基于双目视觉的飞行目标落地速度测量方法研究

为了测量飞行目标落地速度,采用放置在落弹点区域附近的凝视等待式双目视觉摄像机,高速摄影交汇测量飞行目标的落地速度。根据不同时刻质心的空间三维坐标,用最小二乘法对目标航迹进行拟合,建立了目标三维空间轨迹的多项式函数,对多项式函数求导得到目标的飞行速度。实验与理论分析表明：采用的速度测量方法测量误差小于2％,测量方法正确、可靠,为飞行目标的速度测量提供了一条新的便捷可靠的途径。     

飞行试验机翼变形测量的一种方法

飞机飞行过程中的机翼变形会引起武器在俯仰、滚转和偏航3个方向的姿态变化,三维姿态变化的大小将直接影响武器对目标的命中性能,需要对不同飞行状态下武器的三雏运动姿态进行测量,修正真实飞行状态下机翼变形引起的对准误差.在吊舱中安装两台高速摄像机同时拍摄机载武器,对采集到的序列图像进行处理,就能获得机载武器空中挂飞过程中的三维运动姿态参数.     

基于立体视觉的目标姿态测量技术

基于动态场景分析的计算机视觉系统尤其是对运动目标的运动参数测量已成为计算机视觉研究的热点;建立了基于双目立体视觉的目标姿态测量系统,使用两个摄像机在不同视角对同一目标进行拍摄,采用DLT方法对摄像机标定;对拍摄到的图像进行去噪、滤波,通过立体图像匹配得到特征点在两幅图像中的同名点,姿态参数求解结合DLT算法和立体图像匹配算法,实现了对目标姿态参数的测量,得到了目标的三维姿态信息;实验结果表明,该测量系统结构简单,计算量小,具有较高的测量精度.     

垂直起降无人机基于图像的目标跟踪控制

针对安装有惯性测量单元和摄像机的低成本四旋翼无人机,研究无位置、速度、航向测量情况下的机动目标基于图像的跟踪控制方法.首先,结合无人机的动力学方程在图像空间中推导了系统的误差方程.其次,为克服无航向测量的问题,设计了一种位置控制器,使用图像矩作为反馈输入并输出油门和姿态指令.最后,针对缺少图像速度测量问题,设计了一种super-twisting滑模观测器和控制器,生成的期望姿态和拉力指令无颤振,并通过李雅普诺夫理论证明了控制系统的稳定性.最终无人机通过调整倾斜姿态实现了跟踪飞行,且避免了响应慢的航向调整.跟踪机动目标的仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

基于视频图像的飞行姿态检测方法研究

利用流场实验平台对仿生实验的风洞环境进行模拟,以航模飞机为检测对象,给出了一种基于双摄像机的视频图像飞行姿态检测方法。利用颜色特征分别提取两路视频图像中的飞行航模目标,采用提取直线的方法获得航模目标中的直线参数,通过直线参数的变化分别解算飞行的横滚角和俯仰角姿态。与AHRS航姿参考系统MIN—IVA900的数据进行对比表明：该方法检测结果的最大偏差小于1°,取得了飞行姿态检测结果的一致性。     

基于惯性椭圆拟合的小目标姿态测量方法

视觉测量方法在飞行器姿态测量中被广泛应用,然而远距离飞行目标成像纹理缺失会使传统光测手段应用受限。对测量中采用的追踪手段、图像分割技术以及测量方法进行研究,提出一种改进的小目标姿态测量方法。利用高速相机拍摄目标,通过跟踪算法对运动目标进行框选,使用非面积极大区域抑制法分割目标,计算目标图像的惯性椭圆从而实现目标姿态测量。实验结果表明,在仿真情况、低复杂度及高复杂度的真实拍摄场景下,该方法的误差分别低于0.233°、0.307°及0.325°,基本满足导弹等小目标的姿态测量精度需求,测量结果稳定可靠,能够有效降低人工判读的工作量。     

小型无人机地面目标跟踪系统机载云台自适应跟踪控制

本文针对小型无人机地面目标跟踪系统,提出了一种机载云台自适应跟踪控制算法.该算法在摄像机外参数未知的情况下,利用图像信息和机载传感器得到的无人机状态进行反馈,最终实现了对云台摄像机姿态的控制,使得无人机在跟踪目标飞行过程中,地面目标可以始终保持在摄像机的图像中心.为此,论文首先通过分析无人机、目标和摄像机三者的相对位姿关系,建立了目标点在图像平面的运动学模型.在此基础上,基于李雅普诺夫稳定性理论设计了自适应控制算法.理论分析与仿真结果表明本文所设计的摄像机姿态控制器在摄像机外参数未知的情况下,可以使被跟踪目标始终保持在图像中心.     

四旋翼无人飞行器姿态数据采集处理系统

针对机械振动等因素产生的噪声对加速度传感器测量姿态数据的影响,增加了陀螺仪并运用卡尔曼滤波对加速度传感器和陀螺仪的数据进行融合处理;与以往均值和中值等滤波姿态算法相比,采用卡尔曼滤波算法能够获得可靠、稳定的姿态数据,为四旋翼无人飞行器稳定飞行提供有效保障;介绍了姿态传感器和采集处理系统硬件结构及软件实现,运用图形化编程语言LabView实现对四旋翼无人飞行器实时姿态曲线显示、姿态数据存储、回放等功能;经测试,能有效的降低机械振动等噪声对飞行器姿态测量的影响,提高姿态数据估计的精度,达到了预期的目标。     

基于立体视觉系统的风洞尾旋试验测量方法研究

尾旋是飞机在失速时的一种复杂而危险的非正常飞行状态;研究飞机尾旋及改出特性的常用方法是立式风洞尾旋试验,该方法具有费用低、周期短等优点;为解决试验中模型姿态的测量问题,采用两台CCD摄像机等设备构建了一套立体视觉测量系统,并通过开展空间直角坐标系转换和相关图像处理算法研究,获得飞机模型表面特征标记点的空间三维参数,实现了对尾旋模型的姿态测量;试验结果表明,该技术具有非接触,识别率高和使用灵活的特点,姿态角测量精度达到0.1°。     

基于CPLD的三轴转台姿态信号测量板卡的设计

飞行控制系统半物理仿真中三轴转台姿态信号精确测量是实现闭环飞行控制仿真可靠、稳定运行的关键;文章介绍了一种基于CPLD的三轴转台姿态信号测量板卡,采用原理图和VHDL硬件描述语言完成了CPLD内部逻辑电路的设计;板卡上一片CPLD芯片完成了三轴转台姿态信号的实时测量与数据处理,C8051F005单片机实现与上位机的数据通信和指令的接收;测量数据和上位机指令均采用Modbus协议在RS485总线上传输;在半物理仿真中的实测结果表明:姿态角测量误差小于3″,使用CPLD降低了成本,提高了数据处理速度和计算精度,数据传输稳定。     

Long‐duration fully autonomous operation of rotorcraft unmanned aerial systems for remote‐sensing data acquisition

Recent applications of unmanned aerial systems (UAS) to precision agriculture have shown increased ease and efficiency in data collection at precise remote locations. However, further enhancement of the field requires operation over long periods of time, for example, days or weeks. This has so far been impractical due to the limited flight times of such platforms and the requirement of humans in the loop for operation. To overcome these limitations, we propose a fully autonomous rotorcraft UAS that is capable of performing repeated flights for long‐term observation missions without any human intervention. We address two key technologies that are critical for such a system: full platform autonomy to enable mission execution independently from human operators and the ability of vision‐based precision landing on a recharging station for automated energy replenishment. High‐level autonomous decision making is implemented as a hierarchy of master and slave state machines. Vision‐based precision landing is enabled by estimating the landing pad's pose using a bundle of AprilTag fiducials configured for detection from a wide range of altitudes. We provide an extensive evaluation of the landing pad pose estimation accuracy as a function of the bundle's geometry. The functionality of the complete system is demonstrated through two indoor experiments with duration of 11 and 10.6 hr, and one outdoor experiment with a duration of 4 hr. The UAS executed 16, 48, and 22 flights, respectively, during these experiments. In the outdoor experiment, the ratio between flying to collect data and charging was 1–10, which is similar to past work in this domain. All flights were fully autonomous with no human in the loop. To our best knowledge, this is the first research publication about the long‐term outdoor operation of a quadrotor system with no human interaction.     

飞翼布局无人作战飞机自动着陆控制系统设计

飞翼飞机是一种先进的飞行结构.但由于气动外形的特殊,无垂直尾翼的飞翼飞机在着陆阶段,极易受到侧风的干扰,而使其偏离航线;根据飞翼飞机的气动参数,建立了飞翼飞机的非线性数学模型,设计了飞翼无人机的着陆轨迹和控制方案;针对飞翼飞机的特性,采用不同于常规飞机的控制律,设计了抗侧风自动着陆控制系统;设计的控制系统经过非线性仿真试验,结果显示,飞机抗侧风着陆性能达到了设计要求,从而验证了设计方案的可行性.     

基于目标检测的室内动态场景定位与建图

针对室内场景中动态对象严重影响相机位姿估计准确性的问题,提出一种基于目标检测的室内动态场景同步定位与地图构建（SLAM）系统。当相机捕获图像后,首先,利用YOLOv4目标检测网络检测环境中的动态对象,并生成对应边界框的掩膜区域;然后,提取图像中的ORB特征点,并将掩膜区域内部的特征点剔除掉;同时结合GMS算法进一步剔除误匹配,并仅利用剩余静态特征点来估计相机位姿;最后,完成滤除动态对象的静态稠密点云地图和八叉树地图的构建。在TUM RGB-D公开数据集上进行的多次对比测试的结果表明,相对于ORB-SLAM2系统、GCNv2_SLAM系统和YOLOv4+ORB-SLAM2系统,所提系统在绝对轨迹误差（ATE）和相对位姿误差（RPE）上有明显的降低,说明该系统能够显著提高室内动态环境中相机位姿估计的准确性。     

Low-Cost Visual Tracking of a Landing Place and Hovering Flight Control with a Microcontroller

The growth of civil and military use has recently promoted the development of unmanned miniature aerial vehicles dedicated to surveillance tasks. These flying vehicles are often capable of carrying only a few dozen grammes of payload. To achieve autonomy for this kind of aircraft novel sensors are required, which need to cope with strictly limited onboard processing power. One of the key aspects in autonomous behaviour is target tracking. Our visual tracking approach differs from other methods by not using expensive cameras but a Wii remote camera, i.e. commodity consumer hardware. The system works without stationary sensors and all processing is done with an onboard microcontroller. The only assumptions are a good roll and pitch attitude estimation, provided by an inertial measurement unit and a stationary pattern of four infrared spots on the target or the landing spot. This paper details experiments for hovering above a landing place, but tracking a slowly moving target is also possible.     

Multi-target tracking in dense threat environments

A new approach to multi-target tracking is presented for the mid-course stage of the Strategic Defense Initiative (SDI). This approach is based upon a continuum representation of a cluster of flying objects. The velocities of the flying objects are assumed to be embedded into a smooth velocity field. This assumption is based upon the impossibility of encounters in a high-density cluster between the flying objects. Therefore, the problem is reduced to that of identifying a moving continuum based upon consecutive time frame observations. In contradistinction to the previous approaches, here each target is considered as a center of a small continuous neighborhood subjected to a local-affine transformation, and therefore, the target trajectories do not mix. Obviously, their mixture in plane of sensor view is apparent. The approach is illustrated by an example.     

高速物体速度测量反射式光幕光电性能研究

在使用区截装置的测速系统中,为了扩大靶面面积,适用于大口径的高速飞行物体的速度测量,系统采用没有反射装置的光幕做为靶面.通过理论分析了光幕探测距离的影响因素,并通过实验验证系统的实际探测性能,系统在距离镜头1300 mm处,形成一个半径为400 mm的圆形有效探测区域,面积为0.502 m<'2>.在这个范围内,直径大...     

无人直升机着陆控制的视觉图像特征处理算法

基于视觉的无人直升机着陆是无人直升机着陆控制中的主要发展方向,视觉图像处理算法将直接影响无人直升机姿态估计以及着陆控制精度.提出了一种应用于无人直升机着陆控制的视觉图像特征处理算法,对目标灰度图像进行阈值处理,边界跟踪,利用凸四边形几何特点提取特征点,最后将所有特征点标记出来.实验结果显示提出的算法即能满足实时处理速度要求,也能满足较高的特征点定位精度要求.这一方法可用于无人直升机着陆控制的相对位置姿态估计.     

某飞机着陆的数值计算

为合理设计飞机着陆程序,采用数字仿真和高精度计算技术,通过分析飞行实际情况研究起落架、襟翼和地面效应对飞机空气动力特性的影响,建立某飞机着陆的精确数值模型,并用差分法离散该模型.编制数值计算程序实现飞机的地面滑跑和空中运动仿真,并利用该程序进行飞机着陆的数值分析.该研究有利于智能选择飞机最优着陆程序、保障飞行安全、提高...     

Experimental evaluation of a real-time GPU-based pose estimation system for autonomous landing of rotary wings UAVs

This paper proposes a real-time system for pose estimation of an unmanned aerial vehicle (UAV) using parallel image processing and a fiducial marker. The system exploits the capabilities of a high-performance CPU/GPU embedded system in order to provide on-board high-frequency pose estimation enabling autonomous takeoff and landing. The system is evaluated extensively with lab and field tests using a custom quadrotor. The autonomous landing is successfully demonstrated, through experimental tests, using the proposed algorithm. The results show that the system is able to provide precise pose estimation with a framerate of at least 30\,fps and an image resolution of 640?480 pixels. The main advantage of the proposed approach is in the use of the GPU for image filtering and marker detection. The GPU provides an upper bound on the required computation time regardless of the complexity of the image thereby allowing for robust marker detection even in cluttered environments.