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基于视觉的大空间范围运动目标跟踪定位系统研究

作 者: 张辰
导 师: 杨学友
学 校: 天津大学
专 业: 测试计量技术及仪器
关键词: 目标自动跟踪引导 激光电子经纬仪 最优化算法 卡尔曼滤波器 串口通信 光束平差定向
分类号: TP274
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 3次
引 用: 0次
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内容摘要


随着世界各国对大尺寸设备装配精度、装配效率要求的提高,研究如何测量任意形状超大尺寸物体的细节形貌,以满足装配精度的需求,已然成为业界亟待解决的问题。而摄影测量技术,成像跟踪技术,自动控制技术的发展;以及激光经纬仪,全站仪,激光跟踪仪等高精度大空间测量设备的出现,使得解决上述问题成为了可能:基于摄影测量技术,沿特定轨迹运动的终端设备可在非接触的情况下,测量物体细微形貌;基于成像跟踪技术,在外置光学镜头的引导下,高精度大空间测量设备可以自动跟踪终端设备,进而实时测得终端在全局坐标系中的位置和姿态;二者结合,可以实现对大尺寸目标细节的精确测量。经纬仪以其高精度,非接触测量的特点,在大尺寸目标测量领域已经有了广泛的应用。但它自动化程度低,视场范围小,不能实现对运动目标的跟踪测量。据此,我们在经纬仪外部搭建了一套光电伺服跟踪引导系统,该系统由高精度云台、摄像机配合多线程控制程序组成,算法的核心是:基于投影透视模型、光束平差法、最优化算法的定向、引导理论;基于多线程技术和卡尔曼滤波算法的目标跟踪理论。实验证明,本文提出的方法实现了对运动目标的高效率测量。论文的主要研究内容和工作如下:1从理论上分析了经纬仪定向原理,着重介绍了光束平差法,并编程实现了基于高斯-牛顿算法的定向程序。2介绍了基于D-H模型及光束平差法的引导矩阵构建方法。3编写了跟踪程序的基本框架:采用基于识别的成像跟踪技术,将特定的灰度分布及阈值作为帧间匹配的特征,将质心位置和目标尺寸作为帧间匹配的空间界限,取得了较好的效果。4优化了跟踪程序的算法,采用卡尔曼滤波器,引入目标观测值作为滤波估值的修正,反复求解二者的权重并进行加权迭代,得到最优估值。因可以人为设置权重,故算法的鲁棒性较强,有效提升了系统的跟踪性能。5利用VC的MSCOMM控件,设计了系统的通信模块,实现了在上位机上远距离设置经纬仪,远距离实时读取测量数据。提高了系统的工作效率。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 引言  8-9
  1.2 高精度大尺寸空间测量设备发展现状  9-12
    1.2.1 全站仪、激光跟踪仪  9
    1.2.2 经纬仪  9-10
    1.2.3 经纬仪测量系统(TMS)  10-12
  1.3 成像跟踪技术简介  12
  1.4 课题来源、意义及研究内容  12-16
    1.4.1 来源、意义及可行性  12-14
    1.4.2 主要研究内容  14-16
第二章 经纬仪测量系统概述及测量-定向原理  16-25
  2.1 经纬仪测量系统的组成及测量原理  16-17
  2.2 经纬仪测量系统的精确互瞄定向法  17-18
  2.3 经纬仪测量系统的光束平差定向法  18-24
    2.3.1 经纬仪局部坐标系及透视投影测量模型  19-20
    2.3.2 空间三坐标测量测量模型  20-21
    2.3.3 反解经纬仪间的旋转平移变换关系——R,T 矩阵的确定  21-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章 基于滤波函数的外置光电跟踪-引导系统的原理  25-42
  3.1 目标的提取和分割算法——波门的引入及自适应阈值分割  25-27
  3.2 目标运动轨迹的预测算法——自适应波门的引入及常用滤波器简介  27-37
    3.2.1 α-β滤波器和α-β-γ滤波器  28-30
    3.2.2 线性滤波器、平方滤波器和综合滤波器  30-33
    3.2.3 卡尔曼滤波器  33-37
  3.3 外置光学系统对经纬仪的引导算法——基于 D-H 模型构造经纬仪引导矩阵  37-41
    3.3.1 D-H 模型简介  37-38
    3.3.2 引导矩阵构造方法  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章 目标自动捕获-跟踪-引导-测量系统的软件设计  42-60
  4.1 通信模块的编程实现  42-47
    4.1.1 徕卡 GSI 通信协议  43-44
    4.1.2 ActiveX 控件 MSComm 模块及其应用  44-47
  4.2 定向-测量模块的算法选择和编程实现  47-52
    4.2.1 方向加速法  47
    4.2.2 解析法存在最优解的条件  47-48
    4.2.3 最速下降法  48-49
    4.2.4 牛顿法及其改进算法  49-52
  4.3 基于 MIL8.0 的多线程运动目标跟踪-引导模块  52-59
    4.3.1 线性滤波、平方滤波和卡尔曼滤波函数及结构体的定义  53-54
    4.3.2 MIL8.0 简介  54
    4.3.3 跟踪程序的原理及工作流程  54-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章 实验与分析  60-67
  5.1 测量系统硬件  60-61
  5.2 电子经纬仪系统定向实验  61-62
  5.3 外置光电伺服系统跟踪实验  62-64
  5.4 外置光电伺服系统引导实验  64-66
  5.5 本章小结  66-67
第六章 全文总结与展望  67-70
  6.1 全文总结  67-68
  6.2 工作展望  68-70
参考文献  70-73
发表论文和参加科研情况说明  73-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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