基于视觉的无人机姿态估计方法研究

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1、基于视觉的无人机姿态估计方法研究2016年1月中图分类号：TP391UDC分类号：621基于视觉的无人机姿态估计方法研究作者姓名侯佳丽学院名称自动化学院指导教师李保奎高级工程师答辩委员会主席伍清河教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月Vision-BasedEstimationofUAVAttitudeCandidateName：JialiHouSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyMentor:SeniorEngineerBaokuiLiChair,

2、ThesisCommittee：Prof.QingheWuDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证

3、书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要无人机具有体积小、成本低、安全性高等优点，在军用和民用领域都有很广泛的应用前景。传统的惯性导航方式由于累积误差以及GPS导航中GPS信号缺失等问题，影响了无人机的导航精度。通过图像采集，得到其特征信息，从而解决导航问题，这是视觉导航的基本思路，它具有自主性和成本低等优点。因而随着计算机视觉技术的发展，视觉导航作为辅助导航方式成为了研究热点。本文主要的研究内容是视觉导航中无人机姿态估计方法，所做的主要

4、工作有：（1）深入研究了滤波、边缘检测、图像分割等图像处理的基本算法，导航系统中的坐标系转换，计算机视觉中摄像机坐标系、图像坐标系、世界坐标系等相对关系，为后续地平线检测算法和姿态估计方法提供理论基础。（2）提出一种有效的地平线检测算法，用基于最大类间方差的阈值分割方法将图像分割开来，进而进行边缘检测，并通过Radon变换和Hough变换分别对检测到的地平线进行了提取，得到了直线方程。与基于边缘检测的方法相比，出现误判地平线的现象较少，证明了所提算法的有效性。（3）提出一种基于地平线直线方程的无人机姿态估计方法。根据摄像机的投影映射关系，建立了地平线与无

5、人机姿态角之间的关系。从而根据直线方程的斜率和截距，就可以进行姿态角的计算。（4）在对摄像机进行标定后设计实验对所提出的方法进行了验证，结果表明所提出的方法是可行且正确的。关键词：无人机；视觉导航；地平线检测；阈值分割；姿态估计I北京理工大学硕士学位论文AbstractUAVshaveaveryboardapplicationprospectsinbothmilitaryandcivilianfieldsbecauseoftheiradvantagessuchassmall,low-costandhighsecurity.Traditionalnavig

6、ationcannotensuretheprecisionsincetheinertialnavigationhascumulativeerrorandtheGPSnavigationmaybeuselesswhentheGPSsignalismissing.Vision-basednavigationsolvesthenavigationparametersusingthecharacteristicinformationderivedfromimageprocessing.Itisautonomousandlow-cost.Sothevision-b

7、asednavigationasaidednavigationwaybecomesaresearchfocus.Themaincontentofthispaperistheattitudeestimationmethod.Themainworksareasfollows:(1)Extensiveexplorationshavebeenconductedaboutthebasicfiltering,edgedetection,imagesegmentationandotherimageprocessingmethods,thenavigationsyste

8、mcoordinatesystemconversionandtherelativ