基于機(jī)載視覺的無(wú)人機(jī)自主著艦引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、艦載無(wú)人機(jī)具有作戰(zhàn)范圍廣、效費(fèi)比高、零傷亡和能在惡劣條件下執(zhí)行任務(wù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前其發(fā)展受到世界各軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視。在艦載無(wú)人機(jī)的整個(gè)作戰(zhàn)鏈條中，著艦是非常重要而又困難的環(huán)節(jié)，也是最易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)，因此盡快研究出有效的無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)方法具有非常重要的意義。
　　視覺導(dǎo)航方法利用視覺傳感器獲取圖像，通過圖像處理得到導(dǎo)航所需的各項(xiàng)參數(shù)，具有使用方便、成本低和精度高等優(yōu)點(diǎn)。此外，視覺導(dǎo)航方法不依賴于衛(wèi)星，且其工作波段遠(yuǎn)離當(dāng)前電磁對(duì)抗

2、的頻率范圍，具有較強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力。因此，采用視覺導(dǎo)航的方法獨(dú)立完成或輔助完成無(wú)人機(jī)自主著艦已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。
　　本文以基于機(jī)載視覺的無(wú)人機(jī)自主著艦引導(dǎo)為研究背景，根據(jù)無(wú)人機(jī)由遠(yuǎn)及近的著艦過程，系統(tǒng)研究了基于地平線和海天線檢測(cè)的無(wú)人機(jī)定姿、海面艦船目標(biāo)定位、海面艦船目標(biāo)自動(dòng)分割、無(wú)人機(jī)和艦船目標(biāo)相對(duì)位姿估計(jì)等方面的相關(guān)技術(shù)。論文的主要研究成果如下：
　　1.根據(jù)地平線和海天線的成像特點(diǎn)，提出了新的地平線和海天線檢測(cè)方

3、法用于計(jì)算無(wú)人機(jī)姿態(tài)參數(shù)，并給出了一種檢測(cè)結(jié)果有效性分析方法：①基于類間方差的由粗到細(xì)地平線檢測(cè)方法，該方法采用先粗檢測(cè)再細(xì)檢測(cè)的策略進(jìn)行地平線檢測(cè)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地檢測(cè)出復(fù)雜背景下的地平線。②基于黑白模板相關(guān)的海天線檢測(cè)方法，該方法充分利用了海天背景圖像的特點(diǎn)，僅需對(duì)圖像中若干小區(qū)域內(nèi)的像素進(jìn)行處理，能夠快速穩(wěn)定地檢測(cè)出海天線。③地平線和海天線檢測(cè)結(jié)果有效性分析方法通過計(jì)算置信度來(lái)判斷檢測(cè)結(jié)果的有效性，能

4、夠有效地分辨正確和錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。
　　2.對(duì)海面艦船目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位是無(wú)人機(jī)著艦引導(dǎo)過程中的重要內(nèi)容，論文針對(duì)海面艦船目標(biāo)定位問題，進(jìn)一步研究了單目運(yùn)動(dòng)軌跡交會(huì)法，提出了基于視角殘差平方和最小準(zhǔn)則的求解方法以及基于雜交粒子群和Fisher信息矩陣的觀測(cè)器軌跡優(yōu)化方法。利用優(yōu)化的單目運(yùn)動(dòng)軌跡交會(huì)法對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行定位，效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。此外，在理論上將單目運(yùn)動(dòng)軌跡交會(huì)法拓展到多目運(yùn)動(dòng)軌跡交會(huì)法，并給出了多目運(yùn)動(dòng)軌跡交會(huì)法的求解方法和

5、觀測(cè)器軌跡優(yōu)化方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的交會(huì)擬合法，多目運(yùn)動(dòng)軌跡交會(huì)法具有更好的測(cè)量精度和適應(yīng)性。
　　3.從海面背景圖像中準(zhǔn)確地分割出艦船目標(biāo)是測(cè)量無(wú)人機(jī)和艦船目標(biāo)相對(duì)位姿的重要前提，針對(duì)海面艦船目標(biāo)自動(dòng)分割問題，提出了兩種基于視覺顯著性和圖論的艦船目標(biāo)自動(dòng)分割方法：基于Context-aware和圖割的艦船目標(biāo)自動(dòng)分割方法、基于Frequency-tuned和隨機(jī)游走的艦船目標(biāo)自動(dòng)分割方法。這兩種方法將視覺顯著性檢測(cè)方法與基于圖論的交

6、互式分割方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了人工交互式分割方法的自動(dòng)化，能夠有效地對(duì)海面艦船目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)分割，相對(duì)于傳統(tǒng)方法優(yōu)勢(shì)明顯。
　　4.針對(duì)無(wú)人機(jī)和艦船目標(biāo)的相對(duì)位姿估計(jì)問題，提出了兩種相對(duì)位姿估計(jì)方法：①基于目標(biāo)輪廓模型的相對(duì)位姿估計(jì)方法，該方法通過匹配和配準(zhǔn)當(dāng)前圖像中的艦船目標(biāo)輪廓與模型庫(kù)中的艦船目標(biāo)輪廓得到無(wú)人機(jī)和艦船目標(biāo)的相對(duì)位姿參數(shù)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。②基于紅外標(biāo)志燈組的相對(duì)位姿估計(jì)方法，該方法通過檢測(cè)跟蹤事先布