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无人机组合视觉特征着陆导引技术和合作目标优化研究

作　者: 王小洪
导　师: 徐贵力
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 无人机机器视觉合作目标位姿遗传算法优化设计
分类号: V279
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

视觉导引无人机着陆研究具有重要应用价值和理论研究意义，通过视觉获取无人机位姿是其中的关键问题。本文对无人机的位姿估计方法及合作目标优化进行了研究。首先，研究了无人机视觉系统坐标和世界坐标系的转换关系。并针对现有方法对复杂可见光图像中的合作目标提取效果不理想问题，根据Mean Shift具有颜色聚类后同种颜色聚合的特性，提出了一种基于Mean Shift颜色聚类、OTSU分割及连通区域选择的图像分割新方法，与现有提取方法相比，能够更加有效的把合作目标从复杂可见光环境图像中分割出来。然后，为了增大视觉导引着陆的范围和提高系统稳定性，研究了基于地平线、跑道和合作目标特征组合的位姿估计新方法。具体导引过程为：在远处，由机载视觉系统根据图像中的地平线解算出俯仰角和滚转角以保证无人机处于正常飞行姿态；在中、近距离下使用基于跑道线特征的位姿估计方法，结合地平线得到无人机的大部分位姿参数；在近距离时，提取图像中合作目标特征，采用基于合作目标的位姿估计方法，得到近距离无人机全部位姿参数。最后，针对现有合作目标在不同高度与俯仰角情况下，位姿估计精度差异大，甚至末段关键环节无法获取位姿参数的问题，通过分析位姿估计误差的来源，研究合作目标外形对位姿估计精度的影响，使用改进的遗传算法，以由6个顶点在极坐标分布下构成不同多边形图形作为合作目标图形优化的初始解，优化设计出了新的二维合作目标。为了进一步降低位姿估计精度差异，对二平面合作目标的两平面相对位姿关系进行了优化，优化设计出了新的二平面立体合作目标，通过实验，优化后的新型平面合作目标相较传统的T形和双圆等合作目标，位姿估计累积误差降低了10.5%；优化后的二平面立体合作目标相较优化的单平面合作目标，位姿估计累积误差降低了13.5%。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题研究背景及意义  13
  1.2 国内外研究现状  13-18
    1.2.1 国外研究现状  14-15
    1.2.2 国内研究现状  15-17
    1.2.3 存在问题  17-18
  1.3 本文主要工作及创新点  18
    1.3.1 本文主要工作  18
    1.3.2 本文创新点  18
  1.4 本文内容安排  18-20
第二章无人机视觉导航基础理论及合作目标分割研究  20-32
  2.1 无人机自主着陆流程设计  20
  2.2 摄像机模型及位姿参数定义  20-23
    2.2.1 摄像机的成像模型  21-23
    2.2.2 无人机位姿参数的定义  23
  2.3 无人机位姿参数估计方法  23-25
  2.4 复杂自然光环境下合作目标的分割  25-31
    2.4.1 OTSU 法和二次 OTSU 法分割的局限  26-27
    2.4.2 Mean Shift 结合 OTSU 及连通区域方法  27-29
    2.4.3 实验结果及分析  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章地平线、跑道和合作目标的组合导引研究  32-62
  3.1 组合特征导引总体方案设计  32-33
  3.2 地平线的位姿估计方法研究  33-39
    3.2.1 地平线的识别和特征提取  33-36
    3.2.2 地平线的部分位姿参数估计  36-37
    3.2.3 实验设计及结果分析  37-39
  3.3 跑道的位姿估计方法研究  39-46
    3.3.1 跑道的识别和特征提取  39-42
    3.3.2 跑道的位姿参数估计  42-44
    3.3.3 实验设计及结果分析  44-46
  3.4 合作目标的位姿估计方法研究  46-53
    3.4.1 合作目标的识别和特征提取  46-50
    3.4.2 合作目标的位姿参数估计  50-51
    3.4.3 实验设计及结果分析  51-53
  3.5 不同特征的组合视觉导引着陆研究  53-61
    3.5.1 不同特征的适用范围  53-54
    3.5.2 不同特征的切换和融合  54-55
    3.5.3 不同特征的组合导引实验  55-61
  3.6 本章小结  61-62
第四章二维合作目标优化设计  62-79
  4.1 无人机合作目标优化的意义  62
  4.2 合作目标优化设计总体方案设计  62-63
  4.3 合作目标优化设计  63-73
    4.3.1 遗传算法介绍  63-65
    4.3.2 初始群体生成  65-70
    4.3.3 其他参数及算子的选择  70-71
    4.3.4 适应度函数的选择  71-72
    4.3.5 二平面立体合作目标优化设计  72-73
  4.4 合作目标优化结果及分析  73-78
    4.4.1 二维平面合作目标优化结果及分析  73-76
    4.4.2 二平面立体合作目标优化结果及分析  76-78
  4.5 本章小结  78-79
第五章总结及展望  79-81
  5.1 本文的主要工作  79
  5.2 研究展望  79-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
在学期间的研究成果及发表的学术论文  86

无人机组合视觉特征着陆导引技术和合作目标优化研究

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