大型结构变形实时摄像测量方法

本文对实时测量大型结构静力变形实验中如何应用摄像测量方法展开研究。针对实时摄像测量的两个主要难题研究解决方法,即图像特征点自动提取和多像机图像特征点自动对应。通过在待测结构表面粘贴LED发光灯或使用激光光栅投影做为合作标志点,提出NNLOG(normalnized negative laplacian of gaussian)算子用于图像上合作标志点的实时提取与跟踪;根据多摄像机约束关系,构造对极几何约束代价函数,解决多像机图像特征点之间的对应问题。设计实现了精度实验,表明位移测量误差小于1mm,相对误差小于1%,基于本文方法实现的测量系统已应用于某型飞机静力变形实验。     

基于未标定序列图的形貌测量方法

提出一种形貌测量方法,从未标定序列图中同时提取出特征点的三维坐标和摄像机的运动矩阵,实现对目标物体的三维测量。首先用齐次坐标表达了空间点的投影变换矩阵,并根据该矩阵推导出投影比例式,运用投影深度和投影矩阵之间的循环相关性进行迭代运算,得到比普通双目视觉更加精确的深度数据。其次对分解得到的摄像机运动矩阵和空间点坐标施加度量约束。运用基于因式分解的归一化算法,恢复出欧氏空间里的摄像机运动矩阵和空间点坐标。基于这种方法,实现了曲面标记点的坐标测量,得到了三维形貌数据,误差小于0.16mm。     

三点弯曲试样动态应力强度因子计算研究

利用Hopkinson压杆对三点弯曲试样进行冲击加载,采集了垂直裂纹面距裂尖2mm和与裂纹面成60°距裂尖5mm处的应变信号。根据裂尖附近测试的应变信号计算试样的动态应力强度因子,并与有限元计算结果进行比较,结果表明由于裂尖有一段疲劳裂纹区,通过裂尖附近应变信号来计算动态应力强度因子时,如果裂尖位置确定不准及粘贴应变片位置不够准确对计算结果将带来很大影响。因此利用应变片法计算动态应力强度因子时,为了获得更准确的计算结果,在实验后应对试件裂纹面进行分析测量,重新确定裂尖位置,必要时需对应变片至裂尖距离进行修正后再计算动态应力强度因子值。     

不受姿态误差影响的惯性/磁感应融合定位方法

针对传统电磁信标导航定位系统中由惯性元件解算磁传感器姿态误差导致定位性能下降问题，提出了一种不受传感器姿态影响的改进惯性/磁感应定位融合定位方法，避免了姿态误差对定位结果的影响。首先，基于磁信标磁场分布规律与特征矢量构建了与传感器姿态无关的非线性磁感应定位模型；然后，结合惯性元件对载体目标的状态估计提出了改进的惯性/磁感应定位模型，降低了累计误差、提高了定位精度与结果的输出速度；最后，利用无迹卡尔曼滤波（UKF）对融合数据进行处理，实现对动态目标的位置估计。分别通过实验和仿真验证了不受姿态影响的磁感应定位模型以及惯性/磁感应定位方法的有效性。实验结果表明磁感应定位模型能够不受传感器姿态误差的影响实现定位；数值仿真结果表明惯性元件解算姿态辅助磁信标定位方法的最大误差为7.29 m，基于改进的惯性/磁感应融合定位方法最大误差0.77 m。     

基于特征编码和动态路由优化的视觉定位方法

针对视角变化、光照变化、大尺度和动态物体等复杂场景下，移动机器人定位的准确性低、鲁棒性差等问题，提出基于特征编码和动态路由优化的视觉定位方法。首先，引入基于残差网络的特征编码策略，提取图像的几何特征和语义特征，减少图像噪声信息，加快模型的收敛速度；其次，通过熵密度峰值优化网络的动态路由机制，采用向量表示特征之间的空间位置关系，提升图像特征提取和表达能力，优化网络整体性能；最后，融合优化后的特征编码和动态路由网络，将全局特征描述符和特征向量相结合，保留特征间的差异性和关联性，计算图像特征的相似性用于闭环检测。实验结果表明，相比基于VGG、AlexNet、BoVW及GIST的视觉定位方法，所提方法的准确率分别提高了24.54%、23.06%,43.81%和42.69%，实现了复杂场景下移动机器人闭环检测，提高了定位和建图的准确性和鲁棒性。     

基于点云矩形面特征的故障航天器位姿测量

针对非合作航天器的相对导航问题,提出了一种利用点云矩形面特征测量非合作航天器位姿的方法。首先从点云数据中提取矩形面;然后根据矩形面点云数据计算出点云分布矩阵,通过特征值分解求出相对位置和姿态,并解决了因矩形面对称而产生的多解问题;最后设计了卡尔曼滤波器,确定目标星与追踪星的相对位置参数以及目标星的姿态、角速度。仿真结果表明:相对位置的估计精度优于0.005m,目标星姿态精度优于0.1°,验证了该方法的有效性。     

星光折射辅助惯性/天文紧组合高精度导航方法

为了解决传统惯性/天文(SINS/CNS)组合导航无法在线精确估计加速度计零偏而导致SINS导航误差发散的难题,提出了一种动力学模型约束改进的捷联惯性星光折射组合导航方法。直接利用星敏感器观测的原始恒星像点坐标信息与约束改进的SINS导航动力学方程构建SINS/CNS紧组合模型,通过推导加速度计虚拟观测方程和适用于空天跨域飞行器导航的星光折射测量方程,采用扩展卡尔曼滤波方法,实现了对加速度计零偏和陀螺零偏在线估计。典型弹道仿真结果表明,在不增添额外传感器的条件下,相对于传统的基于姿态测量SINS/CNS组合,所提方法导航定位、定速和定姿精度分别提升了97.84%、98.61%和78.70%;相对于传统的基于星光折射SINS/CNS组合,定位、定速和定姿精度分别提升了28.09%、67.72%和79.10%。所提方法有效克服了传统方法精度恶化问题,显著提升了传统SINS/CNS组合导航精度。     

基于地磁方位角的旋转弹丸姿态解算方法

为了解决旋转弹丸的姿态测量问题,基于地磁方位角,提出了一种旋转弹丸的姿态解算方法。首先基于零交叉点法的原理,采用非正交地磁传感器组合测量并计算得到地磁方位角和滚转角信息。其次通过分析稳定弹丸的飞行特性及外力矩情况,推导出了包含俯仰和偏航参数的绕质心动力学方程组。然后以此动力学方程组为驱动方程,以地磁方位角为观测量,借助扩展卡尔曼滤波估计出了弹丸的俯仰角和偏航角。仿真结果显示,基于地磁方位角的姿态解算方法可以准确估计出旋转弹丸的姿态角信息,最大误差不超过0.2°,验证了该方法的有效性。最后实弹实验结果进一步表明了该方法具有良好的应用前景。     

基于GPS的先验地图辅助视觉惯性定位方法

为提高视觉惯性导航系统定位精度，解决其航向缺失且无法提供绝对地理位置的问题，提出一种利用GPS生成先验地图来辅助视觉惯性同时定位与地图构建(SLAM)方法。将每一帧图像采集点的GPS地理坐标投影成绝对高斯坐标，与视觉关键帧信息同步，构建先验地图。利用词袋模型进行闭环检测，由视觉重投影误差因子、IMU残差因子、先验图像重投影误差因子共同构建目标优化函数，基于最小二乘法进行位姿估计与优化。通过地面车载和低空机载实验对该方法进行了验证，实验结果表明：相比于无先验地图的定位方法，x、y、z方向的平均定位误差分别降低了68.2%、75.1%、46.4%以上；相比于有先验地图(未融合GPS)的定位方法，x、y、z方向的平均定位误差分别降低34.9%、51.5%、19.4%以上，有效提高了视觉惯性导航系统在大范围环境中的定位精度。     

Bezier曲面拟合方法在影像云纹测量三维物体形状中的应用

本文提出了在最小二乘意义下应用Ｂｅｚｉｅｒ曲面片拟合大范围内三维曲面的方法。开发了影像云纹图像数据采集与处理软件系统，能够获得曲面上任意点的三维坐标，绘制曲面的立体图及平面展开图样，对曲面进行几何特性分析，从而实现了影像云纹测量三维物体曲面全过程的自动化     

惯性/卫星/里程计多信息融合方法及在铁路测绘中的应用

针对基于惯性技术对铁路基础设施进行精确测绘的需求提出一种多信息融合惯性基准方案,为测量测绘提供高精度位置和姿态参考。对载体运动特点和车载状态下惯性/里程组合导航航向角误差可观性进行分析,认为天向陀螺漂移和航向误差是导致测量精度下降的主要因素,针对该问题设计了基于双向滤波、双向平滑的多信息融合方案,针对缺乏绝对位置基准的应用情况,引入"正矢"概念和相对定位精度的评判方法。仿真及试验结果表明,在陀螺常值漂移0.2(°)/h条件下,该方案相对定位精度优于0.3 mm(300 m弦正矢),显著提高了车载铁路线路测绘位置、姿态基准精度,降低了对惯性器件的要求,利用中、低精度器件实现了高精度测量定位。     

基于ASIFT图像特征的大视角点云配准方法

点云配准是物体三维轮廓获取的重要环节。基于图像特征的点云配准方法能较快地实现这一目标。然而,这种方法对于大视角点云的配准并不理想。针对这一问题,本文提出一种基于ASIFT图像特征的大视角点云配准方法。首先,用ASIFT算法提取大视角图像间的二维匹配点对;而后,利用图像像素和点云间的对应关系得到大视角点云间的三维匹配点对;最后,提出一种改进的RANSAC算法实现点云配准。实验结果表明,该方法可成功实现大视角点云配准。     

一种弹道导弹捷联惯导/地磁组合导航方法

基于惯性器件和磁强计的测量信息,提出一种弹道导弹捷联惯导/地磁组合导航方法。以捷联惯导误差方程为基础建立系统的状态模型,以磁强计测量值与根据地磁场模型计算的地磁场强度值之差作为量测,只用一个观测表达式即同时包含载体的位置及姿态信息。引入状态反馈,利用混合校正的卡尔曼滤波得到系统导航信息的最优估计。仿真结果表明,该算法能有效抑制捷联解算误差的发散,磁强计精度为100 nT时,定位精度2.68 km,姿态精度优于5′。该导航方法完全自主,精度较高,具有一定工程应用价值。     

基于手机多携带位置下的路程估计方法

提高步频检测的识别率和步长估计的精度是行走轨迹推算定位技术的两个关键。基于手机加速计和行人位置推算原理,利用巴特沃斯滤波器提取手机加速度信号中与行人步态事件相关的信息;借助于峰值探测法识别步频,进而利用步频探测获得的步频点分割加速度信号;通过分析行人行走时的特征,建立了基于加速度波形面积的步长估计模型,以此估计行人的行走路程。实验表明:手机在不同携带位置下,利用频域滤波器提取的信息探测步频的平均识别率达99%以上;在不同步速下,基于面积估计模型的路程估计的平均可靠度在98%以上。     

结构光辅助的惯性/视觉室内导航三维环境重构方法

室内环境全局信息对未知环境下的微型飞行器导航与定位具有重要的意义。针对惯性导航系统难以创建全局地图等问题,提出一种结构光辅助的惯性/视觉室内导航三维环境重构方法。该方法通过改进单点激光三角测距获得结构光上每个点在相机系下的坐标,使用惯性信息辅助图像匹配测角代替传统三维重建技术中的驱动单元获取两帧图像间角度信息,实现离散点组成的室内环境构造,结合平面构建策略剔除了错误离散点,改进了室内三维环境重构效果。实验结果表明:使用该方法获得的帧间角度准确,低转速下角度测量误差在5%以内;融合了离散点与平面的室内环境能够表现室内环境特征,并有效消除了错误离散点的干扰,将错误率降低到1%以下。     

制导炮弹飞行姿态的卡尔曼滤波估计方法

制导炮弹控制系统要求炮弹飞行姿态测量信息具有良好的准确性和实时性.为解决制导炮弹飞行姿态的高精度滤波估计问题,根据外弹道攻角运动方程和MEMS角速度陀螺测量方程分别建立姿态角滤波系统状态模型和量测模型.考虑实际陀螺随机白噪声的影响,结合弹载全球定位系统信息及地面弹道试验数据,并利用非线性卡尔曼滤波估计方法,对制导炮弹飞行姿态进行了滤波估计.为提高滤波估计效率,对比了Unscented卡尔曼滤波和一种混合卡尔曼滤波两种非线性滤波估计方法,滤波估计结果表明两种方法得到的姿态精度均能满足测量要求,而运算效率后者相对前者可提高约6％,稳定性也较好,因此在工程上更实用.     

基于互补滤波的动中通天线姿态估计

为了满足低动态下天线稳定的要求,构建了一个基于微机械陀螺、加速度计和磁强计组合的动中通低成本姿态测量系统.该系统利用加速度计重力场分量估计的倾角和磁强计地磁场分量估计的航向角作为辅助信息,校正陀螺漂移误差.根据陀螺与辅助传感器的互补特性,设计一个多轴互补滤波器,利用陀螺的高频分量和辅助信息的低频分量估计姿态角.根据载体机动状态调整控制器参数,使滤波器能自适应选择交接频率,减小机动加速度对姿态估计的影响.实验结果表明,互补滤波能有效地估计出姿态,系统的动态估计精度在±2°内.     

舰船武器系统姿态基准坞内标校新方法

针对武器系统姿态基准坞内标校过程复杂的问题,提出一种基于恒星参考系的基准标校方法.应用星敏感器拍摄星空图像并对星图进行处理获取量测信息,对星图进行天体辨识和恒星视位置同步计算获取基准信息,解算二者数据信息求取装备姿态,进而测量舰船不同部位装备基准偏差.建立了星敏感器与武器装备坐标系统一模型,在保证高精度的条件下解决了系统装舰对准困难的问题.实验结果表明测量精度优于10″.该方法操作简便,能有效实现舰船装备基准姿态偏差高精度测量,提高武器系统坞内标校的效率.     

GFSINS姿态角速度解算滤波环节设计

姿态角速度解算是无陀螺捷联惯导系统（GFSINS）的关键技术之一,目前基于代数方法提取的GFSINS姿态角速度的精度无法达到导航要求。通过总结现有的姿态角速度信息代数提取方法,分析各提取方法的输出特点,设计了四类姿态角速度提取的滤波提取方案,并利用系统两路独立的姿态角加速度和姿态角速度输出,设计了一类组合滤波器。仿真结果表明该滤波器获得的姿态角加速度和姿态角速度输出精度和稳定性相对现有姿态角速度信息代数提取算法均有大幅度提高。     

利用地磁与红外辐射融合的姿态估计方法

针对目前导航控制系统多元化、新型化、低成本的要求,提出了一种利用地磁与红外辐射融合的姿态估计方法。在分析地球红外辐射场的组成及其产生机理的基础上,采用普朗克黑体辐射定律构建红外传感器的姿态测量模型,并将其与地磁三分量姿态测量模型结合,推导了红外与地磁复合的姿态测量模型。基于推导出的红外与地磁复合测量模型,设计了自适应扩展卡尔曼滤波切换姿态估计算法。研制了红外与地磁复合姿态测试系统的半实物装置,利用三轴转台开展了半实物验证实验。所提出的方法在加入红外屏蔽的情况下能够迅速进行调整,将俯仰角、横滚角、航向角估计误差分别保持在±1°、±1.5°、±1.5°以内。该姿态估计方法大大降低了姿态角的估计误差,表明红外与地磁复合的测姿方法有效可行,抗干扰能力较强。该方法适用于旋转弹体的姿态估计。