2019年, 第18卷, 第1期　刊出日期：2019-02-05

  

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综述与动态
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  无人水面艇海洋调查国内应用进展与展望

  董超, 刘蔚, 李雪, 陈焱琨

  导航与控制. 2019, 18(1): 1-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.001

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  针对浅水区、污染区、极地等复杂海洋环境,传统海洋调查手段劳动强度高、安全风险大、作业效率低。无人水面艇具备无人、高效等特点,非常适合在上述复杂海洋环境中作业,并于近年来在海洋调查领域中得到了快速发展与广泛应用。从海洋调查领域中无人水面艇的优势、国内外典型的无人水面艇和应用案例入手,深入分析了我国无人水面艇海洋调查的现状,并对未来的技术发展方向进行了展望。实践表明,应用无人水面艇进行海底地形地貌调查的技术已基本成熟,水深数据质量和自主导航精度均可满足规范要求。在未来,须将无人水面艇的应用进一步扩展至物理海洋、海洋生物、海洋化学等专业领域,并加快研制基于可再生能源的长航程无人水面艇,以开展全球性海洋调查。
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  智能空战体系下无人协同作战发展现状及关键技术

  黄汉桥, 白俊强, 周欢, 程昊宇, 常晓飞

  导航与控制. 2019, 18(1): 10-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.002

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  在未来复杂的战场环境下,运用多架无人机在飞行空间内构成相互协作、优势互补及效能倍增的协同作战系统,是取得智能空战胜利的关键所在。首先阐述了无人系统的定义,并分析了其内涵和分类,指出智能化是无人系统未来的发展方向,根据自主完成任务的能力进行了分级。随后引出了典型的协同作战样式,阐述了国内外协同作战发展的现状。从协同态势感知技术、交互与信息作战云技术、智能决策技术、自主攻击技术、集群协同技术及学习与进化技术等分析了制约协同作战水准的关键技术。
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  无人水面艇自主导航技术

  胡常青, 朱玮, 何远清, 文龙贻彬, 杨义勇

  导航与控制. 2019, 18(1): 19-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.003

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  作为无人水面艇的关键技术之一,自主导航技术决定着无人水面艇自主航行能力的高低。结合无人水面艇在实际航行和作业过程中自主导航所面临的问题,对无人水面艇组合导航及完好性监测技术、协同导航技术、路径规划技术和环境感知技术目前的现状、不足和发展趋势进行了总结和分析。为了更加精确、可靠地进行安全导航定位,即插即用全源导航是无人水面艇可采用的一种导航方式,并在此基础上开展了组合导航完好性监测工作。多目标规划综合最优及基于分层策略的自适应路径规划方法是解决动态时变环境下路径规划问题的有效途径。深度学习、数据挖掘、信息融合等人工智能技术将在提高环境感知信息的本质特征表述、充分挖掘多元异构数据间的有效信息,以及构建信息全面、立体、可靠的三维环境模型方面发挥主导性作用。
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  二维图像拼接技术研究综述

  盛明伟, 唐松奇, 万磊, 秦洪德

  导航与控制. 2019, 18(1): 27-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.004

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  图像拼接是指将具有重叠区域的小视角、低分辨率的多张图像,经过相应的图像配准与融合算法,拼接成一张具有高分辨率、宽视角的全景图像。针对二维图像拼接方法,综述了将二维图像拼接技术应用于图像处理领域的最新研究进展,重点介绍和总结了图像配准方法和图像融合方法。其中,图像配准方法涵盖了基于SIFT、SURF和Harris点特征的提取方法。分析了各种算法的主要进展、典型算法的原理和优缺点以及国内外研究发展现状。最后,通过各种方法研究与应用情况推测,展望了未来图像拼接技术的发展趋势。
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  海空重力仪的技术现状及新应用

  修睿, 郭刚, 薛正兵, 李东明, 李海兵

  导航与控制. 2019, 18(1): 35-43. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.005

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  海洋/航空重力测量是基于移动平台的动态相对重力测量,是指用有人测量船或飞机搭载重力仪或加速度计,来测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法。介绍了重力仪的应用领域,针对移动海洋/航空重力仪、海空重力仪车载试验,综合阐述了其国外、国内发展现状,指出了无人重力测量技术和深远海动态重力测量技术亟待解决的问题,分析了我国在海空重力测量领域中的发展方向。
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  无人水面艇自适应路径跟踪算法

  朱骋, 庄佳园, 张磊, 许建辉, 苏玉民

  导航与控制. 2019, 18(1): 44-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.006

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  路径跟踪作为无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle, USV)控制系统中必不可少的底层模块,受到国内外无人水面艇研究人员的普遍关注。为了提高无人水面艇路径跟踪的准确性和自适应性,提出了一种基于Mamdani模型的自适应模糊LOS控制策略(Mamdani Based on Line-of-Sight,MLOS)。相比传统LOS控制策略,该算法通过模糊控制修正LOS控制参数,削减了速度与LOS制导律之间的耦合,确保了路线跟踪的完成度,并且避免了传统LOS各项参数固定、不能实时调整而导致的船舶操纵性无法被充分利用的缺点。基于欠驱动水面滑行艇数学模型,通过理论分析和仿真试验证明了该算法的优越性和有效性。
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  基于改进烟花-蚁群算法的海流环境下水下无人潜航器的避障路径规划

  马焱, 肖玉杰, 陈轶, 闫泓衫

  导航与控制. 2019, 18(1): 51-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.007

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  针对有海流和障碍物影响的环境中的水下无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)的二维自主路径规划问题,应用改进烟花-蚁群混合算法进行了求解。首先,建立了含有随机分布障碍物的二维Lamb涡流海流环境模型,将圆形障碍物等效为方形栅格。其次,综合考虑能量消耗代价、航行时间代价、航行距离代价等优化目标,建立了路径规划数学模型。最后,应用改进烟花-蚁群混合算法对该非线性优化问题进行了求解,并进行了仿真实验。实验结果表明,该算法能够快速寻找到全局最优解,为水下无人潜航器的自主路径规划提供了一个新途径。
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  基于分布式反集群算法的无人水面艇区域覆盖方法

  李亚南, 黄海滨, 庄宇飞, 蔡春伟

  导航与控制. 2019, 18(1): 60-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.008

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  海上无人系统覆盖问题可广泛应用于搜索营救、区域侦察观测、信息采集等任务,针对无人水面艇对海面区域进行区域覆盖的问题,采用模仿独居动物社会行为的分布式反集群算法,使得无人水面艇系统能够通过自组织行为实现良好的动态覆盖性能,因此使其具有更高的可扩展性及环境适应性。首先建立个体的包含覆盖历史的信息图,其次进行反集群算法的避障、去中心化及自私这3个基本属性的数学公式描述,然后计算每个个体在每一时刻的最大化收益方向,使得每个个体能够最大化累计覆盖面积及最小化个体之间的重叠覆盖部分。仿真结果表明,基于覆盖历史及个体局部通信交互,能够实现避障功能,并且可以达到100%的覆盖率,同时可尽量减少重叠覆盖。
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  一种改进的四旋翼飞行器建模方法

  刘士超, 吕品, 赖际舟, 包胜

  导航与控制. 2019, 18(1): 68-75. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.009

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  四旋翼飞行器的高精度动力学建模对于飞行控制性能的提升具有重要意义。传统的动力学模型是基于单个旋翼的力、力矩特性推导的,忽略了飞行器的整体动力学特征。考虑到四旋翼飞行器在机动情况下的整体动力学特点,对传统动力学模型进行了改进,在阻力模型中增加了角加速度相关项,在扭矩模型中增加了阻力相关项,在横滚与俯仰力矩模型中增加了切向力相关项,从而提高了模型的精度。通过四旋翼飞行器飞行试验对模型精度进行了验证,结果表明改进的动力学模型相较于传统模型具有更高的精度,对于飞行器的准确建模具有较好的参考意义
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  基于改进人工势场法的无人机避让航迹规划

  杨萌, 王玥

  导航与控制. 2019, 18(1): 76-83. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.010

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  随着无人机技术的不断发展,以及无人机应用领域的不断扩展,无人机与有人机在低空空域的融合运行是我国通用航空事业发展的必然趋势,而感知与规避技术是无人机与有人机间避免碰撞的重要保障。在对感知与规避技术进行详细阐述的基础上,对其关键技术问题之一的避让航迹规划进行了研究。首先,针对传统人工势场法的局部震荡问题提出了解决方案;其次,结合感知与规避实际背景,对威胁区模型进行了优化,并对无人机自身性能约束进行了建模;最后,对改进算法进行了仿真验证,阐明了其对无人机动力能源消耗、避让时间和任务执行效率等方面的影响。
图像处理
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  基于Canny的改进图像边缘检测算法

  张月圆, 曾庆化, 刘建业, 李一能, 刘昇

  导航与控制. 2019, 18(1): 84-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.011

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  边缘检测是图像处理领域中最重要的关键技术之一。针对经典边缘检测算法抗椒盐噪声性能较差及阈值选取适应性不强等问题,提出了一种基于Canny的算法架构,结合自适应中值滤波(Adaptive Median Filtering,AMF)、大津法(Otsu)以及最大熵法(Maximum Entropy Method,MEM)的改进图像边缘检测算法。该算法首先结合改进自适应中值滤波对图像降噪,从而在保留图像细节的同时较好地滤除了椒盐噪声干扰。而后利用基于Otsu和MEM提出的改进双阈值选取方法,获取自适应的高低阈值对图像边缘进行检测,边缘检测准确度可以达到96%以上。实验结果表明,本文算法在椒盐噪声干扰下针对背景复杂的图像有更好的边缘检测效果。
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  边缘图像自适应编码方法

  高异凡, 谌德荣, 宫久路

  导航与控制. 2019, 18(1): 91-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.012

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  边缘特征常被视作无人机视觉系统中的重要信息(比如在视觉导航时需用边缘特征识别障碍物),在实践中会遇到边缘图像数据量大的情况。针对边缘图像高效压缩问题,提出了边缘图像自适应编码方法。首先以边缘打包法的压缩比和边缘点所占比例为特征,建立Logistic回归模型,然后利用图像数据库对该模型进行离线训练获取模型参数,最后利用Logistic回归模型建立分类器,自适应地在边缘打包法和链码编码法中选择压缩比最高的方法对边缘图像进行压缩。对VOC2012图像数据库的测试结果表明,与常用压缩方法相比,提出的算法能提高压缩比5%左右,有效减少了数据量。
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  融合背景图像信息和多特征压缩的相关滤波跟踪算法

  谢雨霏, 杨新民, 刘晓利, 王胜红

  导航与控制. 2019, 18(1): 97-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.013

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  针对相关滤波类跟踪算法目标背景图像信息利用率较低、目标特征表达能力较弱的问题,提出了一种融合背景图像信息的多特征压缩跟踪算法。首先,在上下文感知滤波器的基础上,将背景图像信息加入位置滤波器。其次,提取颜色名(Color Name, CN)特征与梯度直方图(Histogram of Oriented Gradient, HOG)特征,使用最大响应因子及平均峰相关能量(Average Peak-to-Correlation Energy, APCE)评估跟踪结果的可信度,实现两种特征的自适应融合。最后,利用特征降维简化模型的复杂度,实现算法运行速度的提升。实验结果表明,改进后的算法在遮挡、形变、尺度变化等复杂环境下均具有较高的鲁棒性,其跟踪精度和成功率指标均优于DSST及其他主流的跟踪算法,并且仍保持了实时性。
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  一种基于张氏标定法的单目相机改进标定算法

  黄琬婷, 胡小平

  导航与控制. 2019, 18(1): 105-111. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.01.014

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  单目视觉在地面机器人等无人导航系统中的应用越来越广泛,而相机参数的标定是利用视觉进行导航的基础性工作。标定结果的好坏,直接影响导航性能和定位精度。主要考虑单目相机的径向畸变,基于张正友平面标定法,通过利用Matlab进行图像预处理、利用OpenCV进行Harris角点检测和亚像素精确化等方法在角点提取精度等方面进行了改进,通过重投影法对标定结果进行了评估,并将其与Matlab相机标定工具箱Toolbox_calib所得结果进行了比较。实验结果表明,改进的标定算法标定结果精度更高,并且对多个摄像头传感器均有效,适用性强。