（光学工程专业论文）直升机摄影测量算法与激光监测引导实验.pdf

学科专业： 论文题目： 硕士生： 摘要 光学工程 直升机摄影测量算法与激光监测引导实验 王伟导师：朱大勇教授、博导 本文评述了直升飞机的常规引导和着降方法及国内外的着降与引导 装置的最新发展情况。时直升机着舰过程中精确定位的摄影测量算法和点 目标图像处理算法进行了研究，建立了用四个信标点测量直升飞机挂钩位 置的模型，推导了由信标像点的坐标计算挂钩位置的算法。对在摄影测量 算法中影响测量精度和视场角的因数进行了系统的分析，理论计算表明合 适的选择c c d 摄象机的参数可以使直升飞机的定位精度达到1 0 个厘米以 下。对点目标进行了高通滤波及门限检测模拟，结果表明经过高通滤波和 门限检测能较好的提取目标像元。r 一 本文对直升飞机引导过程中扫描激光算法进行了系统的分析和研究， 首次提出了四反射镜测量距离与飞机引导，并以实验室现有的条件设计了 一套扫描激光测量角反射镜返回信号时间的原理性实验系统，为了实现数 据的自动测量，完成了通过单片机和计算机的串行接口进行双机通信的实 际电路研制和软件的编写，通过测量角反射镜返回的光信号时间差来模拟 飞机的距离和方位角，得到了满意的结果，说明我们的方法是正确的。( 为 今后研究实际系统提供了重要的依据，具有重要的参考价值。广卜一 关键词：摄影测量算法于j 描激光串行接口点目标处理图象滤波 a b s t r a c t s 吲“钞： o p t i c a le 啦c r m g t h e m e ：h e l i c o p t e rp h o t o g r a m m e u - ya n dl a s e ri n s p e c ta n dg u i d i n g e x p e r i m e n t p o s t g r a d u a t e ：w a n gw e it e a c h e r ：d 叫o n gz h u ，p r o f e s s o r t h ec , o r n m o ng u i d i n ga n dl a n d i n gm 武h o d so f h e l i c o p t f i r si sd i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n w es t u d i e dt h ec c d p h o t o g 珀m m e t r yt h a tw i l lb eu s e di nt h e l a n d i n go fh e l i c o p t e rt om e a s u r et h ep r e c i s ep o s i t i o n w em a d et h em o d e lo f u s i n gt h ef o u rs i g n a ld o t t om e a s u r et h ep o s i t i o no f t h e p r o b eo f t b eh e l i c o p t e r t h ef a c t o r sw h i c hw i l la f f e c * o nt h em a x i ma n g ea n d 翻t o ro f c c d - p h o t o g r a m m e t r yi sd i s c u s s e d t h eo u “x 盯r l eo fc o m p u t i n gs h o wt h a ti f w e s e l e c ta p p r o p r i a t ep a r a m e n t so fc c dw ec 矗nc o n t r o lt h ea 曙、o ro fm e 蠢s u r ei n f i v ec e n t i m e t e r s t h eh i g h p a s sf i l t 盯w ew i l lb eu s e dt op r o c e s st h ep i c t u r ei s e m u l a t o r c do i lt h ec o m p u t e r t h eo u t c o m eh a ss h o w nt h a tt h en m h o do f h i g h p a s sf i l t e rc 锄p i c ku pt h es i g n a lw e l l t h es c a n i n gl a s e ri su s et om ( x l s l i r et h er a n g eo fh e l i c o p t e ra n dg u i di l r e t u r n i n gm i l e sa w a y t h ei n t c r f a o eo fs i n g l e c h i pa n dc o m p u t e ri sd e s i g n e dt o m e a 靴他d a t aa u t o m a t i c a l l y t h i sm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r di nt h ef i r s tt i m e w ee s t a b l i s has u i to fs t a s ss y s t e me m i t t i n ge x p e r i m e n tw h i c he m u l 砒c dt h e s i g n 矗it h a tr e f l e c t e df r o mt h ea n g l e - r e f i t t i n gm i r r o r , t h ee x p e r i m e n ts u p p l y t h ei m p o r t a n tb a s ef o rt h ef u r t h e rr e a ls y s t e mt h a tw ew i l lb u i l da n di th a s i m p o n a mv a l u e ， k e y w o r d s ：p h o t o g r a m m c t r y s l a s s c 镕n u l a t o r i n t m f a c e h i g h p a s sf i l t e r 电子科技大学硕士论文 第一章直升飞机引导与着舰的特点 1 1 引言 一直升飞机的特点及重要性 舰载直升机是第二次世界大战之后发展起来的舰载直升机在搜潜与 反潜、返舰与护航、海上搜索与救生、垂直登陆、补给与对岸火力支援、 布雷与扫雷、火力引导与校正、早期预警、侦察与通讯等任务中广泛应用 舰载直升机以其起降不需要专用的跑道和比其它的舰载机更机动、灵活等 特点，在现代战争中发挥着十分重要的作用。战后美国首先研制了多种反 潜直升机，以后随着海空作战的需要和直升机设计、制造技术的提齑，各 种型别和用途的舰载直升机相继涌现出来，并已形成了一支不可忽视的海 上武装力量。世界上正在服役的3 3 艘航空母舰上，艘艘都装备有舰载直 升机。美国海军、英国海军几乎在所有的驱逐舰、巡洋舰、护卫舰等舰船 上装备了舰载直升机。这样，不仅要求直升机能在巨大的航母上安全着怒， 也需要在面积有限的中型舰船上准确无误的着肄。 二舰载直升机引导及着舰的特点及面临的难题 在浩瀚的海洋上，天气变化无常，执行完任务返航的舰载直升飞机经 常面临诸如大雾、黑夜及敌方电子干扰等恶劣的环境为了使返航的直升 飞机不致迷失方向成功的返舰及近距离安全的着舰，必须有觏载和机我的 先进、精确韵导航设备及成功率高的回收助降装置。载直升机韵着舰过稷 是舰载直升机事故率最高的阶段这是由于中型舰船飞行甲板尺寸较小， 因风浪影响使飞行甲板处于不规则的颠簸运动之中使得舰载直升机着舰 比着陆困难得多，因此着舰的事故率也较着陆豹事故率离的多据荚圈安 全中心统计，舰载直升机飞行事故是航天飞机的五倍是喷气轰炸机的 1 0 倍是民航飞机的“倍，仅美躅一年菲航母上就损伤直升机3 b 架 屯子科技大学硕士论文 伤亡3 1 人，经济损失高达1 0 0 0 多万美元。各国对直升机引导与着舰助降 系统的发展都非常重视，先后研制出微波导航系统。光学导航系统，目视 助降系统( 包括助降标志线和助降灯光系统) 、拉降系统、甲板固定装置 ( 又称为“鱼叉”系统) 、助碑一系留牵引系统，不同程度地解决了舰 载直升机着舰的安全问题。 三直升飞机引导与着舰的过程 一由引导装置全方位的搜索，二，发现目标三濑j 量方位角和距离， 四精密引导，五飞机进场，六指示飞机若舰七运送机库。 1 2 着舰助降系统的发展及各种装置的比较 一目视助降系统 目视助降系统包括标志线和助降灯光系统。助瘴标志线为直升机驾驶 员提供进场航向和安全着舰区的参考基准其优点是简单实用，但在夜闻 和低能见度条件效果较差，而且引导信息量少、精度低、只能起辅助作用。 助降灯光系统包括下滑指示线( 菲涅尔灯阵) 和各种标志灯它为直升机 驾驶员提供航母位置、姿态、进场下滑斜率和航向，给直升机驾驶员发出 归航、着舰和复飞指令。它比助降标志线提供的助降信息更丰富，因此得 到广泛应用，但着舰引导精度低，在实施灯火管制和低能见度时使用受限 二加拿大的“捕熊井”直升机拉降和快速夹紧装置 这是一种陷阱锁格栅装置，结果相当复杂它适用于大型的直升机 这种装置分机载和舰载两大部分机载部分比较简单，只设一台液压绞车 用来收、放牵引和可伸缩的探杆( 拉降管) 。当引锁和拉降锁被拉入主探 杆内，拉碑锁的接头被锁紧装置锁紧时绞车即自动停止，引锁脱开飞 行期问，主探杆可锁回到机内。舰载部分在甲板上主要是一个方形的钢涮 框架6 英尺见方，框架内装有两根平行的可滑动的夹紧梁( 制动粱) ， 框架四边的钢槽内有电动液压操纵机构。用来驱动和锁紧夹紧梁当飞机 2 电子科技大学硕士论文 的主探杆插入夹紧装置时夹紧粱能立即夹住主探杆，把直升机牢牢地固 定在甲板上，并通过牵引装置将直升机沿着开槽的导轨拉入机库。这种装 置的不足是增加直升机起飞的重量，需要人工参与。 三英法联合研制的“鱼叉一格栅”助降装置 该装置有机载的鱼叉式锁紧机构和飞行甲板上的格栅机构两部分组 成。机构比较简单更适合较小型的直升机使用可伸缩的“鱼叉“装在 直升机的腹部，飞行时缩进机体内：降落时伸出机外，插入甲板上的格栅 内“鱼叉”插入格栅后，直升机可以“鱼叉”为轴作3 6 0 0 旋转校正直 升机的方位应急时，可操作安全杆脱离格栅起飞格栅为圆形，直径为 2 5 米，钢制结构格栅上有一排排的蜂窝状孔漏，孔洞与孔洞之间的相互搭 接里六角形相交线排列时必须使每个孔豹中心位于等边三角形的顶点 上，以便“鱼叉”能顺利她插入孔内“鱼叉格栅”只起到助降豹作用， 直升机进出机库还需要专门的牵引装置现有的牵引装置基本有两种：绞 车钢索牵引装置和牵引车导轨装置前者甲板上的设备比较简单，只有绞 车、滑轮和钢索，但甲板下的液压动力系统比较复杂；后者控制系统比较 简单，怛甲板上的布置比较复杂。英国m l 公司研制了三绞车牵引装置， 两都绞车在船位，一部绞车在机库增加的两都绞车是在离海况是使用 这些绞车都是液压恒张力绞车。现有的直升机动降装置见表l - l 。与拉阵 系统相比，量叉系统重量较轻，成本较低，结构简单比较可靠，但在直 升机需要转运时。需要人工将其脱开，不适合飞机编队起降。 裹1 - 1 直升机助降装置 装置名称首制国安装舰 “捕熊井”直升机拉降加拿大加拿大“安纳波利斯”级和“圣劳 和快速夹紧装置伦特”级护卫舰等 “鱼叉”助降装置英、法荚海军“利安德”级、“亚马逊” 电子科技大学硕士论文 级护卫舰及荷兰、法国、阿根廷、 巴西的部分舰 助降和夹运装置加拿大美海军的“斯普鲁恩斯”级、“基 ( r a s t )德”级驱逐舰、“提康德罗加”级 巡洋舰和“佩里”级护卫舰 s e a - - 4 0l意大利意大利海军的“狼”级和“西北风” s e a - 4 0 2级护卫舰及“加里博迪”航母 飞机微波数字导向装英“无敌”级航母和荚、西班牙的部 置( m a d c r e ) 水平着分舰 舰指示器( m 蛆i s ) 四法国的“萨马赫”2 1 0 助降和牵弓l 装置 这种装置设有全钢性的夹紧装置( 钳取机构) ，可以在离子5 级海况 下，对不在羞舰点的直升机重新定位，并可牵引l 2 架1 0 吨重的直升机 这种牵引系统有r 、n 和s 三种型式，分别代衰尾轮型、前轮型和滑撬型 三种系统。 尾轮系统该系统由装有扩伸杆和爪臂的牵引车的主机构夹运直升 机； 前轮系统该系统用前轮夹运直升机。根据直升机的型号可以用 单牵引，也可阻用双牵引( 爪式或蟹钳式) 捕捉和牵引直升机； 滑撬系统该系统使用的牵引车与尾轮系统基本相似，但滑橇式起 落槊则采用扩伸杆。牵引车可以沿着固定在甲板上的导轮在机库和着舰点 之间移动，用它的转动臂牵引直升机牵引车的运动靠埋在导轨中的钢索 牵引。机库的背面设有电磁离合器和减速装置 电子科技大学硕士论文 表j 2 “萨玛赫”2 1 0 装置使用工况 牵引状态横摇纵摇横向风速 停止3 0 。 士g o6 0 节 慢速 + 2 0 0士5 05 0 节 正常速度 士1 5 0士3 05 0 书 五p a s t 装置 为了使l 舢旧s m 系统能够适应挪威海和大西洋东北部离海况下的作 业，在选用s h - 6 0 b 之前就着手研制更为先进的直升机拉降和快速夹紧 装置。研制工作阻加拿大的“捕熊并”拉降和夹紧装置为基础取名为 p a s t ，即助降和夹运装置。r a s t 使用海况为：横摇3l o ，纵摇为9 0 ， 升沉为6 1 米，牵引速度1 8 米，分。着舰引降宫通过尾部的导向绞车顾序遥 控。导向绞车的作业时阃最多为两分钟。牵引时直升机必须系牢。 鼬蟠t 包括机载和舰载两部分组成。机我的部分有： 1 钢索或“吊索”绞车它安装在可以伸缩的主探杆机构上用来收 卷动降索。助降索的一端与舰上的恒张力绞车相接，另一端则固定在直升 机的主探杆上当直升机的主探杆插进快速夹紧装置时主探杆即被安装 在舰上的快速夹紧装置制动机构夹住，把直升机固定在甲板上。 2 尾杆也是可以收缩的。它安装在尾部的轮杆上以便当它在安装 在甲板上的开槽缝啮合时，直升机不至于铡滑和倾倒。飞行员可以利用驾 驶舱内的控制系统目视吊瓶并启动探轩。 r a s t 的舰载部分有机电、电子和液压设备液压设备控制着三台液 压绞车和两台快速夹紧装置。 主要的硬件有： 】引降富控制台。它是飞机起飞、着降和夹运唯一的控制点。控制 台位于飞行甲板右侧的凹槽中； 电子科技大学硕士论文 2 快速夹紧装置，具有横向、前后和垂向夹紧制动的能力。各种设 备就安装在其中，支撑在甲板的导轨上并与绞车连接，以便装置能沿导 轨进出机库；r a s t 机械间内设有两台牵引直升机绞车；r a s t 机械间还 装有液压绞车和拉降动力装置，以便在拉降时直升机的拉降索保持恒张 力，通过钢索把中心力加到飞机主探杆上，把主探杆拉入快速夹紧装置； 尾部导向绞车系统的作用是是直升机与r a s t 系统导轨保持直线，牵引 直升机迸、出机库；用r a s t 系统的其它设备控制系统把助降索端接头 置于所需要的位置或右舷快速夹紧装置下以限制助降索的张力变化，并 控制电缆快速夹紧放松。 六意丈利帕内赖公司研制的s e a4 0 1 直升机助降系统 该系统包括以下设备： 1 下滑速度指示器由电子稳定指示器和遥控指示器组成用于联 合控制。 2 飞行甲板照明设备，采用许多电发光的嵌在飞行甲板中的固态感 光板，以示出甲板的尺寸、航线和着舰点韵准确位置。由于采用这种设 备，而取消了机库顶上的飞行甲板强光照明。 3 横播指示器，即方位光带。由于它是独立地被置于飞行甲板的一 测所以飞行员可以用目视检测舰的横摇角。指示器是固态的，用联合 控制台控制。 4 交通灯交通灯为飞行员、甲板指挥言和舰桥上值班员的辅助设 备。另外，这一设备在舰桥一飞行甲板指挥官一驾驶室之闻有限的通讯 范匿内设有音网。照明用标准颜色有红、琥珀和绿色三种。 5 多用途的泛光照明。这是一种多用途夜间照明系统，用反光镜作 为甲扳上的泛光照明。但在受“威胁”时，可使全舰一团漆黑。 七a s l s t 系统 机髋集成弓l 导固定牵引装置( a s i s t ) 是在r a s t 系统的基础上于 9 0 年代发展起来的新一代直升飞机着舰系统，它利用光电传感器，自动 6 电子科技大学硕士论文 探测和跟踪从悬停到降落过程的直升机，并精确测量直升机相对着舰点的 位置，引导直升机驾驶员操纵直升机准确降落并驱动固定装置快速接近直 升机销钩，将直升机固定，然后由周定装置和牵引系统将直升机对准甲板 轨道并将其运进机库，而勿需人工干预。 直升飞机引导与助降装置的发展趋势是：自动化程度高，着舰精度高， 全天候工作和适合飞机编队。 电子科技大学硕士论文 第二章直升飞机光电引导与助降系统的总体考虑 光电引导与助降系统主要针对大型登陆舰( 运载十架以上直升机) ， 重点解决直升机执行完任务返航引导以及从进舰悬停到着舰并运机运进 机库的这一过程中的引导和着舰问题，可适用于直升飞机编队归航。由光 电引导系统来完成直升机远距离的位置测量和引导，由光电助降系统来完 成引导直升飞机着舰并将其运进机库。 系统组成：直升飞机光电引导系统和直升飞机光电助降系统 2 1 直升飞机光电助降系统 一直升飞机光电引导与助降系统的要求 1 ，针对性：针对我国自行研制的登陆舰载1 0 架以上直升机的情况， 研究能准确引导返航并快速回收入库的引导一固定一牵引一体化助降系 统，减少回收时问： 2 可靠性：通过采用高精度光电引导系统减小着舰偏差以保证着舰 安全。 3 适应性：尽量减小机上设备的体积、重量和功耗，尽量减小或不 改动飞机机械结构。 4 兼容性：所设计的光电引导系统可用于直升机惯导系统标校。 5 抗干扰性：在电子浸没的情况下能正常工作。 二光电助降分系统的总体指标 1 搜索视场：9 0 0 2 目标搜索时间： ( 1 s 电子科技大学硕士论文 3 有效作用距离：1 0 m 4 直升机定位精度：出0 c m 5 数据更新时间；1 3 0 s 6 提示方式：小型灯阵 7 机上设备重量：l k g 8 机上设备功耗：- 0 5 w 三光电助降分系统的工作构成和原理 如图2 1 所示体统主要构成部分包括机上激光信标灯阵( 2 组) 、 c c d 电视摄像机( 2 部) 及信息处理器、驾驶员可视提示显示器( 包括 显示控制器) 、可移动固定装置和转运牵引系统。 匿2 1 助降分系统组成示意圈 系统的基本工作原理如圈2 2 所示置于船尾着舰区两侧的宽视场 c c d 摄像机搜索并捕获进入其视场的持降落直升机并对机身两侧的激光 9 电子科技大学硕士论文 信标点阵成像，摄得的图像信息经过a d 变换、滤波、信标检测分析和 确认等处理后，在二维像平面上得到包含直升机实时位置和方向的清晰光 标图像。然后借助摄影测量算法求解出直升机销钩相对预定着舰点的坐标 参效最后将这些参数通过可视提示标控制器，一路送到灯光提示器，提 示驾驶员据此操作飞机向预定者舰点降落，另一路送至快速固定装置，跟 踪直升机腹部的销钩，一旦确认直升机已经着舰，立即将其固定，并对准 甲扳导轨，将其牵引入机库这时一架直升机着舰过程即告结束，第二 槊着舰飞机依次开始。 图2 - 2 助降分系统工作框图 五直升飞机光电助降系统简介 1 激光信标 激光信标是为了增强目标与背景的对比度而设置豹有源测量标记，它 采用低功率、高壳度单色半导体二极管激光器其蜂功率为1 0 w ，重复 o 电子科技大学硕士论文 频率为1 k h z 通过耦合器将激光器输出导入8 根光纤，每根光纤端头配 以9 0 0 立体角的发散透镜将其固定在机腹两侧形成每侧4 个并按已知几 何关系捧列的信标光点每一个激光信标发射7 0 0 m w 的功率，这对人眼 是安全的。信标发射中心波长是8 2 0 a m , 带宽为4 n m 。 2 c c l d 摄像机 c c d 摄像机是直升机位置测量传感嚣的重要组成部分，其功能是搜 素和捕获直升机上的激光信标并摄取信标图像，为了精确求解直升机的位 置数据，装在船尾预定着舰面的两侧。摄像机采用隔行扫描，c c d 传感 器有效元数为3 7 7 x 4 8 5 ，尺寸为8 8 r a m x 66 r a m 。采用视场为9 0 。的短聚 焦镜头，将激光信标成像在传感器的有效光敏面上。为了有效滤除各种波 长的背景杂散光，以利于在各种背景光条件下探测低功率的信标光，摄像 机需要加一组滤光片，一是放在透镜前边的红一绿玻璃片以阻止所有豹可 见光通过二是窄带滤光片，放在透镜后边，其中心透过波长为8 2 0 n m ， 带宽为l 扣1 4 n m 。 3 图像信息处理单元 图像和信息处理单元完成a d 变换、数字滤波和门隈检测、信标撵 测和分析以及目标鉴别等功能，旨在正确产生信标的二维分布图像。a d 变换墨首先将传感器得到的图像数据数字话为每个像素8 b k 盼毁据，以 便进行后续的数字信息处理数字滤波嚣的功能是进一步滤除通过光学滤 波后依然存在的较强的太阳光和其他背景光( 通常表现为直流分量) 以 增强信标图像的对比度。经过滤波的数据在存入图像缓存器之前还要经过 门限检测。剔除强度低于预置门限的像素点。信标探测和分析单元的功艴 是对超过门限的像点( 已存入图像缓存器) 依据一定的准则( 如像点的面 积、强度、形心等) 进行鉴别，从1 2 个侯选信标中选择4 个符合准则条 件的信标像点，然后用目标鉴别算法( t d a ) 处理，以进行最后的确认， 当所选的一组信标像点连续3 次验证时则确认真的信标被探测到 摄影涓量系统 l l 电子科技大学硕士论文 摄影测量单元是一组算法，它基于共线性条件方程。对于空间中每一 个目标点都可以建立关于其在像平砸中位置的两个方程。当4 个信标被 确认已撵测到时，信标在像平面中的位置数据就可用来计算直升机销钩的 位置。 5 驾驶员提示控制器 驾驶员提示控制器将测得的直升机销钩的实时位置和方向的数据转 换成直升机相对于预定着舰面的高度和垂向偏差，控制灯光提示显示器。 引导驾驶员操纵飞机准确降落，同时还将得到的数据转换成快速固定装置 相对于预定蓍舰点的二维偏差数据以驱动固定装置跟踪直升机销钩，一旦 确认直升机着舰即刻将飞机卡紧固定。 6 灯光提示显示器 。： 灯光提示显示器是一个十字形排列的小型光学灯阵，置于机库门上端 用以提示驾驶员操纵飞机准确着舰或复飞。 7 快速固定和运送装置 快速固定装置是可以在测量信息控制下，在甲板轨道蕊上移动的机械 装置，可以在2 秒钟内将着舰直升飞机卡紧固定。牵引绞车是一种机械牵 引装置，用以在提示控制器指令下将被卡紧的直升机沿甲扳运入机库。 六光电助降分系统的优点 由上述情况可知，采用光电引导传感器得引导一固定一转运系统具有 如下特点： 1 自动化水平高，几乎无需人参与； 2 引导精度高； 3 适应性强几乎不增加直升机的负载，也无需机械改动； 5 抗干扰能力强，由于采用光频工作，因此不受己方电子设备干扰， 也不受敌方电子战的影响： 电子科技大学硕士论文 2 2 直升飞机光电归航引导分系统 一系统要求： 搜索壹升飞机的空间方位，测量远离舰船的直升飞机的位置参数。并 利用可见光扫描激光束进行归航引导。 二光电引导分系统的组成： 扫描激光跟踪监测与引导系统( 可见光) 、红外传感器、电视传感器、 旋转工作平台、直升飞机上的角反射镜阵列。 三系统的工作原理： 用安装在同一个转台上的红外传感器和电视传感器进行旋转搜索确 定直升飞机的方位由扫描激光来测量飞机的距离和方位角并通过可见 撒光柬引导直升飞机返航如圈2 3 所示。 图2 3 归航引导与跟踪监铡示意图 2 3 本论文所作的工作及创新之处 在本论文的设计过程中查阅了国内外大量的资料，深入了解直升机 引导及着舰的发展动态，在国防预研课题2 9 3 3 2 ( 光电合成增强视景技 术) 的支持下，对直升机引导和着舰过程中的一些关键技术进行了研究， 作了如下几项主要工作： 1 对光电助降系统中直升机精确定位的关键技术摄影测量算法进行了研 电子科技大学硕士论文 究。建立了四信标测量宜升飞机精确位置坐标的模型，推导了利用四 个信标像点在像平面上的坐标计算直升飞机销钩坐标的算法。对算法 中对测量范围、精度造成影响的因数进行了系统的分析，并进行摄影 测量算法进行了模拟，结果证明四信标算法具有很好的收敛性。这是 国内首次利用摄影测量来进行直升飞机定位的研究。 2 对点目标处理算法进行了研究，并对高通滤波及门限检测进行了模拟， 模拟的结果说明高通滤波结合门限检测对点目标提取具有较好的效 果。 3 首次提出了利用扫描激光用四反射镜测量直升机位置参数并进行归航 引导。 4 设计了扫描激光原理实验系统，完成了测量反射镜之间距离并通过 m a x 2 3 2 由串口送入计算机的串行接口的软硬件设计和实现，并模拟 了对飞机方位角和距离的澜量，得出了满意的结果。 其中第1 、3 、4 点是本文创新点。 1 4 电子科技大学硕士论文 第三章摄影测量原理与算法 在第二章中我们简要介绍了直升飞机引导和着舰系统的组成部分和 总体设计思想本章具体讨论直升飞机光电助降系统中位置测量的关键技 术摄影测量算法和图象处理中的点目标的提取高通滤波算法，并进行了 软件模拟。根据模拟的结果采用滤波及门限检测后能较好的提取出目标 像点，四点摄影算法计算速度快，精确度高。 3 1 摄影测量原理 光学测量原理 摄影测量原理是随着人们对几何光学的研究而发展起来的一门学科， 人们利用光学成像来研究物体的形状，但是只有随着计算机和可编程芯片 的发展才在自动控制与测量领域发展起来。 摄影测量算法的理论依据是共线性条件，即当光线通过透镜时，像点、 物点和透镜的中心位于同一条直线上，物距远大于像距，焦平面近似为像 平面。 在直升机降落的过程中，需要测量飞机的挂钩与着舰面的相对位量和 姿态参 数。对于 自主着 舰，飞机 降落的过 程中，我 们可以通 过光学方 法获得飞 图3 - l 空间位l 姿态对应关系图 电子科技大学硕士论文 机的位置和姿态参数。在飞机上安装特征图案( 点1 、线条) ，在军舰甲板 上安装光学敏感装置( 如c c d 摄像轨) 。通过特征图案在光学敏感器中 成像如图3 - 1 所示计算出特征图案与光学敏感器之间的位置、姿态参数， 也就获得了目标直升机与舰船甲板之间的相对位置和姿态。 我们在飞机上安装合作信标，并建立目标飞机直角坐标系0 。x i y 品， 各合作目标点在该坐标系中的坐标已知。摄像机安装在船甲板上，并建立 跟踪坐标系o c x 。y z 。，摄像机在此坐标系中的位置、姿态参数、焦距、 分辨率等参数已知。调整摄像机使得特征点a 、b 、c 成像为a 、b 、c 。 通过a 、b 、c 和a 、b 、c 之间的关系来测量a 、b 、c ，以此确定直升飞 机销钩位置。 a 、b 、c 位置和姿态测量的第一步是要保证特征点在摄像机的视场 范围内，摄像机的视场太小与摄像机的焦距有关。第二步是在特征点已经 成像的基础上，找出像点和特，征点的对应关系，并对像点在成像平面上进 行二维坐标定位。第三步，已知像点位置。计算特征点的距离，不同的算 法在多解、误差放大、收敛型、求解速度等方面差异很大。第四步是，根 据特征点的位置，计算两坐标系之间的位置和姿态参数需进一步研究的 问题是冗余信息的利用。 设m 是0 l x t y 品在0 。) ( c k z c 中的转动矩阵它等价于三个姿态角 ( x ，y r ，z r ) ；t = ( x ，y 。，z 【) 是o t x t y 品在o 。x 馏。中的平移量。 对特征点p 有 陋 阳1 l 翠i = 卅甲i + 7 f 掣f z f | 阳一霹 = 刊f ff l z 一刁j 卜a , b c( 3 - 1 ) j ( 3 2 ) 1，j 霹掣名 一 一 一 e r z p，。，l 电子科技大学硕士论文 如果a 、b 、c 不共线，则向量一a b 、丽、面x 丽是不共线的三个 向量，代入( 3 2 ) 式即可唯一的确定m ，再由( 3 - 1 ) 式求出t ；否则， 无法确定m 、t 仅当至少存在不共线三个点时( 已知各特征点在两个坐 标系中的坐标) 。在纯平移时，一个特征点p 即可确定位姿： | _ ：p 丁= it 9i l z j ：pj m 为单位矩阵 ( 3 3 ) 在纯转动时，由于m 为正交矩阵，本身已有三个约束条件，即行( 列) 平方和为l 。此时只要2 个特征点即可确定m ，而t = o 。对于一般豹运动， 三个不共线的特征点就可确定m 和t 。 对位姿参数的物理意义擞一点说明位置即平移量，此处定义为跟踪 坐标系在且标坐标系中的平移量，即跟踪器坐标系原点在目标坐标系中的 坐标。姿态就是转动量所包含的三个角度是绕三个坐标轴逆时针的( 正 方向) 的转角这里存在顺序问题：是先平移后旋转，还是先旋转后平移? 三个转动之间也有先后区别。我们约定平移和旋转是相对最新坐标系而 言并约定跟踪坐标系位起始坐标系。如果求出的位姿参数为 t - - ( x ，y l ，z t ) ，r 爿x ，y r z r ) ，划关系如蟹3 - 2 所示。 图3 - 2 位姿参数的物理意义 二，瑕踪器上的光学敏感器件 7 1，j ”w 。l 昙型篆 翔亟 一跟一 电子科技大学硕士论文 i 单个摄像机的成像原理 摄像机成像原理是利用光学透镜的会聚作用，将( 三维) 物体表面发 出或反射的光线投射到摄像机成像平面上成像。其数学模型是透射变换 【见( 3 - 4 ) 式 ，参见图3 1 。这是一个三维到二维的变换即多对一的变 换( 同一视线上的点对应一个像点) ，也就是逆变换不是唯一的。同时是 非线性变换。 上 = y = 型 厂二z ( 3 4 ) f z 、 其中( x ，y ，z ) 是空间三维点：( x ，y ) 是像点在成像平面上的位 置：f 为摄像机的焦距。摄像机坐标系与参照坐标系重台。 2 双摄像机的定位方法 一个像点( x ，v ) 不能唯一地确定与它对应的物体点t x ，y ，z ) 的 位置，除非x 、y 、z 中有一个己知我们将看到成像过程中丢失韵催息， 可通过体视( s t e r e ov i s i o n ) 方法获得。另外，对于多点的情况。可以利 用基于模型的方法求解。 在体视方法中物体点( x 。y ，z ) 在两个摄像机中同对成像，得斟 两个像点( x l ，y i ) 和( x 2 ，y d ，参见圈3 - 3 。 图3 3 体视成像模型 电子科技大学硕士论文 第一个相机( 透镜中，已，) 设置与参考坐标系重合，有1 2 z ：，一上 其中b 是两个相机透镜中心的距离，称为基线长度。相机数目大于2 时的定位法与双相机情形无本质区别。 3 光学敏感器的内部特性 焦距的变化范围很大从普通的几毫米到长焦数千毫米。一般而言， 焦距越小视场越大，视场范围从l o x l o 到1 0 0 1 0 0 0 靶面是摄像机内部 的光电转按部件，一个空间点落入摄像机视场，且仅当该点通过镜头所成 的像落在靶面上因而靶面的大小和分辨率是一个重要指标，通常面积为 平方毫米量级，较高约分辨率可达到8 0 0 x 8 0 0 像素，甚至二百万像素。 成像时间是指完成光电转换和模数转换、并将稠像数据从靶面送至帧存储 器所需的时间，一般为0 0 3 s 。 距离和特征图像均固定时焦距长则像较大；焦距短则像小( 见式 3 4 ) 在选择相机焦距时一方面应保证特征图案落入视场( 即像不超出 靶面) ，一方面应保证特征图案尽可能地充满靶面。 三目标器上的特征图案 1 特征图案的考虑 利用光学方法测量直升机参数要求目标器是台作目标，郎在目标器 上设置特征图案跟踪嚣通过特征图案在光学敏感器中的成像来确定位婺 参数。一种设想是在目标表面设置若干特征圈案，以保证任意的相对位窭 下，均有足够的特征图案在摄像机中成像。所谓足够是指：对于特征点葡 言，总共有四个共面特征点成像。以唯一地确定位娄关系特征图案可以 ” 工 z z 一 一 一 弋厂 ， 卫厂址厂 i t = x y 电子科技大学硕士论文 是有源的，如本身发光t 也可以是无源的，如反射跟踪器投射的光。 特征图案可以是特征点或特征线段。文献 2 2 1 对点、线的噪音敏感性 给出下面的结果：基于特征点的位姿算法可容忍的输入误差不超过 2 7 2 ，而基于特征线段的位姿算法可容忍的输入误差为1 0 。在相同的 输入噪声下线段越长，结果越精确；线段越细，反差越大，结果越精确。 而正方形、长方形或任意四边形作为特征图案对结果影响不大，但图形接 近退化情形，则对精度影响很大。 2 特征图案的识剐和靶面定位 位姿光学测量的第二步是针对特征图案进行识别和靶面定位，这是位 羹计算的基础。以特征点为例其目的是检测特征点的像，找出像与目标 器上特征点的对应关系，并给出各个特征点在靶面二维坐标系下的坐标 ( x ，v ) 。检测特征点是利用特征点与背景的不同来实现的。 建立的对应关系的方法包括：各个特征点发出或反射不同波段豹光 ( 如不同颜色) ，利用彩色摄像机可以方便地建立像点与物点的对应关系， 实际容许的点数可达到几十个；或者对不同的特征点附加不同图案，比如 一号点就是一个点，二号点为两个点等等( 这里要求每个特征点簇包括的 彼此距离较近) ，利用黑白摄像机和简单的检测技术就可建立对应关系。 要说明的一点是，特征图寨的像的获取应在瞬间完成，中间不应包括附加 的时序过程( 或相对目标运动来说很短的对闻) 理想情况下各特征点 在摄像机中的像点恰对应一个像元。在检测至b 该像点之后，将对应像元的 x 、y 坐标送回即可。实际上，一个像点可能对应两个像素之间的一点， 此时采用拟合方法给出位置。当像点较大，对应了一个像素f 一个像素集 合时就应当求该像素集合中心( 通常是质心) 】的坐标。也有可能一个 特征点包含多个点，此时应根据约定给出某个像点的位置或中心的位置。 从这里可以看出，特征点越小，靶面豹定位精度越高。在特征点的检测过 程中，飞机上的其它部件各种天体( 如太阳、恒星、地球、月亮及其它 行星) ，都可能影响到特征点的成像，可能被误认为是特征像点。因此特 2 0 电子科技大学硕士论文 征点的设计与制造应以与周围物体显著不同为原则。 3 特征点的数目与布局 下面以特征点构成的特征图案为例，在单个摄像机的情况下，讨论目 标器上的特征图案对位姿的影响。已知条件是：各特征点( p j ，i = l ，2 ，n 在目标坐标器坐标系中的三维坐标( 通过安装特征点和定义目标坐标系即 可做到) ，摄像机及摄像机坐标系与跟踪坐标系之间的关系( 两者重合) 特征点在摄像机中成像并在靶面上定位。 y t 0 c 图3 4 单个摄象机成像位奏涌量 如果特征点共面，我们有： 1 两个坐标系之间的位姿关系可唯一确定的充要条件是存在四个共 面的特征点，其中三个不共线。 如果特征点不共面，我们有： 2 两个坐标系之间位姿关系可唯一确定，且仅当存在六个特征点，其 中任意四个不共面，任意三个不共线。 证明1 设置目标器坐标系0 x i y 函，使得全部( 共面) 特征点均落入xy t 平面内。设特征点p i 在目标坐标系中的位矢为p t = ( x l j ，w ，引) 1 。在 跟踪坐标系中的位矢为一= ( x ? ，y ? ，z ? ，p j 的像点q j 在靶面坐标系中的坐 标为( x j ，y j ) ，在跟踪坐标系中的位矢为q 2 = ( x j ，y j ，f ) ，f 为摄像机的 焦距。假定目标器坐标系相对于跟踪坐标系的姿态矩阵为m ，位置向重 为t ，并考虑到位矢p ，与q ? 的共线性有 掣= 懈厂) q = m f + t 一厶_ n 0 - 6 ) 电子科技大学硕士论文 司化强 o 母j = kj r i 其中 凡= 伍九y t j ，1 ) r ：o = ( x s , y ，) r ；女，= z ： l s ：口= 白。，卅：，丁) ， m 1 ，m 2 为m 的第1 ，2 个列向量。 若记口= k i ，口2 ，a 3t 由( 3 7 ) 式得 。一s ，式可化为杉：蓦：2 ：；：爱，= z 工一，n 。柳 可以看出，每个特征点p i 提供两个方程，但q 矩阵包含9 个元素 ( b ，y j 均为已知量，d ，o 。，a ，是未知量) 在不计比例因子时确定 a ( 8 个元素) 矩阵，至少需4 个特征点。2 的证明与1 相似。 在位姿计算中，重要的一步是计算特征点在跟踪器坐标系中的位置。 由于视线方向已知，故位置计算等价于距离计算而由得到的特征点位置 坐标计算坐标系之闻的位姿参数的方法则是标准的、相同的。 四特征点算法 四个特征点共面，任意三个不共线如图3 - g 中，己知l t ：，a ， 1 3 ，则”“ 占= l 】l ：t ga t 罐 ( 3 i o ) 否则 gp 皿 2 产 巧乃一 ， i i = l i 岛岛所 吖 ，。，l 电子科技大学硕士论文 由( 3 10 ) 可容易地将o a 、o e 、o c 用l l ihq ，b 表示。这里a ，b 等价于视角，而a 、e 、c 相当于特征点但式( 3 - 3 ) ，确定平移量t 与转 动矩阵m 至少需要知道三个不共线的特征点。参见图3 - 6 ，令a 、b 、c 、d r 圈3 - 5 由视角求距离图3 - 6 四特征点m 。t n 四个特征点均在摄像机中成像a 、b 、c 、d 由于透视变换下直线仍为直 线。故像点a c 连线与b d 连线的焦点( 设为e ) 的靶面坐标可以确定然 后就可确定z a o e 、z c o e 、z b o e 、z d o e 在目标器上，特征点 、b 、c 、 d 安装好以后，其交点自然兢确定下来了，因而a e 、b e 、c e 、d e 均已知 在圈3 - 6 中只要对0 e c 和0 b e d 分别应用式( 3 - 1 0 ) ，即可求出备视线的 长度。 冗余信息的分类与利用 冗余信息的来源为两类：来自跟踪器上的摄像机和目标器上的特征图 案当摄像机为两个或两个以上时； 同种摄像机中的数据可以相互映证，不同摄像机( 焦距不 司) 适台 于不同的距离段，在垂直的距离段也可相互殃证； 如果利用立体视觉方法，则目标器上特征点间的位置关系对冗采 的。 由特征图案带来的冗余性包括： 电子科技大学硕士论文 在特征点与跟踪器的距离计算时，由式( 3 - 4 ) 可唯一地确定图3 - 5 中a 、e 、c 的距离。在图3 6 中四个特征点a 、b 、c 、d 的距离 是通过两次利用定理4 得出的，显然o e 计算了两次。两次o e 的 一致性说明了特征点的距离的误差量，两次o e 的偏差可用来修正 a 、b 、c 、d 的距离； 在已知特征点位置，计算两个坐标系的位婺关系时，由定理1 知， 3 个不共线的特征点就可保证解难一。在图3 - 6 中，至少有4 种不 同的三特征点组合。实际上，假设特征点为n 个则不同的向量为 n ( n - l 坤个，设琊) ，g ( i ) 分别为第j 个向量在目标器坐标系和跟踪 坐标系中的表示，有： k i ) = m g ( i ) i = l 一2 ，, g n 1 ) ，2 ；其中m 为姿态矩阵。利用矩 阵的方法可以提离m 的精度。 周o 7c c d 摄影测量法圈 3 2 位置信息的得出 如图3 7 所示，跟踪坐标系定义为；以透镜的a e , d 为原点，垂直于透 镜井过透镜中心的直线为z c 轴，沿着透镜向僖标看的方向为正方向。经 过透镜中心且垂直与着舰面的直线为y c 轴，正方向向上；根据右手定粼 x e 轴为平行于甲板和c c d 光敏面方向向左且过透镜中心。倍标点a 、 b 、c 、d 为目标坐标系，a 、b 、c 、d 成正方形对角线长为2 l ，a c 、 电子科技大学硕士论文 b d 的焦点为j ，我们取a c 为x 。轴，方向为由c 到a ，b d 为y t 轴方 向为由d 到b ，根据右手定则，z l 轴为经过j 垂直于a b c d 面的直线， 正方向为背向摄象机的方向。则a 、b 、c 、d 四个信标在目标坐标系中 的坐标为化0 ，o ) b ( 0 ，l ，0 ) ，c ( - l ，o ，o ) ，d ( 0 ，- l ，0 ) 。a 、b 、c 、d 经过透镜成像 在c c d 光敏面上，像点分别为a ，b ，c 1 ，d 1 透镜的焦距为，由于物 距远大于焦距，所以像距也为，。为了推导方便，我们特作如下假设： a 、b 。、c 、d 在c c d 上的坐标为： a ( 毛，y 1 ) ，占( z 2 ，j ，2 ) ，c ( 芏3 ，y 3 ) ，d ( ，) ，) 线段a c 所在的直线方程为： 一= 争警g - - x 3 ) 啮 ( 3 。i i ) y = 必b 一) - 4 - y 4 ( 3 1 2 ) 毛一工2 线段b b 所在的直线的方程为： 所以j 。的坐标即为线段n c 。、b b 崭在直线的交点，即j 点坐标满足如 下方程： 解得j 7 ( o ，儿) 的坐标为 因此可求出：线段 j 、b j 、c 。，、d j 、o j 的长度 设l - - - i 2 ( a j + o j + o ) ( 3 1 4 ) m融 n 心d 站 k 似 一一一一一 乃 筹粪 电子科技大学硕士论文 , 4 0 j 满足z 一o v