飛行目標(biāo)位置和姿態(tài)光電測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用.pdf

1、光電測(cè)量技術(shù)具有非接觸、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量飛行目標(biāo)的相對(duì)位置和姿態(tài)的導(dǎo)航系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用，如艦載直升機(jī)助降光電引導(dǎo)系統(tǒng)、航天器空間交會(huì)對(duì)接過(guò)程中的光電導(dǎo)航系統(tǒng)等。而這些應(yīng)用在系統(tǒng)的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性方面都有較高的要求，因此對(duì)于精確、快速的光電測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。 本文介紹了直升機(jī)助降光電引導(dǎo)系統(tǒng)和航天器空間交會(huì)對(duì)接光電導(dǎo)航系統(tǒng)中所采用光電測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)以及基本理論。從理論上和實(shí)驗(yàn)上分別對(duì)單目視

2、覺(jué)的測(cè)量技術(shù)、雙目視覺(jué)的測(cè)量技術(shù)和相位式激光測(cè)距技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。 正交迭代OI(OrthogonalIteration)算法是一種快速且能全局收斂的單目攝影測(cè)量算法。但是使用該算法在近距離對(duì)三維目標(biāo)測(cè)量時(shí)，距離測(cè)量誤差較大。本文提出了增加旋轉(zhuǎn)矩陣約束條件的改進(jìn)方法，建立了共面特征點(diǎn)的共線性方程，得到了一種快速、準(zhǔn)確且能全局收斂的位置、姿態(tài)測(cè)量算法。計(jì)算機(jī)仿真表明，采用本文改進(jìn)算法總能得到正確的旋轉(zhuǎn)矩陣，同時(shí)也提高了距離測(cè)量

3、精度。本文還對(duì)拍攝的三維目標(biāo)真實(shí)圖像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，使用改進(jìn)算法測(cè)到的相對(duì)距離和旋轉(zhuǎn)角的精度都優(yōu)于OI算法的結(jié)果。改進(jìn)算法對(duì)于二維或三維目標(biāo)位置與姿態(tài)測(cè)量技術(shù)具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。 針對(duì)艦載直升機(jī)助降光電引導(dǎo)技術(shù)，本文建立了一種雙攝影測(cè)量算法模型，該模型是在目標(biāo)模板兩側(cè)各安裝了兩臺(tái)攝像機(jī)，分別獲取飛行目標(biāo)兩側(cè)特征點(diǎn)的圖像，在提取出特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)后，使用線性算法計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)位置和姿態(tài)的初始解，再使用非線性優(yōu)化算法得到了最優(yōu)

4、解。在研究雙攝影測(cè)量算法模型的基礎(chǔ)上，建立了一套直升機(jī)助降光電引導(dǎo)演示系統(tǒng)。它由兩臺(tái)大功率半導(dǎo)體激光照明裝置和兩臺(tái)精密CCD(ChargeCoupledDevice)攝像機(jī)、目標(biāo)模板以及高性能DSP(DigitalSignalProcessing)數(shù)據(jù)處理裝置組成。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)圖像處理、目標(biāo)跟蹤和位姿參數(shù)的測(cè)量。進(jìn)行了室外實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到目標(biāo)的相對(duì)平移誤差小于5cm，偏航角誤差小于±3°，其精度與國(guó)外直升機(jī)光電助降系統(tǒng)ASIST(aircr

5、aftshipintegratedsecureandtraverse)的技術(shù)指標(biāo)相近。該直升機(jī)著艦助降演示系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道。 本文基于基因遺傳算法求解病態(tài)矩陣的方法，對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)中一種經(jīng)典的多平面攝像機(jī)鏡頭標(biāo)定方法進(jìn)行了改進(jìn)，該標(biāo)定方法可以同時(shí)利用目標(biāo)空間和圖像空間的特征，能得到較為精確的像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，但是在模板平面旋轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定。仿真計(jì)算表明，采用本文改進(jìn)方法后得到了更為穩(wěn)定和準(zhǔn)確的像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。由此求

6、解出反向投影畸變模型下的鏡頭畸變系數(shù)，能夠適用于實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。該方法具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。 為了確定飛行目標(biāo)位置，本文對(duì)傳統(tǒng)的相位式激光測(cè)距方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種快速、高精度的相位式激光測(cè)距方法。該方法采用內(nèi)、外光路替代傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)換光路的方法，去除了電路中的附加相移，提高了測(cè)量速率。使用單片機(jī)、復(fù)雜可編程邏輯器件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與邏輯控制，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量速率達(dá)到5Hz，測(cè)距數(shù)據(jù)精