基于视觉的无人机自主着陆关键技术研究

发布时间：2017-08-11 05:25

  本文关键词：基于视觉的无人机自主着陆关键技术研究

  更多相关文章： 无人机 视觉导航 合作目标 位姿解算 目标识别

【摘要】：无人机自主着陆是无人机通过机载导航设备进行定位导航,利用飞行控制系统控制无人机降落至指定地点的过程。通过视觉方法测定无人机位姿能为无人机自主着陆提供可靠的导航参数,是无人机导航领域的研究热点。论文针对基于视觉的无人机自主着陆关键技术,从理论和实践两方面进行了研究:(1)研究了合作标志的识别与特征提取算法。设计了一种用于测定无人机位姿的合作标志,其优点是易于识别且能够提供飞行方向指引;实现了合作目标的快速识别,主要包括图像分割方法及策略、合作目标识别及目标特征提取和定位;分析了现有目标识别算法的优缺点,提出了一种改进的基于SIFT顺序尺度的识别算法,提高了目标识别准确率。(2)研究了基于合作标志的无人机位姿解算算法。推导建立了空间目标共线性误差的正交迭代模型,对EPnP算法和OPnP算法分别进行了迭代优化处理;通过仿真实验从像机焦距、特征点数目、特征点定位精度三个方面对算法进行分析,并通过真实实验对算法性能进行验证;结果表明优化后的算法在满足实时性要求的情况下提高了解算精度。(3)研究了基于影像自然特征与合作标志结合的无人机位姿估计方法。针对无人机飞行高度较高时,合作标志成像较小,特征提取困难且精度较低的问题,提出了一种基于影像自然特征和合作标志的位姿估计方法。将影像中分布均匀的特征点和标志特征点信息进行结合,弥补了仅用合作标志带来的解算误差较大的问题;针对相对位姿解算得出的位移量缺少绝对尺度信息的问题,提出了一种影像尺度信息提取方法,使得位姿解算结果具有实际物理意义。(4)分析了影响位姿解算精度的误差源,建立了单变量误差模型和基于协方差矩阵的误差传递分析模型,通过实验定量分析了特征点定位精度对位姿解算精度的影响,为后续相关研究提供理论依据。论文的创新点主要有:1)设计了一种用于求解无人机位姿的合作标志,提出了一种合作标志识别策略,改进了一种基于SIFT顺序尺度的标志识别算法,提高了识别准确率。2)提出一种基于序列影像和合作标志结合的位姿解算方法,弥补了在无人机飞行高度较高时,只用合作标志解算带来的误差较大的问题;提出了一种影像尺度信息提取方法,使求取的位移量其具有实际物理意义。
【关键词】：无人机 视觉导航 合作目标 位姿解算 目标识别
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.1.1 研究背景9
• 1.1.2 研究意义9-10
• 1.2 无人机视觉导航研究现状10-14
• 1.2.1 国内外研究现状10-11
• 1.2.2 无人机位姿解算方法研究综述11-14
• 1.3 存在的问题14
• 1.4 论文主要研究内容及安排14-16
• 第二章 视觉导航基础理论16-28
• 2.1 投影关系17-21
• 2.1.1 参考坐标系17-18
• 2.1.2 无人机位姿参数的定义18-19
• 2.1.3 坐标系转换19-21
• 2.2 摄像机标定方法21-25
• 2.2.1 像机标定综述21
• 2.2.2 经典像机标定法-张正友标定法21-23
• 2.2.3 实验与分析23-25
• 2.3 位姿的表示方法25-27
• 2.3.1 欧拉角表示法25-26
• 2.3.2 旋转向量表示法26
• 2.3.3 四元数表示法26-27
• 2.4 小结27-28
• 第三章 合作标志的识别算法28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 合作目标分割与识别28-35
• 3.2.1 合作标志设计28-29
• 3.2.2 图像分割算法研究29-30
• 3.2.3 一种改进的合作目标识别算法30-35
• 3.3 图像特征提取算法分析35-38
• 3.3.1 角点检测算法35-36
• 3.3.2 SIFT特征提取方法36-37
• 3.3.3 实验与分析37-38
• 3.4 小结38-39
• 第四章 无人机位姿估计算法研究39-66
• 4.1 引言39-40
• 4.2 基于合作标志的位姿估计算法研究40-55
• 4.2.1 误差函数选择40-42
• 4.2.2 快速像机位姿估计算法42-49
• 4.2.3 实验与分析49-55
• 4.3 基于影像特征点的相对位姿估计55-65
• 4.3.1 基本矩阵估计56-57
• 4.3.2 摄像机矩阵的恢复57-59
• 4.3.3 相对位姿解算59
• 4.3.4 数据融合与尺度信息获取59-60
• 4.3.5 实验及分析60-65
• 4.4 小结65-66
• 第五章 位姿解算精度分析66-75
• 5.1 引言66
• 5.2 影响位姿解算精度的误差因素分析66-72
• 5.2.1 物理因素影响分析66-68
• 5.2.2 图像处理误差产生分析68
• 5.2.3 实验环境误差产生分析68
• 5.2.4 误差模型建立68-72
• 5.3 实验与分析72-74
• 5.4 小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 工作总结75
• 6.2 下一步研究75-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 作者简历82

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本文编号：654444