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舰载机着舰位姿视觉测量技术概述

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魏振忠

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,精密光机电一体化技术教育部重点实验室 北京 100083

 

摘要本文首先简要分析了舰载机着舰位姿测量的必要性,以及已成熟应用的现有位姿测量技术的内涵、优势和不足。在此基础上,重点对舰载机着舰位姿视觉测量的系统实现和关键技术内涵进行了概述。最后简要展望了未来发展趋势。

关键词:位姿测量;视觉;舰载机;着舰

中图分类号V249     文献标识码:A      文章编号:1000-8829(2020)00-0000-00     

doi:10.19708/j.ckjs.2020.00.000

 

1  前言

航母作为强大的海上作战平台,能够对舰只、潜艇、飞机和地面目标进行全方位立体化的强有力攻击,是世界各大国海军的核心战斗力量。而舰载机以航母为移动式起降运载平台,极大延伸了其作战半径和机动灵活性,是航母实施攻击和防御作战的核心支撑。因此,舰载机在航母上起飞、着舰过程的快速性和安全性,成为保证其有效作战能力的关键因素。

根据统计,舰载机着舰过程的事故率高达44.4%[1]。这是由于海上的多变天气和复杂海况,着舰时的复杂动态舰面效应,着舰甲板的有限滑跑长度,以及战时的复杂电磁环境限制等多重因素,会导致航母舰体随机剧烈起伏、摇晃、颠簸,甲板周围强气流扰动复杂交错,着舰过程反应和调整时间短暂,并伴随飞机着舰时流场结构和气动力剧烈变化,加之战时着舰导引设备易受电磁干扰而精度下降甚至失效或者须无线电静默而关闭等一系列问题,使得着舰成为舰载机飞行过程中最复杂、最困难、最危险的阶段。

对准甲板跑道后,舰载机必须在一定的速度下,相对于运动的航母时刻高精度保持合理的位置和姿态,才能顺利挂上拦阻索实现安全着舰。因此,位姿参数的高精度动态实时测量技术,一直是保障舰载机快速、安全着舰的迫切需求。

本文主要是对舰载机着舰位姿视觉测量技术内涵及其具体实现的个人思考概述,没有对其国内外研究与发展现状进行详细综述。后续章节内容具体安排:第二节概述舰载机着舰位姿测量现有主流技术。第三节介绍舰载机着舰位姿视觉测量系统的具体实现,包括机载视觉测量系统和舰载视觉测量系统。第四节阐述舰载机着舰位姿视觉测量涉及的关键技术。第五节简要分析舰载机着舰位姿视觉测量技术未来发展趋势。

现有舰载机着舰位姿测量技术

舰载机在距离航母10km处脱离等待航线进入着舰航线,此时自动着舰导引系统启动工作,实时测量舰载机的位姿参数等关键信息并向着舰指挥官、飞机飞控系统和飞行员进行即时反馈。目前,综合美国、法国、英国、俄罗斯和中国等世界主要航母大国的相关公开报道,舰载机自动着舰导引系统中应用较成熟的位姿测量技术主要有[1,2]:惯性位姿测量技术、卫星位姿测量技术和雷达位姿测量技术。下面简要分析这三种技术途径在应用中的优势及存在的局限和不足。

惯性位姿测量技术  通过对加速度计和陀螺仪的输出进行积分得到飞机的位置信息和姿态信息。其突出优势是工作时不依赖外部信息,向外部无辐射能量,是战时可用全自主测量方式,具有不受电磁干扰,隐蔽性强,可全天候/时工作的特点,且短期精度和稳定性好,数据更新率高。因此,惯性位姿测量技术一直是各国舰载机着舰位姿测量必须采用的基本技术途径。但是,由于测量原理上加速度计误差、陀螺仪误差和初始对准误差均产生随时间的累积误差,在不对其进行外部适当校正时,惯性位姿测量的长时定位定姿精度变得较差。

卫星位姿测量技术  安装在飞机上的卫星天线至少同时接受四颗卫星的信号实现定位。同时,确定具有固定基线长度的两个及以上天线间基线向量而实现定姿。其突出优势是无需初始对准,测量误差不随时间累积,具有精度高,稳定性好,成本低,体积小,重量轻等特点。因此,卫星位姿测量技术也是各国舰载机着舰位姿测量常采用的基本技术途径,但其应用也存在明显局限和不足:卫星信号会因暂时中断、短暂失锁、信噪比过低或设备故障等引起周跳,以及接收机存在的钟跳情况,且当飞机处于背飞、俯冲等状态时卫星信号会较弱,若再考虑战时可能的复杂电磁干扰,都会使卫星位姿测量的可靠性受到严重影响。

雷达位姿测量技术  通过扫描发射无线电波或激光光波并测量其回波信号,结合伺服平台实现飞机定位,通过不同时刻回波可计算飞机的航向。无线电雷达能克服云、雾、雨等阻挡,具有全天候、全天时工作突出优势,是各国舰载机着舰位姿测量最早采用的基本技术途径,抗电磁干扰能力和隐蔽性较差。激光雷达(也被归为光电位姿测量技术)具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小、质量轻等诸多优点,继无线电雷达之后,也被各国舰载机着舰位姿测量广泛采用,但不适于雨、浓烟、浓雾等恶劣天气,且大气湍流会较大影响测量精度。若在飞机机体分布安装多个激光反射器,激光雷达在允许时间间隔内快速扫描而定位反射器,可实现飞机机体的姿态测量。

综上可见,这些常用技术途径单一应用均难以完全满足舰载机着舰位姿测量的需求。因此,目前实际着舰引导系统中通常组合采用上述多种位姿测量技术[1],并辅助飞行员目视菲涅耳灯光学助降系统[3],以尽量克服不足,实现优势互补,进一步提升着舰适应性、可靠性和安全性。同时,新的位姿测量技术也在不断发展并逐步应用到舰载机着舰位姿测量中,其中星光[4]和视觉[5]两类位姿测量技术途径最为突出。

星敏感器通过对恒星的成像探测和识别实现航天器相对惯性坐标系的三轴姿态测量,在各类航天器上有着广泛的应用。在近地空间,星敏感器结合地平传感器可实现自主定位(经纬度),具有抗干扰能力强、隐蔽性好等优点,是舰载机着舰中远距离自主位姿测量的重要手段,可摆脱对卫星位姿测量手段的依赖,具有重要战略意义。该技术应用于飞机时需要突破全天时恒星探测关键技术,并需要工作在一定高度以避开云层遮档和恶劣天气影响。

工业生产线和航天器对接中成熟应用的视觉测量系统,基于目标二维图像与三维模型的透视投影约束计算相对位姿参数,具有全自主、可视化、抗电磁干扰、近场精度高等突出特点。虽然外场应用时,单一波段成像受雨、雪、雾、霾、夜间等不利条件限制,但随着毫米波、红外、夜视、可见光等多模多谱段成像器件技术的快速进步,以及图像复原和增强理论算法的深入研究,视觉位姿测量技术已成为舰载机着舰全天候、全天时、全自主位姿测量的优选技术途径。

舰载机着舰相对位姿视觉测量系统

按工作模式舰载机着舰相对位姿视觉测量系统可划分为两类:一是舰载机着舰相对位姿机载视觉测量系统,二是舰载机着舰相对位姿舰载视觉测量系统。

3.1 舰载机着舰相对位姿机载视觉测量系统

1所示为机载视觉测量系统测量过程空间示意图,其基本原理是:视觉测量系统安装在舰载机上,在进入着舰航线后,机载摄像机对海面目标实时成像,在快速发现并识别锁定航母后进入实时跟踪成像模式。当着舰到达测量距离时,测量系统启动测量模式获取甲板预设被测合作标志图像特征,实时解算舰载机与航母之间的相对位姿参数,实现着舰的自动导引。

1 机载视觉测量系统测量过程空间位置示意图

机载模式要求机载视觉测量系统体积小,重量轻,功耗少,可靠性高,系统主体一般采用嵌入式板上平台系统,这一定程度增加了对多模多谱段系统的限制。同时,整个系统固定在飞机机体不易变形、振动小且位置布局合理的部位,以确保着舰过程中系统参数在可接受的变化范围内,保证位姿测量精度。

2所示为舰载机着舰相对位姿机载视觉测量系统的组成框图。包括光学镜头系统、FPGA 嵌入式板上数字摄像机、DSP处理板系统、系统标定装置、云台及控制系统、安装防护系统、被测合作标志。

2 着舰相对位姿参数机载视觉测量系统组成框图

光学镜头采用定焦成像镜头以确保着舰过程中系统成像参数的准确性。FPGA 嵌入式板上数字摄像机主要包含成像芯片和FPGA逻辑电路,实现图像采集、转换、传输和存储等功能。DSP处理板系统是整个系统的信息处理和控制中心,实现位姿测量相关算法并完成测量数据和关联信号的交互传输和控制。系统标定装置用于确定测量系统模型内部参数,以及它与飞机本体坐标系的空间转换关系。云台及控制系统一般具有俯仰和方位两轴自由度,可以高精度适当调整测量系统的成像视角,但调节范围较小。安装防护系统是机载条件下保证测量系统稳固可靠的必须辅助装置。被测合作标志设置在航母甲板上,通常是在甲板表面专门绘制的视觉显著性图形,或者是具有精确已知空间分布的特定发光模式和颜色的标志灯,它相当于标准靶标参照物,为着舰相对位姿参数测量提供基准。

3 所示为舰载机着舰相对位姿机载视觉测量的功能实现流程图。系统标定利用标定装置,完成系统成像参数和空间转换参数现场标定。实时成像算法获取海上目标的清晰图像,提供测量系统的主要输入信息。目标检测算法从图像中实时检测识别航母,并进行精确图像定位,目的是为跟踪算法提供目标初始化,以及为位姿测量算法提供紧致的目标图像区域,减小计算数据量,降低背景干扰,提高计算速度和测量精度与鲁棒性。目标跟踪算法在目标检测初始化基础上进入对航母的自动跟踪,并与目标检测算法紧密融合实现着舰过程航母在摄像机视场中央的无偏移锁定。位姿测量算法实时获取被测合作标志二维图像特征,并完成与其已知三维空间特征的匹配,基于位姿测量模型实时计算相对位姿参数,反馈给飞行员和飞机飞控系统。

3 着舰相对位姿参数机载视觉测量功能实现流程图

机载视觉测量系统在测量过程中不向外辐射任何能量,并且由于被测合作标志在航母甲板上的三维空间信息已知,测量的就是舰载机着舰所需要的与航母之间的相对位姿参数,可直接在舰载机内部与飞控系统和飞行员进行参数传递交互,不需要接收任何其它方通过无线方式传送航母的绝对位姿参数,从工作模式上看是实现着舰自动导引迄今唯一的真正全自主测量方式。若位姿测量结果进一步下传到航母上的着舰指挥官,则需依赖无线通讯手段来实现,从测量系统整体功能信息流上看是全自主的一个小缺口,但自动测量导引过程的本身仍是全自主的。

3.2 舰载机着舰相对位姿舰载视觉测量系统

4所示为舰载视觉测量系统测量过程空间示意图,其基本原理是:舰载机进入着舰航线后,安装在航母甲板上的视觉测量系统对着舰空域目标实时成像(这与机载视觉测量系统恰好相反),在快速发现并识别锁定舰载机后进入实时跟踪成像模式。当着舰到达测量距离时,测量系统启动测量模式获取舰载机图像特征,实时解算舰载机与航母之间的相对位姿参数,实现着舰的自动导引。

4 舰载视觉测量系统测量过程空间位置示意图

舰载模式的视觉测量系统安装在空间比较开阔的航母甲板上,对系统体积、重量、功耗等的限制相较机载模式要宽松很多,而对恶劣海上环境下的可靠性要求更高。因此,根据实际需要,能够形成毫米波、红外、夜视、可见光等多模多谱多焦段成像的分布式视觉测量系统,更好适应航母空间随机变化动平台的特点,真正实现全天候、全天时、全自主的高可靠测量。

5所示为舰载机着舰相对位姿舰载视觉测量系统的组成框图。具体包括光学镜头系统、集成数字相机系统、远距光纤转换传输系统、计算机控制与处理中心、标定装置、云台及控制系统、安装防护系统、舰载机三维CAD数字模型。

5 着舰相对位姿参数舰载视觉测量系统组成框图

对于光学镜头系统,若需远距离对舰载机进行跟踪成像,负责跟踪的相机其光学镜头通常采用变焦成像镜头,而负责测量的相机其光学镜头则通常采用定焦成像镜头,以保证其物理光学参数的准确性。集成数字相机系统一般采用抗腐蚀的大靶面大像元高分辨率摄像机,以保证恶劣条件下的高质量成像。远距光纤转换传输系统将测量系统的分布式相机获取的图像和相关通讯信号,实时转换传送到计算机控制与处理中心,用于计算、控制与显示等。计算机控制与处理中心接收图像和通讯信号后,实现位姿测量相关算法并完成测量数据和关联信号的交互传输和控制。系统标定装置用于确定测量系统各个相机的物理光学参数,以及它们相互之间、与航母平台坐标系之间的空间转换关系。云台及控制系统通常为两轴精密伺服平台,可增加对目标成像视场的跟随灵活性。安装防护系统包括辅助机械机构和“三防”措施等,是海上恶劣环境下测量系统可靠工作的保证。舰载机三维CAD数字模型相当于标准靶标参照物,为着舰相对位姿参数测量提供基准。

6 所示为舰载机着舰相对位姿舰载视觉测量的功能实现流程图,与机载视觉测量的功能实现流程总体上基本一致,在成像和测量目标上有区别。实时成像算法获取空域目标的清晰图像,提供测量系统的主要输入信息。目标检测算法从图像中实时检测识别舰载机,并进行精确图像定位,目的是为跟踪算法提供目标初始化,以及为位姿测量算法提供紧致的目标图像区域,减小计算数据量,降低背景干扰,提高计算速度和测量精度与鲁棒性。目标跟踪算法在目标检测初始化基础上进入对舰载机的自动跟踪,并与目标检测算法紧密融合实现着舰过程舰载机在摄像机视场中央的无偏移锁定。位姿测量算法实时获取舰载机二维图像特征,并完成与其已知三维CAD数字模型特征的匹配,基于位姿测量模型实时计算相对位姿参数,反馈给着舰指挥官、飞行员和飞机飞控系统。

6 着舰相对位姿参数舰载视觉测量功能实现流程框图

舰载视觉测量系统在测量过程中不向外辐射任何能量,并且系统在航母平台坐标系中的位姿精确已知,而系统测量的对象直接是舰载机本体,获得的就是舰载机与航母之间的相对位姿参数,不需要接收任何其它方通过无线方式传送航母的绝对位姿参数,因此,单就测量过程本身而言,舰载视觉测量是真正全自主测量方式。但为进一步实现着舰自动导引,需将相对位姿参数既要直接传送给航母上的着舰指挥官,还要以无线方式及时传送给舰载机上的飞行员和飞控系统,因此,从测量导引任务的整体看舰载视觉测量系统并不是全自主测量。

舰载机着舰相对位姿视觉测量关键技术

虽然机载和舰载两种类型的位姿视觉测量系统在实现模式上不同,但所涉及的核心关键技术是共性的,主要包括七个方面:高质量光学成像、图像增强与复原、图像目标检测、图像目标跟踪、位姿测量模型、测量系统标定、位姿参数估计。

高质量光学成像  光学镜头和数字相机为主体构成光学成像单元。其中,光学镜头决定目标成像光束的传输质量,而数字相机决定目标成像光束的转换质量。光学镜头的核心技术主要有三项:光路结构设计与装调技术、镜片加工与镀膜技术和镜片材料技术,决定其成像质量的核心指标有分辨率、透过率、像差、色差、畸变等。数字相机的核心技术主要有两项:成像芯片技术和图像读出技术,决定其成像质量的核心指标有空间分辨率、像元尺寸、转换效率、信噪比、帧率、曝光模式等。

图像增强与复原  图像增强处理的图像是目标真实成像结果,但由于雨、雪、雾、霾、尘等天气效应和夜间微光等环境限制,往往削弱了目标在图像中的显著性而不能满足应用要求,而图像增强的目标就是去除图像中的天气效应,并改善图像的灰度分布。图像复原处理的图像不是目标真实成像结果,通常成像器件噪声、运动模糊和大气湍流效应会导致目标成像出现严重畸变,而图像复原的目标就是对这些畸变进行校正,恢复目标真实成像结果。图像增强与复原的研究重点是图像退化效应模型的建立和估计。

图像目标检测  目标检测是快速识别定位图像中已知类别的目标,通常由一个紧致的目标外接矩形框来表示,称为检测框。检测框的作用有两个方面:一是可为后续图像目标跟踪提供自动初始化,并校正跟踪随时间的漂移;二是可极大减少目标位姿测量的计算数据量,屏蔽背景干扰,提高测量速度、精度和鲁棒性。目标检测通常融合了目标识别,其核心技术包括:数据集建立、目标特征描述与提取、分类器建立。

图像目标跟踪  目标跟踪是在目标检测初始化基础上,对序列图像中任意目标进行连续跟踪定位,并可将脱靶量反馈伺服机构以驱动摄相机跟随目标运动,将目标始终成像于视场中央区域。在目标检测辅助下获得的目标最小外接矩形框,也可减少位姿测量的计算数据量,屏蔽背景干扰,提高测量速度、精度和鲁棒性。目标跟踪是实现位姿连续测量的前提,其研究重点包括:训练样本生成、目标特征提取、目标外观模型、外观模型在线更新。

位姿测量模型  测量系统摄像机坐标系与被测目标坐标系(机载模式为航母平台坐标系,舰载模式为飞机机体坐标系)之间的空间转换关系,即为位姿测量模型,具体包括位置参数构成的平移向量和姿态参数构成的旋转矩阵。位姿测量模型的研究重点是:根据被测成像目标的空间几何特征和图像几何特征的具体类型,以及几何特征间的拓扑关系不同,建立由目标几何特征参数和位姿参数不同数学关系约束构成的位姿测量模型。

测量系统标定  标定是获得测量系统模型参数的过程,通常在系统装调后现场一次性完成。这些参数包括摄像机焦距、主点、畸变等内部参数,以及测量系统安装后固定不变的空间转换外部参数:机载模式下为摄像机坐标系与飞机机体坐标系的空间转换关系;舰载模式下为摄像机坐标系与航母平台坐标系的空间转换关系。系统标定的研究重点包括:标定靶标几何特征设计及空间几何约束、标定特征图像信息高精度提取、标定图像数据集优化。

位姿参数估计  基于位姿测量模型,由被测目标二维图像特征及其对应的目标三维空间信息,计算目标位姿参数的过程。实际应用中,有时考虑测量过程中可能的测量系统结构变化,也会将部分已标定的系统模型参数与位姿参数一起作为未知量进行融合求解,以提高计算精度。位姿参数估计的研究重点是:目标图像特征提取、目标2D3D特征匹配、位姿参数优化计算。 

未来发展趋势分析

随着我国航母舰载机尤其是舰载无人机技术的快速发展,对舰载机自主着舰位姿测量技术提出了越来越迫切的需求。视觉位姿测量技术具有全自主、可视化、抗电磁干扰、近场精度高等突出特点,是实现舰载机着舰位姿测量的优选新技术途径。同时,快速发展的毫米波、红外、夜视、可见光等多模多谱段成像器件技术,为视觉位姿测量技术实现舰载机着舰全天候、全天时、全自主位姿测量提供了坚实的系统硬件支撑。而机器学习、神经网络、大数据分析、并行计算、计算机视觉等理论的相互渗透与不断突破,则有力提升了视觉位姿测量技术面向实际应用的现场适用性。

未来,视觉位姿测量技术与惯性、卫星、雷达、星光等位姿测量技术的全方位融合,将是舰载机着舰自动导引系统的最佳位姿测量模式。

参考文献:

[1] 毕道明,黄辉,范静,周海彤,关智元,郑泽伟.非线性移动路径跟踪及着舰控制应用[J].北京航空航天大学学报,2020. https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0646.

[2] 张志冰,甄子洋,江驹,薛艺璇. 舰载机自动着舰引导与控制综述[J]. 南京航空航天大学学报,201850(6)734-744.

[3] 王鹏,焦晓辉. 舰载机着舰指挥引导技术[J]. 中国科技信息,2019(3)35-36.

[4] 张辉,周向东,汪新梅,田宏.近地空间全天时星敏感器技术现状及发展综述.航空学报,2020. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20200502.1329.002.html.

[5] 杨喻茸. 基于视觉信息引导的舰载无人机精确着舰技术研究[D]. 南京航空航天大学,2018.

 

作者简介

魏振忠,男,197211月生人。北京航空航天大学教授,博士生导师。研究方向为计算机视觉动态测量,主要研究内容包括图像处理、目标跟踪、位姿测量、空间转换等。研制成功的航空装备飞行性能动态测试站等系列装备,广泛应用于导弹、飞机等重点航空装备的研制、生产与空中试飞。2016年入选中组部“万人计划”科技创新领军人才、教育部“长江学者”特聘教授,并获批国家杰出青年科学基金项目。兼任中国图象图形学学会视觉检测专委会主任。

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