新目标构型下单帧图像相对状态测量方法

提出了一种新目标特征构型下基于单帧图像的航天器间相对位置和相对姿态测量方法。该方法利用具有对称结构的目标特征点在物体坐标系中的空间坐标以及它们在像平面坐标系中的图像坐标,根据透视成像理论,解算出目标航天器与图像传感器的相对状态。所设计的目标特征靶适应性强,不仅能保证图像传感器视野内有足够的特征点,而且还可作为基于线特征的算法的目标特征。试验结果表明:在近距离范围内,新目标特征构型下的算法,具有较高的测量精度。该测量方法可直接用于航天器编队飞行以及航天器交会对接过程中的相对姿态的自主测量。     

基于IEKF序列图像分析的航天器相对状态测量方法

提出了一种基于IEKF序列图像分析的航天器间相对状态单目视觉测量方法。该方法利用具有正方形几何结构的4个目标特征点在物体坐标系中的空间坐标及它们在像平面上成像点的图像坐标,根据估计理论,采用迭代扩展卡尔曼滤波(iteratedextendedKalmanfilter,IEKF)方法解算出目标航天器与图像传感器的相对状态。试验结果表明:该方法不仅使作用距离大大提高,而且极大地提高了测量的稳定性。该测量方法可直接用于航天器编队飞行及空间站交会对接过程、空间监视、目标拦截等应用领域中航天器间相对状态测量。     

采用图像匹配技术的弹目攻击姿态分析方法

为解决近程防空导弹近距离攻击目标时因自身姿态偏差而影响毁伤效率的问题,提出一种基于图像匹配技术的弹目攻击姿态分析方法。该方法利用弹载激光成像系统近距离实时拍摄的数张目标图像,经过图像预处理、特征点提取和尺度不变特征变换算法(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)进行图像匹配(简称SIFT),并基于弹目之间特征点的几何关系解算出瞬态目标图像的姿态参数,将其作为定向引爆确定引爆方向的依据,实现对目标更有效的攻击。仿真分析表明该方法能有效地实现弹目近距离交会下的图像姿态参数的实时解算,保证有效攻击姿态的建立。     

非合作目标在轨服务最终接近段视觉导航算法

为解决在轨服务最终接近段传统单目视觉相对导航方法受相机视场限制以及非合作航天器无法设置人工靶标的问题,提出了以非合作航天器太阳帆板三角形支架的部分结构为测量目标的视觉相对导航算法.首先,设计了"自拍杆"相机安装结构和相机实时标定方案,给出了视觉相机安装角的计算方法;然后,基于逆投影原理构建满足三角形支架实际空间几何构型约束的优化模型,采用蚁群搜索算法求解特征点的景深,并应用绝对定位方法估计航天器之间的相对位置和姿态;最后,以非合作航天器在轨服务最终2 m~0 m的接近段为背景进行数学仿真,在相对距离小于1 m时,航天器之间的相对位置和相对姿态确定精度分别优于3 mm和0.2°,验证了算法的有效性和可行性.数学仿真结果表明:该相对导航方案可行,导航算法具有较高的精度,且相对导航的精度随着航天器之间的相对距离的逐渐减少而逐渐提高;同时,该算法对投影点测量误差具有较好的鲁棒性,在投影点测量误差较大时仍具有较高的精度.     

视频下的动态人体身高测量

提出一种视频下的动态人体身高测量方法.该方法能够准确提取每一帧图像中的运动人体的头部特征点和脚部特征点,并根据计算机视觉的相关理论,较高精度地计算出人体的实际身高.该方法对摄像机的拍摄角度和人体脚部姿态没有特殊的要求.该方法简单、易行,且有较高的准确度,因而具有实用价值.     

基于目标特征的航天器相对状态测量方法误差分析

针对提高航天器间相对状态参数测量精度问题,分析了基于单目计算机视觉及目标特征的航天器间相对状态测量方法的误差因素.深入研究了灰度噪声、量化噪声对目标特征图像的影响及其误差模型,并由此建立了目标特征图像质心坐标提取误差模型.利用仿真试验分析了灰度噪声、量化噪声导致的航天器间相对状态参数测量的误差分布.结果表明,相同噪声水平条件下,灰度噪声对测量精度的影响大于量化噪声的影响.     

非合作航天器相对姿态确定算法及地面试验

针对具有矩形结构的非合作航天器,采用坐标转换矩阵的姿态描述方法,推导了简单通用的单目视觉相对姿态确定算法．为验证相对姿态确定算法,基于MATLAB设计图像采集处理系统,采用STK设计目标模拟器,进而搭建了地面试验系统,并开展了非合作航天器轨道面内和轨道面外绕飞试验．试验结果表明相对姿态确定算法能够准确地获得非合作航天器的相对姿态变化．     

SURF算法在航摄图像导航中的应用

姿态角测量误差是导致机载遥感成像精度低的主要原因之一.为提高机载遥感成像的精度,并针对当前姿态角的测量误差较大、高精度惯性导航设备价格昂贵等问题,提出了一种应用基于SURF的航摄图像匹配的算法来解算飞行平台姿态角的方法.首先采用多线程对相邻航摄图像并行提取SURF特征点,然后使用改进的基于KDtree的近似最近邻匹配方法寻找相邻航摄图像匹配的特征点对,并应用RANSAC算法剔除错误匹配点对,再通过最小二乘法得到图像的变换模型参数,最终解算出机载平台的姿态角变化量.对该方法的实现进行了详细的比较分析,仿真结果也证明了该方法的有效性.     

光学遥感卫星凝视成像姿态规划及快速仿真方法

目前,遥感卫星凝视成像姿态规划通常只考虑横滚轴和俯仰轴,导致仿真图像出现小,角度旋转,降低了视频成像质量;仿真过程多数未考虑仿真实时性,仿真时间过长,难以满足工程应用.针对上述问题,进行了修正图像旋转的偏航补偿,并提出了一种针对平坦地形的凝视成像快速仿真方法.首先,推导了对地凝视成像时航天器三轴姿态的计算公式;然后,基...     

非合作航天器相对位姿的鲁棒视觉确定方法

以非合作航天器的相对状态确定为研究背景,针对无法在目标航天器上安装测量光标的问题,提出利用目标航天器自然特征的单目视觉测量方案.并针对仅利用非合作航天器自然特征而导致的粗大误差增大等问题,提出了基于Randomized RANdom SAmple Consensus(R-RANSAC)的相对位姿单目视觉确定鲁棒算法,该算法首先采用R-RANSAC剔除粗大误差,然后利用基于特征点的相对位姿确定迭代算法消除其他类型的误差影响,以进一步提高算法确定精度.与航天器交会对接视觉系统不同,该系统无需在目标航天器上安装测量光标,而是充分利用目标航天器的自身结构特征,因此更适用于非合作航天器间的相对状态测量.最后对本文算法进行了数学仿真,结果表明该算法的有效性和可靠性.     

基于CCD序列图像和地面控制点的卫星姿轨精密确定

实现卫星姿轨精密确定是航天测控的重要研究内容.提出一种基于CCD序列图像和地面控制点的卫星姿轨精密确定方法,推导并给出了基于四元数算法的数据处理模型,通过仿真计算进一步验证、分析了算法的精度,该方法对于卫星姿轨精密确定具有一定参考价值.     

Monocular Vision Based Relative Localization For Fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle Landing

基于单目视觉的固定翼无人机自主着陆定位研究

许彧文,曹云峰,张洲宇

（南京航空航天大学 航天学院, 南京 210000）

中文说明：

近年来,无人机自主着陆技术已成为无人机导航、制导与控制系统的核心技术。为解决自主着陆过程中固定翼无人机与跑道之间基于视觉的相对位置和姿态估计问题,本文利用机载相机拍摄的序列图像,通过边缘检测的方式获取跑道角点信息,进一步基于正交迭代算法确定六自由度的位姿参数：首先基于频域残差对图像进行显著性分析,通过连通域标记和候选框筛选估计跑道所在的感兴趣区域;然后在感兴趣区域中提取跑道的边缘直线,由于着陆末端跑道纵向边缘具有明显的长度和相位特征,在利用霍夫变换定位纵向边缘的基础上,结合跑道平面梯度信息估计横向边缘位置,解决了传统的霍夫变换计算耗时,且难以检测端点的问题;最后将角点图像坐标作为输入,通过线性算法获取旋转矩阵初值,在此基础上以目标空间误差为误差函数,通过正交迭代优化参数估计结果,图像点坐标误差较小时,该方法相比线性算法精度明显提升,且具有良好的实时性。

关键词：自主着陆,视觉导航,感兴趣区域,边缘检测,正交迭代

     

视觉测量中光学测头姿态估计方法

基于光学测头特征点成像的单机视觉坐标测量系统具有测量空间大、测量精度高及可进行现场测量等优点,是替代传统的大型坐标测量机的最有发展前途的技术方案之一.为实现该测量方法,必须先解决光学测头姿态估计问题,为此,提取一种利用SVD与矢量观测值的姿态确定方法.首先,通过基于SVD的5点优化算法确定特征点的空间坐标;然后,利用特征点的测头坐标和空间坐标建立关于测头坐标矢量、像机坐标矢量的矩阵方程,优化求解矩阵方程确定光学测头(测头坐标系)相对于像机坐标系的姿态.该算法利用所有数据冗余信息,提高了测量系统的精度和稳定性.实验证明,该算法切实可行,系统的单点重复性及测量不确定度<0.1 mm.     

基于采样策略的无人机着陆导航算法

给出了无人机着陆过程中利用帧间图像提取的特征点进行无人机状态估计的算法。采用PCA-SIFT算法进行特征点匹配,在保证能够稳定匹配的前提下,提出了帧间自适应采样策略的特征点选取算法,减少了计算的冗余性。然后通过建立本质空间中的状态方程,利用极线几何约束设计IEKF滤波器,对无人机进行相对位置、姿态估计。仿真结果表明,该算法实现了帧间特征点的快速匹配,较好的估计了无人机的相对位置、姿态信息,比单纯利用极线几何约束具有更高的精度和稳定性。     

双目立体视觉的无人机位姿估计算法及验证

针对无人飞行器在未知复杂环境下的导航问题,提出了一种基于双目立体视觉的无人飞行器位置和姿态估计算法。用双目摄像机采集立体图像序列,对图像进行立体校正后使用Harris算法提取特征角点,用NCC算法获取匹配特征点,导出摄像机坐标系下的特征点坐标,得到三维立体特征信息,使用RANSAC算法与L-M迭代算法得到无人飞行器姿态和位置估计值。实验结果表明,基于双目立体视觉的位姿估计算法能适应未知环境变化,计算结果与实际位姿量相比误差小,能满足无人飞行器导航要求,可为无人飞行器的导航实现提供一套新途径。     

双频伪码测距快速求解模糊度方法的仿真研究

求解距离模糊度是无线电高精度测量领域的重要课题。简要介绍了双频伪码测距快速求解模糊度算法，并以航天器间相对距离测量为应用背景，建立了基于SystemView仿真环境的无线电相对距离测量仿真模型，验证了双频伪码测距解模糊的方法，实现了载波相位高精度测距。     

基于形态学图像处理的逼近段相对位置测量

针对未安装合作光标的目标航天器,设计了应用于交会对接逼近段的基于形态学图像处理的相对位置光学测量方法;基于2个五自由度卫星模拟器建立了实验系统,利用该系统对提出的方法进行了验证;实验结果的相对测量误差与理论分析一致,证明了该方法的可行性,为进一步实际工程应用提供了依据。