论文摘要：单目主动视觉导引关键技术研究

单目主动视觉导引是建立在以计算机视觉理论为基础的一门新兴而具有挑战性的技术, 具有精度高、非接触、自动化和智能化水平高等诸多优点,因而在基于机器视觉的运动分析、跟踪和导航中有着广阔的应用前景和巨大的发展潜力。本论文以舰载垂直起降无人飞行器自主着舰末端视觉导引为主题，研究了单目主动视觉导引中所涉及的摄像机标定和相对运动参数估测的问题。通过对垂直起降无人机自主着落末端物理过程的分析，本文指出无人机自主着舰末端视觉导引中舰机间相对位姿的估测，可以看作机载摄像机对甲板着舰靶标平面区域3D运动的估测。论文阐述了着舰靶标正方形图案的设计理念，基于透视投影变换原理，对单目主动视觉实际场景传感图像进行了数学建模，提出并实现了利用机载摄像机图像平面上的靶标实时场景软件仿真系统来辅助视觉标定和图像处理算法研究的方法；同时通过对已有摄像机标定技术的详细讨论和分类，提出了一种基于单幅正方形图像的可变焦摄像机焦距线性标定方法，半实物仿真结果表明：结合本文设计的角点自动排序和直线自动排序图像处理技术，在实现了自主开发的高精度、全自动“亚像素”直线边缘提取及直线拟合的基础上，运用该方法较好地解决了单目主动视觉无人飞行器导引中对可变焦摄像机焦距的高精度在线实时标定问题。为研究具有鲁棒、实时、准确特性的三维相对运动估测算法，本文分别用离散分时单目单视标定法、光流分层法以及基于长序列图像的扩展卡尔曼滤波器方法实现了从二维图像序列获取空间三维信息以估计舰机相对运动参数的目的，并依据误差传递模型对二维图像坐标误差所引起的三维参数量测误差进行了估算。以PC和DSP为平台所构建的对三维运动参数进行估测的半实物仿真系统及其实验结果表明：三种方法在实验条件下都实现了舰机平均转动精度≤5°，在靶标平面平均定位精度≤6cm的要求。本文提出的利用一幅已知几何尺寸的正方形图案靶标图像，采用主点查找表方案，单目单视标定可变焦摄像机内外参数的方法，可实时估测主动视觉系统的焦距和相对位姿。在此基础上，提出并实现了将利用光流场进行平面小幅3D运动检测的非线性问题转化为两个线性问题的光流分层模型，建立并实现了抗噪能力强的基于长序列图像的扩展卡尔曼滤波器三维运动估测模型，并对三种算法的理论建模、实现条件和精度分析做了较深入地研究，在理论和技术上为基于主动视觉的运动估测问题解决提供了有价值的参考。