基于计算机视觉的相对导航运动估计分析

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1、4．2．2视觉导航系统的观测方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．374．3基于中心差分卡尔曼滤波的相对运动估计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．3．1中心差分变换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．384．3．2中心差分卡尔曼滤波算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．404．4仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414．4．1仿真条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4l4．4．2实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．424．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．445总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．455．1总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．455．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46差谤文南定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51攻读硕士学

3、位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52青岛科技大学研究生学位论文1．1课题背景及意义1绪论在社会信息化和国民经济发展迅猛的今天，绝大部分动态信息都离不开地点和时间等定位参数，甚至于载体姿态参数。导航技术在社会生活中有非常广阔的应用前景，其意义并不只限于军事用途【lJ。导航技术在世界范围内得到了普遍的研究与关注，被世界上主要的科技与军事大国列入了国防重点开发与研究的科研课题，投入了大量的资源，并最终取得了显著的科研成果。当今世界上飞行器着陆阶段所采用的导航系统主要包括GPS(Gl

4、obalPositioningSystem)-导航【I】、惯性导航、GPS／惯性组合导航和视觉导航。视觉导航系统得到图像信息主要是借助于视觉传感器，并利用图像处理技术来求得飞行器的导航运动参数。视觉导航中传感器的长处是体积小，功耗低，并且视觉导航的隐蔽性还很高。当前许多学者主要在车载导航系统中【2，3】对计算机视觉导航进行研究，正是因为视觉导航在智能车辆导航上的日新月异，将视觉导航应用到航天器自主着陆中才成为许多学者研究的一个热点方向。计算机视觉导航系统的示意图【4J如图1．1所示。≥一[=j画三

5、__]髫1CCDP型刮图像处理H边缘提取H确定姿态茸确定方位lI箩L{三兰手兰寻丰／l执行机构(舵机)悟————叫飞控计算机I图1．1计算机视觉导航系统Fig．1-1Thenavigationsystemofcomputervision视觉导航所得到的定位参数主要来源于对图像(由视觉传感器得到)的分析与处理，并且该导航技术获得信息量大且具有很强的自主性。目前视觉导航已经被应用于许多场合，例如智能机器人、公路交通管理、车辆安全行驶等。随着人工智能技术和图像处理技术的发展，视觉导航技术作为一种新的导航

6、方式，将得到更广泛的应用is]。在中国，随着月球探测的第二期和第三期工程的启动以及多型号UAV(UnmannedAerialVehicle)的发展，视觉导航技术的研究发展迅速【61。视觉导航是一种相对导航，该方法更适合应用于路径规划、障碍检测以及利用标志点进行小距离的导航等【71。例如，利用安装于漫游车上的视觉传感器采集基于计算机视觉的相对导航运动估计研究的图像，获取漫游车当前状态下的周围环境信息，通过确定分析环境对象和漫游车在该环境中的位置信息，并根据该信息认知辨别出环境中的障碍物，控制漫游车做

7、出准确的反应【8。1o】。此外，还有一种外部摄像机观测法，该方法通常是安装两个摄像头在着陆器上，根据对捕获到的包括漫游车在内的环境进行3D重建，进而获取漫游车的姿态与位置。这种方法主要通过视觉传感器来得到图像信息，进而得出环境中三维物体的几何信息(类似于计算机视觉方法的原理)，并根据这些几何信息来判别出该三维物体的相对姿态与中心位置。美国的“勇气号”和“机遇号”火星车上均配置了多对视觉导航相机，图1．2所示即为“机遇号”火星车上的视觉导航相机。图1．2机遇号及其视觉导航相机Fig．1—2MER·B

8、andthevisualnavigationcamera1．2计算机视觉研究综述人类主要依赖视觉感受来获取外界的环境信息，随着科学技术的发展，人们开始试着利用摄像机来拍摄图像然后将其存储在计算机中，最终使计算机能够完成视觉信息处理的整个过程，于是一个新的课题一一计算机视觉一一就产生了。由于计算机视觉是一门涉及许多方面知识的综合性的学科，其研究的主要目的是让计算机可以根据二维的图象信息来认知得到三维的环境信息。总而言之，计算机视觉要完成如下根本目标：(1)通过至少一幅2维图像信息来运