飞机三维姿态测量的角平分线方向向量法

基于交会测量提出了一种飞机三维姿态测量的新方法—角平分线方向向量法。对交会图像进行边缘检测和特征线提取,获得飞机两机翼边缘特征线上适当两点的坐标,经两次坐标转换到特定坐标系下;联合经纬仪参数及跟踪的俯仰、方位角,解算机翼边缘特征线在特定坐标系下的方向向量,利用飞机结构的对称性,在机翼特征线平面求解其两条角平分线方向向量;重构飞机中轴线及其同面垂线的方向向量;据此计算出飞机的俯仰、偏航和滚动三维姿态。利用两台光电经纬仪交会跟踪飞机的眼镜蛇机动飞行表明提出的方法稳定、实用,只要图像上机翼边缘线成像清晰,测量的姿态角误差不会超过1°。此方法不仅可为靶场光测设备跟踪图像的处理提供一种新途径,而且可为其他运动目标的姿态测量提供借鉴。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。     

基于构建最优函数提高飞机姿态测量精度

提出了基于构建最优函数来提高飞机姿态测量精度的方法.首先,利用模板匹配法获得飞机在两个测站投影的同名特征点,在发射坐标系下采用交会获得飞机同名特征点的坐标值,根据飞机在空间的特征三角形解算飞机姿态的初值.然后,建立飞机体坐标系;利用成像的共线方程,重新计算空间特征点对应的像点坐标;以重投影结果与实际像点之间的偏差最小作为优化目标函数.最后,通过迭代提高目标姿态解的精度.实验结果表明,飞机轴向成像在大于500pixel时,姿态角测量误差小于0.1°.与中轴线法及飞机角平分线方向向量法测量精度比对,本文提出的方法采用的数学模型正确、算法合理,有效地提高了飞机姿态的测量精度.     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

基于单次成像的三维形貌拼接技术

针对大型物体的三维形貌测量,研究基于辅助靶标的三维形貌拼接技术,并在此基础上提出单摄像机单次成像求解转换矩阵的方法.该方法通过单摄像机单次成像,结合控制点的边长约束,求解出全局坐标系同局部测量坐标系的转换关系,进而将局部测量数据统一到全局坐标系下,实现拼接.此方法避免采用单摄像机多摄站测量时带来的繁琐操作以及产生的相关问题,大大提高拼接的速度,并且可以保证较高的精度.     

全站仪在设备标校中的应用

利用全站仪高精度距离和角度测量功能，可以确定某设备的三维姿态测量端量同连坐标系和测量坐标系之间的转换关系．给出了标校原理和具体操作方法。     

基于视觉与激光准直的激光跟踪姿态角测量方法

针对大型装备建造、航空航天、汽车等领域对姿态测量技术的需求,提出一种以激光跟踪设备为基站,视觉测量与激光准直技术相结合的姿态测量方法。首先对测量模型中涉及的坐标系进行了定义,其次建立了激光跟踪设备坐标系与视觉坐标系之间的转换关系,通过视觉测量中纵向投影比不变的约束实现横滚角的测量,在上述基础上,基于光束向量唯一性约束和激光准直传感原理实现方位角和俯仰角的测量。最后在实验室环境下搭建了姿态测量验证实验平台,将靶标装载在三自由度摇摆台上,利用六轴绝对关节臂姿态角测量值作为基准进行比对,实验证明,在测量距离为2.5 m处,姿态角测量范围为-20°～20°时,姿态角测量误差绝对值可控制在2°内。     

基于多点合作目标的多线阵CCD空间物体姿态测量

为了精确测量悬浮试验场内姿态快速变换的空间物体的姿态角参数,提出了一种采用3个线阵CCD相机同时测量多个点合作目标的姿态测量方法,以解决传统的线阵CCD姿态测量系统中相机位置间的约束条件过多造成的非线性系统误差及校准参数多的问题.该方法采用柱面透镜和线阵CCD组成的3个一维相机,对被测物体上的多个点合作目标同时进行测量;并针对测量原理对姿态角限制的问题,采用模拟计算的方法进行姿态角测量范围的计算.由神经网络校准线阵CCD相机,直接给出点合作目标的空间三维坐标,并通过建立基于Rodrigues参数姿态解算模型求解被测物体的姿态角.实验结果表明,本文方法得到的空间点位置测量精度及空间姿态解算精度高于原线阵CCD姿态测量方法,验证了该姿态测量方法进行姿态测量的可行性和有效性.     

基于一维靶标的多摄像机现场全局校准

基于一维靶标特征点共线的特点,提出一种多摄像机全局校准方法.以其中一个摄像机坐标系为基础,建立全局坐标系,称该摄像机为基础摄像机.在基础摄像机与待校准摄相机前将一维靶标无约束摆放至少两次.计算每个摆放位置一维靶标所在空间直线在图像中的消影点.结合一维靶标点共线的特点,分别求解全部一维靶标点在两个摄像机坐标系下三维坐标.通过两个摄像机坐标系下一维靶标对应特征点的三维坐标求解待校准摄像机坐标系到基础摄像机坐标系的转换矩阵,采用非线性优化方法求解转换矩阵的最优解.当摄像机多于两个时,通过两两摄像机校准的方式完成多摄像机全局校准.该方法不需要高精度外部辅助设备、简单灵活、实用性强.试验证明该方法灵活方便,切实可行.     

特大型齿轮激光跟踪在位测量原理及关键技术

为了实现特大型齿轮精密测量,介绍了作者提出的特大型齿轮激光跟踪在位测量原理,重点阐述了其中的几项关键技术.特大型齿轮激光跟踪在位测量系统整合了激光跟踪仪的大尺寸测量能力和三坐标测量机的高精度,采用激光跟踪仪建立齿轮工件坐标系和三维测量平台坐标系,通过激光跟踪仪坐标系将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来,并建立了相应坐标系的拟合模型及算法.同时,建立了三维测量平台的姿态调整模型,通过姿态调整机构完成了三维测量平台的姿态调整,进而确保三维测量平台与齿轮轴线的位置关系满足要求.最后,给出了该在位测量系统的实测结果.实验结果表明:特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行,满足6级以下特大型齿轮的精密测量.