面向无人机着陆的变焦距视觉位姿测量技术研究
随着视觉位姿测量在无人机自主着陆/舰，机器人导航定位与空间交会对接的广泛应用，视觉系统的测量精度和测量距离无法兼顾的问题逐步成为急需解决的热点问题。本论文研究以变焦距相机为图像采集设备的单目视觉位姿测量方法，通过在测量过程中动态改变焦距以获得目标特征高精度的像素坐标进行位姿测量，从而满足在中远距离条件下无人机视觉导航系统对精度的需求。 现有变焦距相机的标定都是基于固定内参数标定理论的平面静态方法，没有充分利用变焦相机在变焦前后部分信息已知的特性，标定方法繁琐且精度有待提高。针对此问题，本文根据变焦相机的成像模型和基于扩展卡尔曼滤波的状态估计方法，提出了一种融合IMU和图像数据的变焦相机在线内参数标定方法，通过结合离线标定的精度优势和在线标定的实时特性，提高了变焦相机在无人机位姿测量场景中的标定精度。实验结果表明，其标定结果的重投影均方根误差小于0.5个像素。 现有基于激光全站仪的视觉位姿测量实物验证方法，由于全站仪的有效测量距离和人为瞄准误差限制，在较远距离和无人机动态运动情况下无法获得相机高精度的位姿真值。针对此问题，本文根据多坐标系转换理论和模型参数估计方法，提出一种中远距离视觉位姿测量验证实验新方法，通过借助RTK定位设备，在保证测量精度的基础上拓宽了实验范围。实验表明，其在500米的测量范围内位置真值获取误差小于20cm。 现有视觉位姿测量方法的测量误差随测量距离增大而增大，其根本原因在于测量距离的增加使得单个像素点代表的实际距离增加，在图像提取算法不变的条件下，像素误差引入的实际距离误差逐渐增大。针对此问题，本文根据变焦距相机的成像模型，提出了一种基于变焦距相机的无人机着陆位姿估计方法，通过改变焦距提高在远距离的合作目标成像分辨率，以大幅度降低特征提取误差对于整个位姿测量精度的影响。实验表明，其在500米的测量范围内视觉位置测量均值误差为1%，相比于现有采用组合镜头的方法，其降低了视觉测量系统的复杂度和成本，提高视觉系统在中远距离条件下的精度和可靠性。
位姿测量;机器视觉;图像处理;变焦相机标定;无人机着陆
南京航空航天大学
硕士
测试计量技术及仪器
徐贵力
2022
中文
TP391.41
2023-11-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）