刚体运动参数实时测量系统研究

论文摘要

在航天、机器人等研究领域中,研究对象的运动参数不仅可以修正其惯性测量单元的漂移,而且可以作为实验结果鉴定及事故原因判定的重要依据。另外在一些应用场合中需要实时监测目标的运动,因此研制刚体目标运动参数实时测量系统势在必行。为此,本文做了以下几方面的研究工作:首先,设计了刚体目标运动参数实时测量系统方案。基于特征线的运动参数视觉测量原理设计了目标运动参数视觉测量系统总体方案,并基于此测量原理提出了坐标系统一方法,同时针对多相机同步问题,设计了多相机外部触发同步方案;并简单介绍了测量系统中主要硬件设备及开发环境。其次,研究了基于LabVIEW FPGA的图像实时采集、特征点的检测及坐标提取等算法。针对基于NI FlexRIO FPGA的高速图像采集处理系统,利用FIFO传输技术、乒乓操作技术及DMA传输等技术实现了图像的实时采集及显示功能;针对特征点快速检测及坐标提取问题,结合FPGA并行处理能力提出了一种改进的模板检测算子,能够快速且无重复地检测到特征点,进而利用流水线技术对灰度重心法分级操作实现了特征点中心坐标高精度提取。然后,对特征点运动跟踪及目标运动参数实时估计问题进行了研究。在测量过程中,由于相机视场限制及其它原因造成的特征点丢失或大量伪点出现等情况,使其在实际应用中遇到特征点再入时难以跟踪或无法分辨真伪点等难题。针对此问题,本文基于运动光滑性约束思想建立了特征点的运动模型,并采用优化算法搜索特征点的运动轨迹,有效地解决了遮挡及伪点情况下的特征点运动跟踪问题;同时,为了提高运动参数的测量精度及处理遮挡情况下的运动参数实时估计等问题,本文建立了基于特征线的运动参数估计模型,并重点推导了该模型的量测方程转移矩阵,最终利用扩展卡尔曼滤波算法实现了运动参数的实时估计。最后,对测量系统的软件平台和硬件平台进行设计,进行了一组刚体目标运动参数实时测量动态实验,并对实验结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 目标运动参数测量方法研究现状
• 1.2.2 图像采集处理系统研究现状
• 1.2.3 目标运动参数视觉测量关键问题及其研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 目标运动参数实时测量系统方案
• 2.1 引言
• 2.2 目标运动参数实时测量系统总体方案设计
• 2.2.1 基于特征线的目标运动参数视觉测量原理
• 2.2.2 目标运动参数实时测量系统总体方案
• 2.2.3 坐标系统一方法
• 2.2.4 多相机外部触发同步方案设计
• 2.3 系统硬件设备及开发环境
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于LabVIEW FPGA的图像实时采集处理算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 图像实时采集及处理的总体框架
• 3.3 图像数据实时采集及显示的实现
• 3.3.1 图像数据的采集
• 3.3.2 图像的显示
• 3.3.3 图像数据实时采集及显示流程
• 3.4 基于LabVIEW FPGA的图像实时处理算法
• 3.4.1 图像预处理及其它相关技术
• 3.4.2 特征点快速检测
• 3.4.3 特征点高精度提取
• 3.5 基于LabVIEW FPGA的图像采集处理实验验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 特征点运动跟踪及目标运动参数实时估计方法
• 4.1 引言
• 4.2 特征点运动跟踪
• 4.2.1 特征点运动跟踪问题阐述
• 4.2.2 模型建立
• 4.2.3 特征点运动跟踪算法研究
• 4.2.4 特征点运动跟踪算法实验验证
• 4.3 目标运动参数实时估计
• 4.3.1 目标运动学模型
• 4.3.2 目标位姿参数估计模型
• 4.3.3 基于扩展卡尔曼滤波算法的目标运动参数实时估计
• 4.3.4 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 运动参数测量软件设计与实验结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 目标运动参数实时测量软件平台设计
• 5.2.1 图像采集处理软件
• 5.2.2 位姿解算软件
• 5.3 目标运动参数实时测量实验及结果分析
• 5.3.1 目标运动参数实时测量系统硬件平台设计
• 5.3.2 运动目标位姿实时测量实验流程
• 5.3.3 运动目标位姿实时测量实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢