基于序列圖像的攝像測量位姿估計及其船體變形測量應用.pdf

1、現(xiàn)代艦船（航天測量船和各種作戰(zhàn)艦艇等）作為一個測量或者作戰(zhàn)平臺，裝備有大量如光電跟蹤儀、雷達以及導彈、火炮等不同類型的測量設備和攻防系統(tǒng)，空間坐標基準的統(tǒng)一是艦船上各種武器裝備在實現(xiàn)信息共享和協(xié)同作戰(zhàn)時的基礎。而艦船變形使得艦載設備坐標系與慣導基準坐標系的對應軸產(chǎn)生角度偏差，嚴重制約了艦載武器設備性能的發(fā)揮。隨著艦載測量儀器以及武器系統(tǒng)對高精度姿態(tài)角愈加嚴苛的要求，船體變形監(jiān)測與校正也面臨著更大的挑戰(zhàn)。船體變形攝像測量方法克服了現(xiàn)有方法

2、的不足，具有非接觸、高精度、高實時性、低成本等重要優(yōu)點，在船體變形測量應用中有著極好的發(fā)展前景。論文在攝像測量方法已有研究成果的基礎上，重點對基于序列圖像的攝像測量位姿估計方法的關鍵技術開展了研究。
　　為滿足高實時性船體變形測量的需求，改進了現(xiàn)有的基于單幀圖像的位姿估計直接解法。將對偶四元數(shù)引入到攝像測量位姿估計，充分發(fā)揮對偶四元數(shù)表示剛體運動的簡潔性和非奇異性，統(tǒng)一表示坐標系間的旋轉與平移，代替現(xiàn)有的旋轉矩陣、平移向量表示方式

3、，建立單幀圖像位姿估計直接解法的基本模型。數(shù)字仿真實驗說明該閉環(huán)解法正確可行，計算效率較高。
　　為了充分利用攝像測量采集的序列圖像的時間維度信息，提出了以迭代擴展卡爾曼濾波(IEKF)為估計器的序列圖像相對位姿估計解法。使用最優(yōu)狀態(tài)估計的理論來處理序列圖像，選取相對位姿作為狀態(tài)變量，以特征點的二維像點數(shù)據(jù)作為觀測量，建立狀態(tài)方程以及觀測方程，利用IEKF估計船體變形待測狀態(tài)變量的濾波值。數(shù)字仿真實驗說明了基于IEKF的序列圖像位

4、姿估計算法正確可行，有較強的魯棒性。
　　為了驗證提出的基于序列圖像的位姿估計方法的有效性和魯棒性，本文首先在實驗室進行了船體垂向變形半實物仿真實驗，實驗結果說明提出方法正確有效，且在變形較小時有較高的測量精度。選取攝像測量方法測量某大船船體變形的部分實測數(shù)據(jù)，以長春光機所測量結果為基準，從縱擾和橫扭兩個方向的變形測量比較基于序列圖像的濾波算法和原有的基于單幀圖像的正交迭代位姿解算方法的算法精度、穩(wěn)定性等，實驗結果說明本文方法測量