【正文】 .......................................................................... 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 微飛行器的姿態(tài)角是它穩(wěn)定飛行和安全著陸的重要導(dǎo)航參數(shù)。 2 計好的幾何形狀的著陸目標(biāo)物上，所有的特征點(diǎn)都在一個平面上，從而使得視覺算法是快速的，而且計算量較小。 在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)較早開始研究基于視覺的無人機(jī)自主著陸。 微飛行器 的 選擇 常見的飛行器有按翼形可分為固定翼和旋翼 兩種，固定翼主要有噴氣式飛機(jī)，而旋翼主要是直升機(jī)。而地平線和飛行器的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角有密切的聯(lián)系，由它們的關(guān)系可以解算出飛行器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角 [8]。 P4P 問題與 P3P 類似，應(yīng)用到飛機(jī)導(dǎo)航中時，由于飛機(jī)跑道通常都是矩形，并且該矩形的長度和寬度都是已知的，因此通過該矩形的四個頂點(diǎn)以及其在像平面中的對應(yīng)像點(diǎn)可以用 P4P 的方法求解出各點(diǎn)的具體位置，從而可以確定出飛機(jī)的飛行姿態(tài) [13]。姿態(tài)角與機(jī)體角速度之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系為： ? ?? ?t a n c os si nc os si n / c osc os si nx y zyzzy? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ??????? ???? （ ） 式中， m 是全機(jī)質(zhì)量， xI ， yI ， zI 是機(jī)體三個軸方向的慣量矩， xzI 是慣量積，g 是重力加速度，并假設(shè)它們都為常數(shù)。 方案二提出了較為新穎 的飛行參 數(shù) 的算法，但不適合于無人直升機(jī)的垂直起降。 15 第 3章 數(shù)字 圖像預(yù)處理 由機(jī)載攝像設(shè)備拍攝到的圖像一般都存在或大或小的噪聲，對于本文中的 跑 道檢測和邊緣提取有很大的干擾 作用，因此，對數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理顯得非常 重要。 imadjust函數(shù)可用于簡單的圖像增強(qiáng)處理，增強(qiáng)對比度實(shí)際上是增強(qiáng)原圖 像中 各部分的反差。在許多情況下，圖像中不同類型區(qū)域內(nèi)部各自的灰度分布是均勻或相對均勻的，但區(qū)域之間的灰度或平均灰度是不同的， 可以將灰度的均一性作為依據(jù)進(jìn)行圖像的分割和區(qū)域的提取。 22 (c) 閾值 T =230 圖 不同閾值 T 時圖像分割的結(jié)果 上述的圖像顯示，當(dāng)閾值 T =230 時，跑道區(qū)域 中 的 H 已經(jīng)完全從圖像背景中顯現(xiàn)出來，圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，在二值圖像中進(jìn)行邊緣檢測和 直線提取顯得較為容易。 24 ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?, 1 , 1 2 1 , 1 , 11 , 1 2 1 , 1 , 1yf x y f x y f x y f x yf x y f x y f x y? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） ? ? ? ? ? ?, , ,xyG f x y f x y f x y???????? （ ） 式中 ? ?,xf x y? 、 ? ?,yf x y? 分別表示 x 方向和 y 方向的一階微 分， ? ?,G f x y????為Sobel 算子的梯度， ? ?,f xy 是具有整體像素坐標(biāo)的輸入圖像。 26 變換。 圖 Hough變 換后的結(jié)果。本文可以通過提取 著陸平臺上 H的橫向中心 線，以其在圖像坐標(biāo)系中的斜率和位置來判斷無人直升機(jī)的偏航角和俯仰角。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 由式 — 可以得出物點(diǎn) P 與像素圖像中的像點(diǎn) p 之間的變換關(guān)系： 0 //x c c x c cu u fs x z f x z? ? ? （ ） 0 //y c c y c cv v fs y z f y z? ? ? （ ） 式中， xxf fs? ， yyf fs? 分別定義為 x 軸和 y 軸方向上的等小焦距。 俯仰角的估計 在第 2 章中曾 提到，無人直升機(jī)有不同的俯仰角時，著陸場景中的 H 在圖像坐標(biāo)系中縱軸的位置不同 ，本文 可以以 H 的橫向中心 線 l 在圖像中的位置作為研究對象。 37 O xybybx? ?bOl??z? ?bz 圖 H 的橫向中心線的直線參數(shù)與偏航角 ? 的關(guān)系 在第 3 章的數(shù)字圖像預(yù)處 理直線提取的過程中， 用 Hough 變換提取到了著陸平臺上的 H所對應(yīng)的三條邊界，在直線檢測的方程 cos sinxy? ? ???中，可以通過設(shè)定 ? 角的范圍來檢測出 需要的直線。 之間的 關(guān)系 世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)到攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換可以由一個正交變換矩陣 R 和一個平移變換矩陣 T 來表示： 1 1 1 2 1 32 1 2 2 2 33 1 3 2 3 3c w wc w wc w wx x xr r ry R y T r r r y Tr r rz z z? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? （ ） 其中， ? ?0 0 0, TT x y z? 是世界坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，矩陣 R 為： c o s s in s in s in c o s s in s in s in c o s c o s c o s s inc o s s in c o s s in s in s in s in c o s c o s s in c o s c o sc o s c o s s in c o s s inR? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ???????? ? ???? （ ） 正交變換矩陣 R 是攝像機(jī)坐標(biāo)系相對世界坐標(biāo)系的方向余弦的組合，含有三個獨(dú)立的變量： 偏航角 ? ，俯仰角 ? ，滾轉(zhuǎn)角 ? 。 攝像測量相關(guān) 的坐標(biāo)系 圖 為攝像測量所需各坐標(biāo)系之間的關(guān)系圖， w w w wOx y z 為世界坐標(biāo)系，c c c cOxyz 為攝像機(jī)坐標(biāo)系， Oxy 為圖像物理坐標(biāo)系。 30 第 4章 姿態(tài)角估計 在上一章中， 詳細(xì)介紹了圖像的預(yù)處理和直線提取算法，通過對著陸區(qū)域的特征提取，已經(jīng)可以初步識別跑道。 根據(jù)Hough 變換法檢測直線的原理， 需要對 ? 和 ? 的范圍進(jìn)行確定并且量化。 Hough 變換提取直線的主要優(yōu)點(diǎn)是受直線中的間隙和噪聲影響較小。該算法通常由下列計算公式表示： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 1 / 222, , 1 , 1 1 , , 1G f x y f x y f x y f x y f x y? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? （ ） 式中， ? ?,f xy 是具有整數(shù)像素坐標(biāo)的輸入圖像，平方根運(yùn)算使該處理類似于在人類視覺系統(tǒng)中發(fā)生的過程， Roberts 算子是兩個 22? 模板作用的結(jié)果，模板如下所 示： 模板 1： 0110? 模板 2： 1001? Roberts 邊緣算子定位精度高，在水平和垂直方向效果較好，但對噪聲敏感。人工哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 理之用。 17 圖像去噪處理 由上述灰度化處理的圖像可以看出，圖像 的背景色上有很多白色的斑點(diǎn)，這些白色的點(diǎn)都是圖像中的噪聲，給本文中 的圖像處理工作帶來了很大的干擾。 本章小結(jié) 在本章中主要介紹了已有的 視覺導(dǎo)航技術(shù)，并結(jié)合已有的研究確定出本文的設(shè)計方案。方案四用禁忌搜索 算法搜尋最優(yōu)解時，搜索域內(nèi)適配值函數(shù)值的變化有較強(qiáng)的方向性，令其從一個初始可行解出發(fā)，選擇一系列的特定搜索方向作為試探，選擇使適配值函數(shù)值增大最多的移動，從而在保證搜索質(zhì)量的同時較大幅度地減少搜索空間。直升機(jī)尾槳操作系統(tǒng)簡單，僅有尾槳總距，沒有尾槳周期變距，揮舞效應(yīng)小，簡化模型的計算中僅考慮尾槳拉力，只分析尾槳總距的影響 [15]。這種方法的應(yīng)用很廣，只需要事先知道跑道的寬度并且檢測出跑道邊線和著陸線，限制條件較少。下面將對已有的視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行對比研究，以確定最終的設(shè)計方案。最后是對課題工作的總結(jié)和對未來工作的展望 。這個結(jié)果說明視覺導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)際可行的。微飛行器在執(zhí)行任務(wù)的過程中，著陸階段是最為重要的階段，為適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境，要求微飛行器具有全天候、短距自主起飛和自主精確著陸的能力?；谝曈X的微飛行器自主著陸得到了廣泛的研究。在軍事上，用于軍事偵察，可裝備到士兵班，進(jìn)行敵情偵察及監(jiān)視，還可用于戰(zhàn)爭危險估計、目標(biāo)搜索、通信中繼，監(jiān)測化學(xué)、核或生物武器，偵察建筑物內(nèi)部情況，適用于城市、叢林等多種戰(zhàn)爭環(huán)境；在民用上，可用于城市環(huán)境監(jiān)測，自然災(zāi)害的監(jiān)視，用來搜尋災(zāi)難幸存者、有毒氣體或化學(xué)物質(zhì)源，消滅農(nóng)作物害蟲等；在科研上，可用于對核生化污染區(qū)的采樣與監(jiān)控，對鳥類 和昆蟲的研究等 [1]。 （ a） (b) (c) 圖 加州大學(xué)伯克利分校研究工作的圖片資料 圖像處理包括了圖像的二值化、圖像分割和特征點(diǎn)提取，圖像的特征是角點(diǎn)， 通過角點(diǎn)提取，可以將特征點(diǎn)標(biāo)注出來。當(dāng)目標(biāo)被正確識別后，將著陸平臺上 H的橫向中心線作為特征值，可由 H在圖像中的位置來進(jìn)行狀態(tài)估計，得到無人直升機(jī)的定位參數(shù)，最后送入控制系統(tǒng)。 7 成熟，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)研究出 了基于視覺的不同的跑道識別方法，著陸過程中的視覺導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)在無人機(jī)上的得到了應(yīng)用。 一個直觀的例子，飛機(jī)距離機(jī)場較遠(yuǎn)時，機(jī)場跑道在圖像上的顯示就會很窄；當(dāng)兩條跑道線和著陸線構(gòu)成的三角形不是等腰三角形時，說明飛機(jī)已經(jīng)偏離了跑道中心線，或者機(jī)身有滾動。 在確定本文的設(shè)計方案前，需要先來了解直升機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型的組成。 由于攝像機(jī)安裝在飛行器的下方，向下拍攝圖片，所以利用地平線檢測法檢測姿態(tài)角并不