直升机着舰双摄影测量算法及DSP数字图像处理技术
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摘要
本论文以十五科技项目为背景，详细介绍了利用双CCD摄像机和DSP数字图像处理技术实现直升机安全着降的系统设计。
本文对直升机着舰精确定位技术中的摄影测量算法进行了系统分析和深入研究，在四特征点测量算法基础上建立了双CCD摄影测量直升机精确位置坐标的数学模型，进一步从各个影响算法测距精度的方面讨论了计算误差，推导出测量信标坐标位置的计算公式，并对利用双摄影测量算法计算直升机着舰挂钩位置的正确性及准确性进行了模拟实验，得到的算法计算值和实验测量值之间的误差在±5cm以内。另外，本文还对直升机双摄影测量着舰过程进行了三维动画仿真演示。全文共分为五章：
第一章绪论，概要介绍了国内外直升机着舰助降系统和助降装置的最新发展状况，并对新兴的光电助降技术进行了比较。
第二章详细介绍了双摄影测量算法（DCP）的原理和实现，从理论和具体实现上分别对直接求解方程组法进行了讨论，并且就算法计算位置坐标的误差原因做了系统分析。
第三章讲述了数字图像处理技术的应用过程和实现光电助降图像、算法处理的DSP软硬件系统设计，以及软硬件的调试工作。
第四章描述了直升机着舰仿真动画演示系统的制作，有助于更加形象直观的了解DCP系统。
第五章介绍了验证算法正确性的两个实验系统，第一个系统主要利用计算机软件工具对编制的算法DSP程序进行验证；第二个系统根据实验测量数据和误差结果对算法的计算精度进行验证，并提出下一步具体工作的展望。
本文为直升机安全着舰提供了一种简单可行的实现方案，且算法精度高，为研制实际的助降系统提供了重要的参考价值。
Based on the background of the "Ten-Five" Technology Project, this thesis introduced the design of the helicopter safely landing system design with Double CCD Photometry and technology of DSP digital image processing in detail.
In this paper we made a systemic analysis and study of the accurate orientation technology in the process of helicopter landing-photogrammetry, made the model of using double CCD to measure the exact position of helicopter based Four Latent Points photogrammetry, educed formula about beaconing position, analyzed the computing error, and particularly computed the information of beaconing position of the helicopter's landing by experiment emulation. In the result, the error between a computed value and a measurement value was less than 5 centimeters. Moreover, this text showed a 3D emulated animation for the whole process of helicopter's landing with DCP. This paper is made up of 5 chapters, including as follows:
The first chapter introduces the last development of helicopter's landing systems and opt electronic guiding equipments, contrasts recent technologies of opt electronic landing.
Chapter 2 detailed introduces the principle and execution of DCP, discusses whether the way to directly calculate the equations is right from both on theory and practice, and studies the cause to position calculation error.
Chapter 3 narrates the applied process concerning the technique of digital image processing and software and hardware system of DSP for image collection and calculation, and we try to debug the software and hardware.
Chapter 4 describes the manufacture method of emulated animation showing system of helicopter landing process, helped to understand DCP livelier.
The last chapter shows two experiment systems to validate the double CCD photometry program, the first system primarily makes use of computer software tool to verify it, the second system proves the photometry's accuracy according to experiment data and error result, and brings up a prospect for next work.
This text provides a brief viable project for helicopters secure landing, and the accuracy of DCP is high, offers the important referenced value to develop the actual helicopter landing system.
本文对直升机着舰精确定位技术中的摄影测量算法进行了系统分析和深入研究，在四特征点测量算法基础上建立了双CCD摄影测量直升机精确位置坐标的数学模型，进一步从各个影响算法测距精度的方面讨论了计算误差，推导出测量信标坐标位置的计算公式，并对利用双摄影测量算法计算直升机着舰挂钩位置的正确性及准确性进行了模拟实验，得到的算法计算值和实验测量值之间的误差在±5cm以内。另外，本文还对直升机双摄影测量着舰过程进行了三维动画仿真演示。全文共分为五章：
第一章绪论，概要介绍了国内外直升机着舰助降系统和助降装置的最新发展状况，并对新兴的光电助降技术进行了比较。
第二章详细介绍了双摄影测量算法（DCP）的原理和实现，从理论和具体实现上分别对直接求解方程组法进行了讨论，并且就算法计算位置坐标的误差原因做了系统分析。
第三章讲述了数字图像处理技术的应用过程和实现光电助降图像、算法处理的DSP软硬件系统设计，以及软硬件的调试工作。
第四章描述了直升机着舰仿真动画演示系统的制作，有助于更加形象直观的了解DCP系统。
第五章介绍了验证算法正确性的两个实验系统，第一个系统主要利用计算机软件工具对编制的算法DSP程序进行验证；第二个系统根据实验测量数据和误差结果对算法的计算精度进行验证，并提出下一步具体工作的展望。
本文为直升机安全着舰提供了一种简单可行的实现方案，且算法精度高，为研制实际的助降系统提供了重要的参考价值。
Based on the background of the "Ten-Five" Technology Project, this thesis introduced the design of the helicopter safely landing system design with Double CCD Photometry and technology of DSP digital image processing in detail.
In this paper we made a systemic analysis and study of the accurate orientation technology in the process of helicopter landing-photogrammetry, made the model of using double CCD to measure the exact position of helicopter based Four Latent Points photogrammetry, educed formula about beaconing position, analyzed the computing error, and particularly computed the information of beaconing position of the helicopter's landing by experiment emulation. In the result, the error between a computed value and a measurement value was less than 5 centimeters. Moreover, this text showed a 3D emulated animation for the whole process of helicopter's landing with DCP. This paper is made up of 5 chapters, including as follows:
The first chapter introduces the last development of helicopter's landing systems and opt electronic guiding equipments, contrasts recent technologies of opt electronic landing.
Chapter 2 detailed introduces the principle and execution of DCP, discusses whether the way to directly calculate the equations is right from both on theory and practice, and studies the cause to position calculation error.
Chapter 3 narrates the applied process concerning the technique of digital image processing and software and hardware system of DSP for image collection and calculation, and we try to debug the software and hardware.
Chapter 4 describes the manufacture method of emulated animation showing system of helicopter landing process, helped to understand DCP livelier.
The last chapter shows two experiment systems to validate the double CCD photometry program, the first system primarily makes use of computer software tool to verify it, the second system proves the photometry's accuracy according to experiment data and error result, and brings up a prospect for next work.
This text provides a brief viable project for helicopters secure landing, and the accuracy of DCP is high, offers the important referenced value to develop the actual helicopter landing system.
引文
(1) 黄勇.航母光电着舰引导系统.现代舰船,1995. 6
(2) 张一名.舰载机着舰的几个问题（内部资料）, 1997.11
(3) 江海标，陈宗基.一种基于先验知识的3D位姿参数识别方法.航空计测技术,1997,18卷
(4) An electro-optic precision approach and landing system , SPIE Vol.2463,1995
(5) D.M Shemwell et al. Laser Centerline Localizer and Laser Glideslope Indicator for Visual Guidence on Approach to landing, SPIE Vol.1694,1992
(6) R.M.Measures,Laser Remote Sensing,Wiley,1984
(7) 蔡喜平.CCD敏感器系统测距测角技术的研究.航天控制，1995，3
(8)McManamon,T.Dorschner,D.Corkum,L.Feidman,D.Hobbs,M.Hioz,S.Lberm Optical Phased Array Technology,Proceedings of the IEEE,vol84,N02 Feb 1996
(9) E.P.Blabchard，N72-12589，1972
(10) Paul F.McManamon,Laser Radar Development,SPIE Vol.3380
(11) 姚仁俊，国外舰载直升机系统，现代舰船，1986，9
(12) P.W.Lindley ,Helicopters and the ASW revolution ,Naval Forces,1985.9
(13) 张海生，海上飞机，外国航空母舰（下），海军装备论证研究中心科技部，1987，6
(14）ASW systems for aircraft, Navy International,1984,89(9)
(15) 蔡喜平。运用计算机视觉对空间飞行器交会对接中的位置和姿态的测量。宇航学报，1995，10
(16) 赵秀丽.国外舰载直升机.现代舰船,1995，12
(17) 许少华.飞机进场着陆光电辅助系统.舰船光学，1989，2
(18) 张承铨.国外军用激光仪器手册—激光雷达，光通信。兵器工业出版社，1989.4
(19) Willam J Wholfe. Locating Known Object in 3-D from a Single Perspective View,SPIE,1988:1002
(20）Michael A Penna,Determining Camera Paramenters from the Perspective Projection of a Quadrilateral,Pattern Recognition.1991,24(6),533-541
(21) 高振榕.直升机着舰助降和牵引装置.现代舰船，1990,3
(22) 黄玉明。航天器位姿光学测量。中国空间科学技术，1993，8
(23) 王庆有。CCD应用技术。天津：大学出版社，2000.8
(24) 唐荣锡.计算机图形学教程。北京：科学出版社，1991
(25) 张宜华.精通Matlab 5.北京：清华大学出版社，1996.12
(26) J.T．Murry，Generation of 1.5um Radiation Through Intracavity Solid State Raman in BaNi Nonlinear Crystals Optics Letters，Vol 20，issue 9，P1017-1019，1995
(27) 黄迪明.软件技术基础。成都：电子科技大学出版社，1998.6
(28) 彭其琮.TMS320C54x 实用教程.成都：电子科技大学出版社，1999.7
(29) 苏涛，蔺丽华。DSP实用技术。西安：电子科技大学出版社，2002.5
(30) 王念旭.DSP基础与应用系统设计.北京:航空航天大学出版社，2001.8
(31) 戴明桢，周建江.TMS320C54x DSP结构、原理及应用.北京:航空航天大学出版社，
2001.11
(32) 郑红，吴冠.TMS320C54x DSP应用系统设计.北京:航空航天大学出版社，2002.5
(33) 王耀南，李树涛，毛建旭.计算机图象处理与识别技术.北京：高等教育出版社，2000.4
(34) 郭玲文.3DS MAX4入门与提高.北京：航空工业出版社，2002.3
(35) 朱晓彬，江亚玲.3D Studio MAX R3效果与实例.北京：北京大学出版社，2001.1
(36) 刘文耀.光电图像处理.北京：电子工业出版社，2002.3
(37) 何照才.光学测量系统.国防工业出版社，1999.10
(38) 清源计算机工作室.Visual C++ 6.0开发宝典.北京：机械工业出版社，1999.5
(39) 阮秋琦.数字图像处理学.北京：电子工业出版社，2001.1，2～13
(40) 朱家义.图形图像处理技术.北京：机械工业出版社，2001.8
(41) 王晓丹，吴崇明.基于MATLAB的系统分析与设计─图像处理.西安：电子科技大学出版社，2000.6
(42) 孙兆林.MATLAB 6.x图像处理.北京：清华大学出版社，2002.5
(43) 薛定宇.控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言及应用.北京：清华大学出版社，1996.6
(44) 兰云. 应用编程COOL-Visual Basic 6.0+，Visual C++ 6.0 .北京：希望电子出版社，1999.8，220～237
(45) 刘为国，刘为东.Visual Basic 5.0中文版编程技术.北京：人民邮电出版社，1998.9
(46) 李刚.数字信号微处理器的原理及其开发应用.天津：天津大学出版社，2000.4
(47) 张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用（第2版）.北京：电子工业出版社，2000.9
(48) Chuck Sphar(美).Learn Microsoft Visual C＋＋6 Now.北京：机械工业出版社，1999.5
(49) 魏波.点时空约束图像目标跟踪理论与实时实现技术研究：[博士学位论文]. 成都：电子科技大学通信与信息工程学院 2000.12
(50) 郑国轴.基于DSP技术的数据采集系统软件技术研究：[硕士学位论文]. 浙江：浙江大学 2002.1
(2) 张一名.舰载机着舰的几个问题（内部资料）, 1997.11
(3) 江海标，陈宗基.一种基于先验知识的3D位姿参数识别方法.航空计测技术,1997,18卷
(4) An electro-optic precision approach and landing system , SPIE Vol.2463,1995
(5) D.M Shemwell et al. Laser Centerline Localizer and Laser Glideslope Indicator for Visual Guidence on Approach to landing, SPIE Vol.1694,1992
(6) R.M.Measures,Laser Remote Sensing,Wiley,1984
(7) 蔡喜平.CCD敏感器系统测距测角技术的研究.航天控制，1995，3
(8)McManamon,T.Dorschner,D.Corkum,L.Feidman,D.Hobbs,M.Hioz,S.Lberm Optical Phased Array Technology,Proceedings of the IEEE,vol84,N02 Feb 1996
(9) E.P.Blabchard，N72-12589，1972
(10) Paul F.McManamon,Laser Radar Development,SPIE Vol.3380
(11) 姚仁俊，国外舰载直升机系统，现代舰船，1986，9
(12) P.W.Lindley ,Helicopters and the ASW revolution ,Naval Forces,1985.9
(13) 张海生，海上飞机，外国航空母舰（下），海军装备论证研究中心科技部，1987，6
(14）ASW systems for aircraft, Navy International,1984,89(9)
(15) 蔡喜平。运用计算机视觉对空间飞行器交会对接中的位置和姿态的测量。宇航学报，1995，10
(16) 赵秀丽.国外舰载直升机.现代舰船,1995，12
(17) 许少华.飞机进场着陆光电辅助系统.舰船光学，1989，2
(18) 张承铨.国外军用激光仪器手册—激光雷达，光通信。兵器工业出版社，1989.4
(19) Willam J Wholfe. Locating Known Object in 3-D from a Single Perspective View,SPIE,1988:1002
(20）Michael A Penna,Determining Camera Paramenters from the Perspective Projection of a Quadrilateral,Pattern Recognition.1991,24(6),533-541
(21) 高振榕.直升机着舰助降和牵引装置.现代舰船，1990,3
(22) 黄玉明。航天器位姿光学测量。中国空间科学技术，1993，8
(23) 王庆有。CCD应用技术。天津：大学出版社，2000.8
(24) 唐荣锡.计算机图形学教程。北京：科学出版社，1991
(25) 张宜华.精通Matlab 5.北京：清华大学出版社，1996.12
(26) J.T．Murry，Generation of 1.5um Radiation Through Intracavity Solid State Raman in BaNi Nonlinear Crystals Optics Letters，Vol 20，issue 9，P1017-1019，1995
(27) 黄迪明.软件技术基础。成都：电子科技大学出版社，1998.6
(28) 彭其琮.TMS320C54x 实用教程.成都：电子科技大学出版社，1999.7
(29) 苏涛，蔺丽华。DSP实用技术。西安：电子科技大学出版社，2002.5
(30) 王念旭.DSP基础与应用系统设计.北京:航空航天大学出版社，2001.8
(31) 戴明桢，周建江.TMS320C54x DSP结构、原理及应用.北京:航空航天大学出版社，
2001.11
(32) 郑红，吴冠.TMS320C54x DSP应用系统设计.北京:航空航天大学出版社，2002.5
(33) 王耀南，李树涛，毛建旭.计算机图象处理与识别技术.北京：高等教育出版社，2000.4
(34) 郭玲文.3DS MAX4入门与提高.北京：航空工业出版社，2002.3
(35) 朱晓彬，江亚玲.3D Studio MAX R3效果与实例.北京：北京大学出版社，2001.1
(36) 刘文耀.光电图像处理.北京：电子工业出版社，2002.3
(37) 何照才.光学测量系统.国防工业出版社，1999.10
(38) 清源计算机工作室.Visual C++ 6.0开发宝典.北京：机械工业出版社，1999.5
(39) 阮秋琦.数字图像处理学.北京：电子工业出版社，2001.1，2～13
(40) 朱家义.图形图像处理技术.北京：机械工业出版社，2001.8
(41) 王晓丹，吴崇明.基于MATLAB的系统分析与设计─图像处理.西安：电子科技大学出版社，2000.6
(42) 孙兆林.MATLAB 6.x图像处理.北京：清华大学出版社，2002.5
(43) 薛定宇.控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言及应用.北京：清华大学出版社，1996.6
(44) 兰云. 应用编程COOL-Visual Basic 6.0+，Visual C++ 6.0 .北京：希望电子出版社，1999.8，220～237
(45) 刘为国，刘为东.Visual Basic 5.0中文版编程技术.北京：人民邮电出版社，1998.9
(46) 李刚.数字信号微处理器的原理及其开发应用.天津：天津大学出版社，2000.4
(47) 张雄伟，曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用（第2版）.北京：电子工业出版社，2000.9
(48) Chuck Sphar(美).Learn Microsoft Visual C＋＋6 Now.北京：机械工业出版社，1999.5
(49) 魏波.点时空约束图像目标跟踪理论与实时实现技术研究：[博士学位论文]. 成都：电子科技大学通信与信息工程学院 2000.12
(50) 郑国轴.基于DSP技术的数据采集系统软件技术研究：[硕士学位论文]. 浙江：浙江大学 2002.1