【正文】 .............................. 15 圖像的灰度化處理 ................................................................................. 15 圖像分割 ................................................................................................. 16 圖像去噪處理 .................................................................................... 17 圖像分割的具體實(shí)施 .......................................................................... 19 直線提取 ................................................................................................. 22 邊緣檢測 ........................................................................................... 22 Hough 變換 ......................................................................................... 25 本章小結(jié) ................................................................................................. 29 第 4 章 姿態(tài)角估計 ......................................................................... 30 坐標(biāo)系設(shè)定 ............................................................................................. 30 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系 ................................................................... 30 攝像測量相關(guān)的坐標(biāo)系 ...................................................................... 32 坐標(biāo)系變換關(guān)系 ................................................................................. 34 偏航角的估計 ......................................................................................... 36 俯仰角的估計 ......................................................................................... 38 仿真結(jié)果分析 ......................................................................................... 41 本章小結(jié) ................................................................................................. 45 總結(jié)與展望 ...................................................................................... 46 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 參考文獻(xiàn) .......................................................................................... 48 致 謝 .............................................................................................. 50 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 其著陸階段對跑道的識別具有較強(qiáng)的研究價值 [2]。該方法可以單獨(dú)使用，也可以和 INS、 GPS 等導(dǎo)航手段相結(jié)合 [4]。 需要指出的是在圖像處理的過程中特征點(diǎn)的選取很重要，它關(guān)系到狀態(tài)估計的精度。 本文的研究內(nèi)容是研究通過圖像處理得到無 人直升機(jī)姿態(tài)角的方案，主要是算法的設(shè)計，理論上進(jìn)行仿真研究。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 從飛行器傳出圖片至計算機(jī) 發(fā)出控制指令需要一定的時間，固定翼飛行器由于飛行速度較快，當(dāng)接收到控制指令時，飛行姿態(tài)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，控制精度會大大降低。 ：通過檢測地平線得到飛行器的姿態(tài)角 無人飛行器的機(jī)載攝像頭為前置攝像頭，飛行器在離跑道較遠(yuǎn)時，跑道在 圖 像中完整可見，但跑道遠(yuǎn)處的橫向邊界 太小，提取過程中，容易產(chǎn)生誤差；飛行器離跑道較近時，跑道近端的橫向邊界已不可見。算法的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是像素點(diǎn)特征量的選取，另一個是判斷類別差異的判據(jù)的選取。 ： 傳統(tǒng)的 P3P 或 P4P 方法 計算飛機(jī)飛行參數(shù)的最初方法是通過地面上的多個特征點(diǎn)與它們在圖像平面上 的像點(diǎn) 建立對應(yīng)關(guān)系，通過解方程組的方法求得飛機(jī)的位置參數(shù) [11]。首先，從航拍視頻序列中提取單幀圖像，并作采樣去噪等相應(yīng)預(yù)處理；其次，初始化禁忌搜索算法的初始解等參數(shù)，結(jié)合適配值函數(shù)，擬合圖像中的地平線；然后，用禁忌搜索算法的特赦準(zhǔn)則和收斂準(zhǔn)則評判擬合的準(zhǔn)確性，直到適配值函數(shù)值滿足收斂準(zhǔn)則為止，得出最優(yōu)解。 直升機(jī)剛性機(jī)體的六自由度動力學(xué)方程與固定翼飛機(jī)相同。 直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型有助于 了解直升機(jī)的飛行運(yùn)動，對降落過程中的飛行姿態(tài)有更加深入的了解， 對本文的方案設(shè)計有很大的指導(dǎo)意義 。這樣做雖然提高了算法的實(shí)時性，但是選擇一系列的特征搜索方向作為試探時，仍有 很大的計算量。 圖 無人直升機(jī)在某一位置拍攝的基準(zhǔn)著陸圖像 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 首先，由本課題 的實(shí)驗(yàn)條件和對數(shù)據(jù)處理時間的要求，確定了微型飛行器的機(jī) 型和著陸場景的設(shè)計；然后，對已有的視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行對比研究，了解不同視覺導(dǎo)航的原理，其中基于地平線的檢測算法對本文的研究有很大的借鑒作用；最后，結(jié)合本課題 的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究出了適合無人直升機(jī)著陸過程中的視覺導(dǎo)航算法，選用著陸平臺上的 H在圖像中的位置來解算降落過程中的姿態(tài)角。 在 RGB模型中，如果 R=G=B 時，彩色則表示一種灰度顏色，其中 R=G=B的值叫灰度值，因此，灰度圖像中每個像素只需要一個字符存放灰度值，灰度范圍為 0255。為了改善視覺效果或者便于人和機(jī)器對圖像的理 解和分析， 需要根據(jù)圖像的特點(diǎn)或者存在的問題采取簡單的方法減小 圖像中的噪聲。 平滑濾波對像素及其領(lǐng)域進(jìn)行了平均化，使圖像看起來顯得比較平滑 ，用于模糊處理和減小噪聲；中值濾波是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中某一點(diǎn)的值設(shè)置為該點(diǎn)的一個領(lǐng)域中所有像素點(diǎn)灰哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 本節(jié)將探討研究如何從整個場景中提取出跑道區(qū)域的問題。 T 為常數(shù)時，這種方法稱為全局閾值處理。 21 選擇的方法是通過人眼的觀察，應(yīng)用人對圖像的知識，在分析圖像直方圖的基礎(chǔ)上，人工選 擇 出合適的閾值。圖像邊緣包 括了機(jī)場圖像的絕大部分有用信息，成功檢測出機(jī)場著陸區(qū)域的邊緣就成功了一半，因此邊緣檢測是圖像處理中基礎(chǔ)而又重要的課題。 邊緣算子 Sobel 算子是一組方向算子，從不同的方向檢測邊緣。若只關(guān)心邊緣點(diǎn)的位置而不顧其周圍的實(shí)際灰度差時，一般選擇該算子進(jìn)行檢測。 平面 Oxy 上的直線方程為： y ux v?? 其中 u 和 v 分別是直線的斜率和截距。坐標(biāo)平面 Oxy 中的一條直線和坐標(biāo)平面 O?? 中的一點(diǎn)一一對應(yīng)， Oxy 坐標(biāo)平面中的一點(diǎn) 與 O?? 中的一條直線一一對應(yīng)，而且很容易看出 Oxy 中的共線點(diǎn)所對應(yīng)的 O?? 的曲線交于一點(diǎn)。圖像在 Oxy 坐標(biāo)系中處于第一象限， ? 角是直線的法線與 x 軸的夾角，所以 ? 的范圍是 ?/ 2, / 2????? ，量化單位為 1176。只要 找到了 O?? 平面上最亮的三個點(diǎn)，即為 Oxy平面上的 H所對應(yīng)的三條邊界。但是，這都只是圖像特征提取的過程，并不是圖像處理的最終目的，圖像處理的目的是通過對提取的 圖像 特征進(jìn)行分析，得到對無人直升機(jī)著陸有用的導(dǎo)航定位信息。 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系 為描述無人直升機(jī)相對地面著陸平臺的角度關(guān)系，需要建立機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系。 其定義如下： wOwxwywz cO cxcy wx?wy?wz ?xycz PpO 圖 攝像測量的坐標(biāo)系統(tǒng) w w w wOx y z 世界坐標(biāo)系也叫全局坐標(biāo)系，是由研究者 任意定義的一個三維空間坐標(biāo)系， 將被測物體和攝像機(jī)作為一個整體來考慮。 cOcxcycziO uvOxy? ?00,uvPp 圖 圖像與攝像機(jī)坐標(biāo)系 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 它們與 0x ， 0y ， 0z 共哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 偏航角的估計 從上述的坐標(biāo)系設(shè)定和角度的定義中可以看出，著陸平臺上的 H 的 橫向中心線的直線傾斜角與無人直升機(jī)的偏航角有直接的聯(lián)系。 無人直升機(jī)在著陸過程中，其偏航角是有一定范圍的，本課題中 假定偏航角的范圍為 ? ?/ 4, / 4? ? ??? ，直線 l 和圖像物理坐標(biāo)系的 x 軸的夾角 ? 也是這個范圍。其運(yùn)動包括： (1)光軸在 c c cOxz 面內(nèi)的轉(zhuǎn)動， (2)光軸在c c cOyz 面內(nèi)的轉(zhuǎn)動， (3)光軸自身的轉(zhuǎn)動 。 38 角的大小， 即無人直升機(jī)偏航角的大小 ? 。 在無人直升機(jī)飛行過程中，機(jī)載攝像設(shè)備安裝在無人直升機(jī)質(zhì)心的正下方 ，且攝像機(jī)的像平面與無人直 升機(jī)的 b b bOxy 平面平行，假設(shè)攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在無人直升機(jī)的 bbOz 軸上，則從無人直升機(jī)的正上方 沿?zé)o人直升機(jī)的機(jī)體軸 bbOz 向下看，幾個主要的坐標(biāo)系、平面和直線如圖 所示 。 坐標(biāo)系之間的關(guān)系 如圖 所示，攝像機(jī)坐標(biāo)系中的 物點(diǎn) P 在圖像物理坐標(biāo)系中的像點(diǎn) p 的坐標(biāo)為： /ccX fx z? （ ） /ccY fy z? （ ） 將上式的圖像物理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為圖像像素坐標(biāo)系 ： 0 / xxu u X d s X? ? ? （ ） 0 / yyv v Y d s Y? ? ? （ ） 其中， 0u ， 0v 是圖像中心的坐標(biāo)， xd 和 yd 分別是一個像素在 x 軸和 y 軸上的物理尺寸， 1/xxsd? ， 1/yysd? 分別為 x 軸和 y 軸方向上的采樣頻率。兩者之間的關(guān)系就是像點(diǎn)和對應(yīng)空間位置的相互換算，其定義分別為： 圖像像素坐標(biāo)系 iOuv ：圖像像素坐標(biāo)系就是以圖像左上角的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以像素為坐標(biāo)單位的直角坐標(biāo)系。實(shí)際應(yīng)用中，可以 把地面坐標(biāo)系看成是攝像測量坐標(biāo)系統(tǒng)中的世界坐標(biāo)系。 31 方， ggOz垂直于地面指向地心。 第 2 章中， 曾分析過，機(jī)載 攝像設(shè)備安裝在無人直升機(jī)質(zhì)心的正下方，向下拍攝圖片時， 如果 無人直升機(jī)有偏航角， 則 著陸平臺上 H的橫向中心線在圖像坐標(biāo)系中的斜率會發(fā)生變化；無人直升機(jī)有俯仰角 時 ，著陸平臺上的H在圖像坐標(biāo)系中縱軸的位置不同。 29 本章小結(jié) 本章主要介紹了算法中圖像預(yù)處理的部分，包括圖像的灰度化，人工選擇的方法 進(jìn)行全局閾值處理，三種圖像邊緣檢測算子的原理與對比。 27 22m ax MN? ?? （ ） ? 的范圍是 ? ?max0,? ，量化單位為 1個像素。如果對這一點(diǎn)的曲線進(jìn)行計數(shù)，結(jié)果會是比較大的數(shù)值。即平面 Oxy 上的直線 y ux v??和平面 Ouv 上的一個點(diǎn) ? ?,uv 一一對應(yīng)，這種關(guān)系稱為 Hough哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 該算子通常由下列計算公式表示：