基于正交迭代算法的单目视觉位姿测量系统研究

摘要

风洞投放试验是研究飞行器外挂投放物投放问题、确定内埋武器发射包线和外挂载荷投放包线的重要手段，为外挂投放物的分离特性分析和飞行控制系统设计提供试验数据与方法验证，因而，准确测量投放物相对于飞行器的分离参数（包括位置、姿态、速度等）进而掌握分离规律对投放试验至关重要。传统的捕获轨迹法(CTS)和多次曝光摄影测量方式尚难定量测量投放物的分离参数，也不能满足目前的大视场、高精度、高效率的风洞试验。单目视觉位姿测量因其测量视场大、测量准确快速和便于风洞环境安装而广泛应用于外挂物投放实验中。
　　本文结合单目视觉测量理论基础，开展了外挂投放物单目视觉高精度位姿参数测量研究，对其中的关键技术进行了探讨，并设计和开发了单目视觉位姿测量系统。主要研究内容包括如下：
　　（1）对相机标定和畸变校正进行了研究。通过张正友标定法对相机进行标定，采用相机畸变校正模型进行畸变校正，相机标定实验结果均值重投影误差为0.18 pixel。实验结果表明：该方法标定精度较高，稳定性好，能够满足课题的高精度测量需求。
　　（2）分析比较了单目视觉测量中常见编码标记点的设计、跟踪、识别与中心定位方法，设计了一种圆形编码标记点并对其进行编、解码；采用基于八领域思想的边界追踪方法对标记点轮廓进行实时提取；针对常规方法对标记点中心定位精度低、稳定性差的问题，采用了基于灰度平方加权重心法的中心定位方法对圆形编码标记点进行中心定位。实验结果表明：在大倾角、高模糊、形变和旋转等条件下，在圆形编码标记点编解码检测率和准确率为100％，能适应复杂实验环境，中心定位算法有较高的定位精度和较强的抗噪声能力。
　　（3）对比分析了单目视觉位姿测量中的常见位姿估计方法后，推导并建立了正交迭代算法位姿估计的数学模型，同时考虑到位姿测量时的测量精度和实时性要求，提出了一种改进的正交迭代算法，对传统的算法进行计算加速并解决了弱透视近似模型中的位姿模糊问题。仿真实验对比分析了包括本文提出的算法在内的五种位姿解算算法，实验结果表明：本文提出的方法取得了更好的位姿解算精度和更高的解算效率。
　　（4）设计并开发了单目位姿测量系统，分别进行了单目位姿测量系统的总体方案设计和系统功能模块设计开发，最后使用外挂投放物仿真实物进行了位姿测量实验，实验结果表明：平移误差在0.2 mm内，旋转误差在0.2°内。同时还分析了风洞实验环境中的振动对位姿测量的影响，研究了位姿测量的振动误差补偿策略。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 位姿测量国内外研究现状

1.3 主要内容及结构

1.4 本章小结

2 单目视觉位姿测量相关理论

2.1 位姿测量原理介绍

2.2 坐标系定义

2.3 相机的成像模型

2.4 本章小结

3 相机标定与畸变校正

3.1 相机参数标定

3.2. 相机畸变校正

3.3 相机标定和畸变校正结果与分析

3.4 本章小结

4 编码标记点的编解码与中心定位

4.1 常见的人工编码标记点

4.2 人工标记点设计

4.2 图像处理

4.3 轮廓提取和约束筛选

4.3 编码标记点的编码与解码

4.4 标记点中心定位

4.5 本章小结

5 基于正交迭代的单目视觉位姿估计算法

5.1 常见位姿估计方法

5.2 正交迭代算法原理

5.3 一种改进的正交迭代算法

5.4 仿真实验及结果分析

5.5 真实实验及结果分析

5.6 本章小结

6 单目视觉位姿测量系统

6.1 单目视觉位姿测量系统总体设计

6.2 位姿测量实验环境搭建

6.3 系统功能模块开发

6.4 位姿测量振动误差补偿策略

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要成果及创新点

7.2 下一步工作安排

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢