利用磁场对水下潜艇进行定位追踪的新方法

针对目前常用的声定位系统在浅水区因受各种环境噪声影响而使搜潜效果较差的情况,提出了一种新的水下潜艇磁性定位追踪方法。该方法利用潜艇磁场的衰减特性构造了一种多目标规划的目标函数,通过微分进化算法与方向加速法相结合的优化算法,确定使目标函数最优的定位追踪参数。实验证明,所提出的方法仅需已知3个磁传感器所测潜艇磁场的一部分,就能较准确地确定潜艇的航行深度h、航速v及磁航向角φ这些重要追踪参数,并能对潜艇长度及位置进行有效的估计,计算结果稳定可靠,不依赖于初始值的估计精度。     

基于无人艇载侧扫声呐的水下目标定位方法研究

水下目标高精度定位是无人艇开展海底测绘、航道清理、沉船打捞等任务的重要前提。 然而,现有的基线式定位方法无 法对未知水域内的目标进行精确定位。 实际任务中,无人艇往往需要搭载侧扫声呐并辅以其他手段来确定水下目标的准确位 置。 针对无人艇水下目标定位难题,首先对侧扫声呐水下目标定位过程进行建模,然后分析姿态误差对水下目标定位造成的影 响,利用姿态矫正矩阵消除姿态误差,最后利用离散卡尔曼滤波算法对多点测量数据进行最优估计,得到水下目标的精确位置。 仿真实验和无人艇集成实验结果表明,该定位方法能够有效的减小测量过程中的误差,平均定位精度达到 0. 334 m。     

利用最小二乘支持向量机实现无线传感器网络的目标定位

针对接收信号强度值(RSSI)的波动直接影响无线传感器网络(WSN)目标定位准确度的问题,研究了利用最小二乘支持向量回归机(LSSVR)实现WSN的目标定位的基本原理,分析了固定探测节点和探测节点变化时的LSSVR建模定位特性,提出了基于自适应LSSVR回归建模实现WSN目标定位的方法(TL-AML)。该方法综合考虑目标定位准确度和实时性,初始时刻首先建立LSSVR回归模型来定位目标,根据后面任一时刻探测节点与前一时刻回归模型建模节点的包含关系决定是否重新建模,实现自适应建模定位过程。基于CC2430无线传感网络实验平台,进行了相关TL-AML方法性能实验,通过合理选取建模参数,TL-AML方法的目标定位均方根误差(RMSE)比MLE方法减小34%～37%,比LSE方法减小60%～65%。建模参数在较大范围内取值时,TL-AML方法目标定位准确度比MLE和LSE方法有明显提高。在LSSVR建模情况下,TL-AML方法目标定位耗时0.2～0.4s,无需重复建模时,目标定位耗时减少到0.04s。实验结果表明,TL-AML方法能够显著减小RSSI波动对目标定位结果的影响,提高目标定位准确度,减少目标定位时间,且具有较好的目标定位实时性。     

双五元十字阵被动声定位融合算法及性能分析

为了提高被动声测量的准确度和克服声源目标空间方位模糊的问题,提出了双五元十字阵被动声定位融合算法。首先设计了一种双五元十字阵传声器阵列模型,依据模型定义了声源点象限判断准则;然后根据被动声定位原理推导了单一五元十字阵的声源点坐标计算公式,根据俯仰角度正弦值作为加权系数,构造了双五元十字阵被动声定位融合算法模型;最后对该模型测距和测向的精度进行了理论分析,给出了时延估计误差、俯仰角以及方位角与双五元十字阵定位性能的关系。理论分析和仿真实验结果表明,该算法克服了声源目标空间方位模糊的问题、减小了时延估计误差对测距测向性能的影响。本文算法能够更加准确地测量出声源点的位置信息。     

基于多描述子投票的飞机蒙皮局部扫描点云定位

为了提高数字化飞机蒙皮检测技术的效率,针对其中局部蒙皮和数字模型的对齐问题,提出了基于多描述子投票的飞机蒙皮局部扫描点云定位算法,采用基于测地距离的蒙皮面片选取方法,综合利用多种三维点云描述子的识别能力差异来确定数字模型上的定位区域,同时提出了投票点加权定位法来提高定位位置精度。根据对比实验结果和工程实例上的实际应用,得出结论如下：所提算法相比于基于单一描述子的定位方法定位准确率平均提高约37.5%;所提算法在实际工程中具有可行性。     

基于ORB关键帧匹配算法的机器人SLAM实现

针对复杂环境下机器人的同时定位与地图构建(SLAM)存在实时性与鲁棒性下降等问题,将一种基于ORB特征点的关键帧闭环检测匹配算法应用到定位与地图构建中。研究并分析了特征点提取与描述符建立、帧间配准、位姿变换估计以及闭环检测对SLAM系统的影响,建立了关键帧闭环匹配算法和SLAM实时性与鲁棒性之间的关系,提出了一种基于ORB关键帧匹配算法的SLAM方法。运用改进ORB算法加快了图像特征点提取与描述符建立速度;结合相机模型与深度信息,可将二维特征图像转换为三维彩色点云;通过随机采样一致性(RANSAC)与最近迭代点(ICP)相结合的改进RANSAC-ICP算法,实现了机器人在初始配准不确定条件下的位姿估计;使用Key Frame的词袋闭环检测算法,减少了地图的冗余结构,生成了具有一致性的地图;通过特征点匹配速度与绝对轨迹误差的均方根值对SLAM系统的实时性与鲁棒性进行了评价。基于标准测试集数据集的实验结果表明,ORB关键帧匹配算法能够有效提高SLAM系统建图速度与稳定性。     

受人观测启发的UUV前视声纳滤波方法

UUV依据前视声纳探测信息进行在线滚动路径规划。针对浅水环境下声纳探测信息受物理及声场环境干扰杂波较多的问题,提出了一种受人观测启发的前视声纳滤波方法。首先,建立了声纳视域模型,然后采用小波阈值法进行声纳信息的初步去噪;其次,引入仿人观测的真伪目标判别策略,提出了基于时间滑窗的探测目标模糊关联与真伪判别算法。湖试结果表明:该算法能够滤除浅水环境下声纳探测信息的杂波,可提供可信环境信息,并引导UUV避开岛屿、浮箱等典型障碍目标。     

一种基于增广EKF的移动机器人SLAM方法

针对移动机器人同步定位与地图构建(SLAM)过程中系统测程法误差累积问题,采用测程法误差模型和车轮速度误差模型的映像关系,结合增广扩展卡尔曼滤波(AEKF)算法结构和实际机器人模型,提出了一种有效提高定位精度的SLAM方法。将机器人速度校正参数附加到卡尔曼滤波算法的向量空间中,以形成增广状态空间,同时预测和更新了SLAM初始状态空间和速度校正参数,笔者在线实时修正机器人的速度和航向角,避免积累航向角误差,从而降低了测程法误差。基于均方根误差和归一化估计方差进行了仿真实验分析,研究结果表明:与EKF-SLAM相比,所提出的方法具有更好的估计性能,使算法保持良好的一致性,大幅度提高了机器人自身定位精度和路标估计准确度。     

ALGORITHM FOR ACOUSTIC PASSIVE LOCALIZATION WITH DUAL ARRAYS

Aiming at the problem of 3D target localization by time delay estimation, this paper proposes a new acoustic passive localization method, which can provide high precision localization estimation. The first step of the two-stage algorithm is to measure the azimuth angle and pitch angle at each single array, which can obtain high precision angle estimation but low precision range estimation. And in the second step, the location of acoustic source is calculated from the angles measured above and geometry position of the two arrays. Then the accuracy of localization estimation is discussed in theory, and the influence factors and localization error are analyzed by simulation. The simulation results validate the performance of the proposed algorithm, and show the precision of localization estimation with dual arrays is superior to single array.     

Research on the Distance of the Active Sonar under the Effects of the Thermocline

The existence of thermocline changes the acoustic structure and effects the direction of the sound rays.This paper analyzes the working process of the active sonar,and the mathematical models.The detection probability of the active sonar under thermocline is studied.First,the detection distance without thermocline is estimat-ed,then the effect of thermocline's depth and sound velocity changes on detecting submarine probability are discussed,and based an this,the effects of the sea condition on searching submarine probability is discussed,lastly the distance of active sonar is calculated under ther-mocline. The results indicate that under thermocline,the distance of the active sonar becomes obvious short,and with the sea condition becoming rough,the effect is more clear.     

单矢量水听器被动测距方法研究

提出一种利用单矢量水听器接收信号的相位信息实现目标被动测距的方法。该方法借鉴匹配场被动定位的思想,首先根据简正波声场模型建立匹配模板,然后引入图像处理中的相位相关算法,将目标的相位信息与模板进行匹配,从而得到目标的距离。对该方法的有效性与稳健性进行了详细地研究与分析。仿真结果表明,该方法可以有效地实现目标的被动测距,且具有稳健性强、计算速度快、不需要考虑阵型姿态失配等优点,是声呐信号处理的新途径,为实际的工程应用奠定了理论基础。     

应用迭代圆环像素率法实现快速虹膜定位

针对虹膜定位易受噪声影响、速度慢、自适应性差等问题,提出了基于迭代圆环像素率法的快速虹膜定位算法。提出的定位算法包括切割虹膜图像、Hough圆检测粗定位、微积分算子精定位3个部分,从切割虹膜图像、图像抽样、迭代圆环像素率法、快速Hough圆检测以及分层定位思想5方面提高算法的速度。提出了缩小半径范围的迭代圆环像素率法以及消除瞳孔光斑的形态学方法,瞳孔分割阈值以及小范围的圆心、半径候选集等参数都是通过计算得到,自适应性好。使用4个虹膜数据库进行实验,并与相近算法进行了对比。实验结果表明,该算法的定位准确率为97.75%～99.07%,定位时间为52.847～158.502 ms,是一种鲁棒、快速、自适应的虹膜定位算法。     

基于水平集和支持向量机的图像声呐目标识别

为了能实现水下遇险目标的精确定位,首先要对声呐所获取的图像进行目标识别。利用水平集法获得水下声呐图像中目标轮廓后,提取目标轮廓的7个不变矩作为特征矢量,并将获取的不变矩特征输入到已经训练好的支持向量机中进行识别,从而得到识别结果。所使用的识别方法综合了基于水平集提取轮廓的长处,不变矩的位移、尺度、旋转不变性的特点和支持向量机在小样本、非线性模式识别中的独特优势。实验结果表明:该方法对高分辨率图像声呐具有较高的识别率和较低的误判率,对原始声呐图像的目标识别率高达99%,对加入方差为0.09的高斯噪声的声呐图像的目标识别率可以达到97%。     

一种小型无人机无源目标定位方法及精度分析

为了提高小型无人机无源目标定位的精度,设计了一种新的目标定位算法。首先确定目标定位过程中的坐标转换关系并推导出视轴角的计算模型;然后,利用光电侦察平台锁定跟踪目标的特性,提出了对同一目标点多次测量的目标定位框架,建立了系统状态方程和测量方程,考虑到测量方程的非线性,将无迹卡尔曼滤波应用于目标位置估计;最后,针对加性高斯白噪声的非线性目标定位系统,推导出理论上的定位误差的克拉美-罗下限。仿真结果表明,该算法具有较高的目标定位精度,滤波器估计误差均方差已逼近非线性系统的克拉美-罗下限。现场试验结果表明,在离地面约1000 m的空中,无人机对地面目标定位精度可达8.1 m。该算法易于部署,可操作性强,具有较大的实用价值。     

基于稀疏布阵的实时三维成像声纳系统

水下实时三维成像声纳系统可以有效地提高对水下目标探测及识别的能力,本文提出基于稀疏面阵的实时三维成像声纳系统,该系统包括3个部分:窄带信号发射系统、稀疏布阵接收系统及信号处理系统。信号处理系统在远场情况下采用二维FFT波束形成获得目标三维成像,近场情况下采用自聚焦二维FFT波束形成获得三维成像结果。相比于直接相移波束形成,稀疏布阵情况下采用二维FFT波束形成算法具有更小的计算量和内存需求量的优势。基于该成像算法,设计并实现一套实时三维成像声纳系统,通过多次湖上及海上实验对该系统进行测试,实验结果表明:该系统可以获得水下近场及远场目标的三维图像并满足实时成像的要求。     

采用立体视觉实现子孔径拼接测量的工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统。介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求;引入了立体视觉辅助测量系统,建立了通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01°,可为优化拼接算法提供一个有效的初始值,该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且不产生误差累积方法简单且可靠。     

高精度尺度不变特征点匹配方法及其应用

在基于局部特征点匹配的目标检测与定位系统中,匹配点和误匹配点的数量直接影响定位精度。为降低特征点误匹配率并保证匹配过程中有足够的匹配点数,提出了一种改进的尺度不变特征点匹配方法。分析常用特征点匹配方法中匹配结果随判断阈值变化的问题,利用循环,采用变步长的方式获取匹配图像自适应双阈值。在此基础上,利用高阈值对应的稀疏精确匹配结果建立匹配图像间的几何变换约束模型并建立约束准则,用以滤除低阈值对应的密集匹配结果中的误匹配。实验结果表明,与现有方法相比,所提方法可明显提高匹配精度,从而增强目标的检测与定位性能。     

基于高阶统计特征实值阴性克隆选择算法的轴承故障检测

为解决轴承故障检测领域中异常样本数据不易收集的现实应用问题,提出一种基于实值阴性克隆选择算法(Real-valued negative clone selection,RNCS)的一类轴承故障检测模型。该模型只需要正常样本数据进行训练,利用改进的RNCS生成故障检测器集合以此实现轴承故障检测。该算法通过引入自适应变异算子和克隆成熟度判定算子,能够提高原有算法抗体的检测能力并加快算法收敛速度。为解决因高阶统计特征(Higher order statistics,HOS)信息繁多而无法有效实现智能检测的不足,模型利用HOS特征矩阵分解的奇异值谱为特征进行检测,该方法不仅有效地减少了数据维度及训练时间,同时还降低了噪声影响提高了检测性能。试验中对不同参数选择及不同正常训练样本个数情况下的检测器性能进行了分析,不同检测器个数之间的性能比较也在试验中给出。将建议的方法同原有算法进行比较,试验结果验证了设计思想的正确性和算法的高效检测性能。     

一种不同高度目标的视觉定位新算法

本文提出一种针对平面上方高度已知目标的视觉定位算法。该方法避开了复杂的摄像机参数标定过程,直接运用射影几何的基本性质实现了平面内目标的单目视觉定位。在此基础上,进一步运用成像深度的多义性实现对高度已知目标的平面坐标定位。最后进行了初步的精度分析,给出了算法应用的建议。该定位算法无需预先知道摄像机的参数,也无需对姿态进行特别的规定,可以根据实际场景来布局定位参考点,降低定位误差。实验表明其具有实现简单,精度高的特点。     

滚动轴承保持架缺陷的图像处理及模式识别方法研究

轻系列滚动轴承保持架由于兜孔直径小、两半保持架之间钉孔距离相对较大等因素导致在铆压过程中易出现变形,造成铆压歪斜缺陷。为此,本文提出了基于图像纹理特征的模式识别方法用于保持架歪斜缺陷的准确识别。首先,改进了轴承图像归一化展开算法,实现了轴承图像展开起点的自动优化选择以避免误分割保持架、铆钉和滚动体;其次,设计了轴承图像保持架区域定位分割算法,准确分离出7个保持架区域;最后,分别提取保持架区域的Hu矩和旋转不变均匀局部二值模式(LBPrPiu,2R)作为纹理特征,并结合PCA降维方法构建轴承保持架缺陷识别的SVM分类模型。结果表明,基于Hu矩和LBPrPiu2,R的SVM模型的正确识别率分别为85%和100%。因此,轴承LBPrPiu2,R特征结合SVM模型对轴承保持架歪斜缺陷具有较好的识别效果。该方法有望为滚动球轴承保持架铆压工艺缺陷的自动识别提供参考。