基于单个SIFT特征的相对位姿估计方法

位姿估计是精密光测和自动驾驶的基本问题之一。针对自动驾驶等实际应用中,相机在平面上运动,相机位姿的自由度为3的情况,本文提出了基于单个SIFT特征的相机相对位姿估计方法。由于单目相机无法恢复平移尺度,因此相机运动的自由度减少为仅有旋转角和平移角的两自由度。通过观测地面,可以得到包含相机运动和平面法向量的地面单应信息,因此可以通过提取地面同名点估计单应矩阵来恢复相机运动。为了减少RANSAC迭代次数、提高算法效率,引入SIFT特征进行位姿估计。SIFT特征包括2幅图像中同名点图像坐标以及其特征旋转和特征尺度,可以扩充单个点对中包含的信息,有效减少求解单应矩阵所需点对数量。针对平面二自由度运动情况,本文使用单个SIFT特征点对完成单应矩阵的估计,并采用随机采样一致算法对结果进行优化,最终分解单应矩阵得到相对位姿估计结果。在仿真实验及真实实验中与2pt方法和5pt方法进行对比,证明了所提出的方法是有效的。     

紧耦合INS/视觉相对位姿测量方法

研究了一种紧耦合INS/视觉相对位姿测量方法在无人机自主空中加油中的应用。该方法直接将特征点的图像坐标作为滤波器输入,避免了求解复杂的非线性位姿方程,尤其是特征点提取不全时,该方法具有较强的鲁棒性。引入相对惯导误差建立了增广状态模型,根据杆臂效应详细推导了紧、松两种耦合模式的量测方程。采用扩展卡尔曼滤波算法估计误差状态,并校正惯导输出获取精确的相对位姿信息。仿真结果表明,与松耦合模式相比,紧耦合在提高系统实时性的同时可获得更高的测量精度,位置误差小于0.1 m,姿态角误差小于3'。     

平面镜反射辅助视场下相机位姿估计问题的Cramer-Rao下界

针对不通视条件下的相机位姿估计问题,可通过移动平面镜实现相机对目标镜像的多次观测,进而求解相机与目标之间的相对位姿关系。本文研究了该配置下位姿估计误差的CramerRao下界问题,推导了平面镜反射中心透视投影模型中物点、光心、镜像虚拟像点三者之间的共线方程及位姿估计误差理论下界的计算公式,并进行了数字仿真验证。结果表明:增大平面镜摆动角度、减小平面镜到相机的距离或增加平面镜有效移动次数,都可降低位姿估计误差的CRLB。上述结果可为某些不通视条件下摄像测量的现场布设提供可靠的性能指标。     

基于螺旋修正的卫星位姿更新算法

由于卫星运动的不可交换性,在卫星测量过程中引入螺旋修正算法描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于螺旋修正的编队卫星相对位姿测量算法。首先基于典型的螺旋环境,设计了螺旋修正算法,论证了其与传统圆锥修正算法和划船修正算法的一致性,采用三子样螺旋修正算法进行仿真并与传统算法的精度进行比较。仿真结果表明该算法的位置和姿态精度分别可以达到10-3 m和10-6数量级,满足测量精度要求。该算法不用像传统算法分别为卫星的位置更新和姿态更新设计两组优化系数,因此降低了算法复杂度。     

一种改进RANSAC校验的失效卫星位姿估计回环检测方法

为解决失效卫星位姿估计中视觉SLAM方法回环检测效果差的问题,结合空间特殊的应用环境,提出一种改进RANSAC校验的空间失效卫星位姿估计回环检测方法。首先利用深度学习提取图像的全局特征和局部特征;然后对全局特征进行快速检索,建立回环候选帧集合;最后,将图像网格化并提取优质特征点作为RANSAC算法的随机抽样点集,采用改进的RANSAC算法对回环候选帧集合进行图像匹配校验,挑选出匹配程度最高的作为回环检测结果。实验表明：在牛津数据集上,所提方法与无校验的方法对比,100%准确率下的最大召回率提升了30.6%,说明改进RANSAC校验在回环检测中的有效性;在失效卫星数据集上,所提方法无需预训练,对光照变化的空间场景具有高适应性,和基于词袋模型（BoW）算法相比,缩减时间24.1%。     

一种新的舰船航姿测量方法

提出了一种采用加速度计、磁强计和GPS芯片为主要传感器构成的舰船航姿测量模型,开发了由运动生成模块和姿态解算模块两部分组成的仿真程序,对舰船航姿测量模型进行了仿真实验分析验证。实验结果表明,该模型可以实时解算舰船航姿。在GPS速度测量误差为0.05 m/s,加速度计分辨率为10-5g,磁强计测量精度为0.5μT的情况下,舰船航向测量精度优于0.68°,姿态测量精度优于0.35°。     

基于视觉测量与神经网络的工业机器人位姿补偿

为提高六轴工业机器人的绝对定位精度,本文提出了一种利用视觉测量数据通过ELM(Extreme Learning Machine)神经网络实现机器人位姿补偿的新方法．利用固定在机器人末端的手眼相机获取机器人的末端位姿,并借助ELM实现机器人末端执行器从目标位姿到预测指令位姿之间映射,用修正转角代替原转角使机器人末端执行器运行至修正位姿,实现补偿．特别的是,对于使用的ELM,以网络预测均方误差为指标定量选取了网络的最佳参数．相比之前的方法,本文提出的算法具有能够同时高精度补偿姿态角及位置误差的显著优点．为验证该位姿误差补偿方法的有效性,本文进行了实验验证．结果表明,相比较于未补偿前的机器人末端位姿误差,经该方法补偿后的位姿误差被稳定控制在较低水平,平均位置误差降低89.1 %;平均姿态角误差降低96.8 %．除此以外,位置误差与姿态角误差的标准差也分别降低了85.66 %和93.24 %．     

基于自适应频率估计的舰船瞬时线运动测量方法

针对传统舰船瞬时线运动信息测量过程中,IIR数字高通滤波器的输出会存在相位超前,从而使输出信号相对于实际信号存在时间上超前的问题。分析了超前相位对瞬时线运动信息测量的影响,提出了一种基于自适应频率估计的舰船瞬时线运动测量方法。针对IIR数字高通滤波器超前相位的大小随输入信号频率变化的问题,引入了WFLC频率估计算法来实时估计输入信号的频率,提出了自适应延时校正算法来校正由数字高通滤波器带来的输出信息在时间上的超前量。仿真结果表明:提出的改进舰船捷联瞬时线运动测量方法能够很好地解决传统信息测量方法中输出信息在时间上存在超前的问题,实现了实时舰船瞬时线运动信息精确测量,测量精度由0.13 m提高到了0.02 m。     

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。     

基于渐消记忆滤波的1点RANSAC单目视觉姿态估计算法

针对1点RANSAC(Random Sample Consensus)单目视觉EKF(Extended Kalman Filter)算法中的滤波发散问题,分析了滤波发散的产生原因,提出了一种基于渐消记忆滤波的1点RANSAC单目视觉姿态估计算法。该算法通过在EKF滤波方程中引入加权因子,逐渐加大当前数据的权重,相应地减少旧数据的权重,有效地扼制了算法中的滤波发散问题。最后通过两组验证性实验验证说明了算法的有效性。实验结果表明:该算法能够有效地解决1点RANSAC单目视觉EKF算法中的滤波发散问题,具有更高的精度。第一组双轴联动实验,航向角的平均误差减小2.4158?,俯仰角平均误差减小0.1782?;第二组偏航轴大角度转动实验,摄像机航向角的估计误差一直保持在1.5?以内。     

基于对偶四元数的双星编队相对位姿测量

为了描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于对偶四元数的编队卫星相对位姿测量算法。以双星编队飞行的位姿运动为主线,运用对偶四元数工具,充分发挥其能以最简洁的形式表示一般性刚体运动的优点,对卫星轨道和姿态进行分析并建立了对偶四元数位姿模型。同时设计类GPS测量技术来测量编队卫星的相对位置和姿态,该技术载波相位波长和伪码码元比GPS的更短,可获得更高精度的相对测量信号。由于状态方程和观测方程的非线性特征,使用UKF滤波来消除随机噪声对量测过程的干扰。实验结果表明,所设计的算法能够有效估计系统误差,卫星的位置误差和四元数误差收敛于零,验证了该算法的有效性。     

水下滑翔器位姿估计的改进高斯混合粒子滤波器设计与验证（英文）

近年用于水下滑翔器的低成本导航系统成为研究热点,导航器件的成本与精度之间的折中问题仍然是目前的难题。针对因使用低成本的导航元件而造成低精度位姿估计的问题,提出用于位姿估计的改进高斯混合粒子滤波(IGMPF)方法。用高斯混合模型来估计非高斯噪声,改进的粒子滤波进一步提高位姿估计精度。为了验证其效果,该方法应用于自主设计的水下滑翔器导航系统中并做了车载实验,实验结果表明所提IGMPF方法在实际应用中比传统的EKF和UKF表现更优,姿态角和位移误差比EKF和UKF减小了至少30%。     

基于位姿图优化的MEMS-INS/GNSS行人融合定位方法

为了实现消防救援、反恐作战等应急任务复杂场景下行人的室内外无缝定位,提出了一种基于位姿图优化的综合利用微惯性导航系统和全球卫星导航系统的融合定位方法.首先利用经典的EKF滤波算法实现微惯导和卫导融合定位,结合卫导长期精度较高、误差稳定和不随时间累积的优点以及微惯导短时精度高、输出连续、自主定位的优点,实现行人在复杂环境...     

柱塞气举工艺下基于重力观测的MEMS全姿态位姿测量系统

为解决柱塞小体积自主高精度位姿测量的难题,针对柱塞气举工艺,设计了一种基于重力观测的微机电系统（MEMS）全姿态位姿测量系统。首先,利用柱塞工作过程中大部分时间不存在非重力运动加速度的特性,设计了基于重力观测的自主导航算法提高位姿测量精度;其次,考虑到柱塞垂直运动过程中俯仰翻转时无解的问题,设计了全姿态解算算法。最后,对所设计的位姿测量系统进行了实物实验。实验结果表明：所设计的位姿测量系统进行作业时,水平姿态精度不大于0.05°、航向漂移小于0.5°/h、短时位置精度不大于0.8 m,验证了该系统可解决柱塞目前存在的小体积自主高精度位姿测量难题。     

基于单目视觉的AUV水下定位方法

为解决传统水下定位传感器在定位方面的不足,提出一种基于目标光源的单目视觉四自由度定位方法,推导了四自由度定位算法原理,提出了深度定位、水平定位和艏向定位方法。设计了作为目标的共线排列定位光源系统。静态和动态试验证明所提出的单目视觉定位方法原理正确,目标光源系统合理可行,可以在深度为4~0.5 m范围内进行稳定的四自由度定位。经过校正,与SBL和测深仪的相对精度达到10 cm以内。实验说明上述方法对AUV执行近距离使命任务具有实际意义。     

基于超声波反射系数相移的油膜厚度测量方法研究

超声波液相厚度测量技术已经在柴油机气缸油膜测量领域中得以验证,并得到了一定的应用. 然而,当油膜厚度变化尺度较大时,常规谐振模型与弹簧模型之间存在较大的测量盲区,使超声波测量技术的应用受到较大程度的限制. 基于超声波反射系数相移的油膜厚度测量方法可突破两种模型在大尺度油膜厚度测量方面的局限性,拓展超声波油膜厚度测量范围. 通过开展超声波反射系数相移机理研究,首次建立油膜两侧介质声阻抗相同时的直接求解方法;搭建油膜厚度超声波反射系数相移测量系统,利用单一中心频率对10~90 μm的油膜厚度展开测量,测量厚度与设置厚度具有很好的一致性,从理论和实验角度证明基于超声波反射系数相移的油膜厚度测量方法在大尺度油膜厚度测量方面的适用性.      

基于悬臂梁理论的星载滑环接触力测量方法研究

分析了导电滑环的应用背景和其性能测试的现状,针对星载精密滑环电刷丝接触压力的测量难点,提出了基于悬臂梁理论的测量方案,给出了测量方案的力学理论依据和分析过程. 根据变形的线性规律,采用最小二乘法对测量数据进行一元回归分析,得到测量点的初始加载力,根据其和接触压力的关系最终得到接触压力.     

基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究.为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏,在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构.该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载,阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制.为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题,结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束,获得捕获后混合体系统的动力学方程,且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力.通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系,建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵,并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型,实现对接装置输出力的精确控制.考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快,控制精度高的特点,通过结合终端滑模与超扭滑模的特点,提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略.该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应,又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度.通过Lyapunov定理证明系统的稳定性;利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.     

基于内阻尼的捷联航姿算法

捷联惯性航姿系统自身的特征就是误差存在舒勒周期振荡和傅科周期振荡,这就限制了捷联惯性航姿系统的精度。为了提高系统精度,将传统的平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中,通过设计水平回路中误差通道的三阶内阻尼网络,利用系统自身的速度信息来阻尼周期振荡,同时在内阻尼思想基础上提出了基于内阻尼的捷联航姿算法。由于改变了舒勒调谐的条件,内阻尼算法只有在加速度较小的条件下才能适用。通过数字仿真证明,在载体加速度较小的条件下,新的算法能够抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡,提高了捷联惯性航姿系统的精度。     

拉力试验系统刚度K的研究

电子万能试验机是大型、精密、光－机－电一体化的材料机械性能测试设备。本文对试验机的主机整体刚度的测试以及整体刚度对材料机械性能测试的影响进行了研究，建立了数学关系，为合理地设计提供了理论依据。