机标定方法分类
• 2.3.2 基于立体控制点的两步法标定
• 2.4 本章小结
• 第三章 大视场中像机的快速标定方法
• 3.1 基于简易像机模型的标定方法
• 3.1.1 平差量初值求解
• 3.1.2 捆集调整优化
• 3.1.3 实验结果与分析
• 3.2 基于无穷单应的标定方法
• 3.2.1 无穷单应
• 3.2.2 仿真与实验分析
• 3.3 基于平面靶板的内参数标定方法
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 实验分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 三焦点张量的目标特征点转移匹配
• 4.1 基于对极几何的目标匹配
• 4.1.1 对极几何基本原理
• 4.1.2 引导匹配
• 4.2 基于三焦点张量的目标匹配
• 4.2.1 三焦点张量基本原理
• 4.2.2 仿真分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 无人机辅助着陆系统
• 5.1 方案设计
• 5.1.1 助降要求
• 5.1.2 系统模块
• 5.1.3 硬件选型
• 5.2 实验过程与分析
• 5.2.1 视场设计
• 5.2.2 像机标定
• 5.2.3 目标跟踪与解算
• 5.2.4 结果分析
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 A 光束法平差外参优化中偏导数推导