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。     

应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,该系统解决了面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾,能够实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,并经空间解算,确定被测物体的姿态角.该系统着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定.图像采样率为1 316帧/s时,姿态测量精度为1′.测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度的实时测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点.     

基于线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,它克服了采用面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾。该系统分别实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,经空间解算,确定被测物体的姿态角。着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置及呼应,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定。测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度、实时的测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点。     

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.     

光电经纬仪单站空间余弦及多站面面交汇的飞机姿态测量

本文对光电经纬仪测量飞机姿态的方法进行研究。首先介绍单站经纬仪在有距离信息时测量飞机姿态的方法,采用穷举的方法,获得飞机轴线上的特征点,利用空间的位置关系获得空间姿态参数。然后介绍多站经纬仪利用面面交汇的方法获得飞机飞行姿态;首先对二维平面图像采用Hough变换拟合算法获得目标中轴线,然后计算原点到目标的中轴线的垂直距离及原点到目标的中轴线的法线与X轴的夹角,获得目标在二维平面的直线方程,目标图像的二维中轴线与摄影系统的光学中心唯一确定了一个空间平面;采用面面交汇的方法,获得空间中轴线,可以得到飞机轴线的偏航角及俯仰角。实验结果表明,两种计算方法的结果误差偏航角为0.28%,俯仰角为1.1%。本文采用的数学模型正确、算法合理,有效的提取了飞机的姿态参数。     

空间目标姿态角测量计算方法研究

新型武器在靶场试验鉴定时,除了测量其空间X、Y、Z坐标外,还新增加测量其空间偏航角、俯仰角等姿态信息,这也对靶场试验数据处理提出了新要求.本文以靶场普遍使用的经纬仪为测量设备,提出了一种新的算法.该计算方法通过平面坐标系与三维坐标系转换、观察坐标系与世界坐标系转换,利用三维透视投影变换理论,推导出相应计算公式,并给出了单站计算目标姿态角的精度分析.该方法可以普遍应用于光学成像测量设备和电子成像测量设备的姿态角数据处理中,具有一定的独创性和先进性.     

基于自适应算法的单目视觉系统的姿态解算

提出了自适应总体最小二乘算法,以进一步提高单摄像机视觉测量系统光学特征点的姿态解算精度,研究并对比了常用的总体最小二乘算法及自适应总体最小二乘算法在测量系统中的应用。首先,根据空间几何位置关系构建光学特征点、像点及摄像机位置的系统坐标系及三维空间模型,并建立关于光学特征点及像点的矩阵方程。然后,应用常用的总体最小二乘法及自适应总体最小二乘法进行优化求解。最后,基于优化的总体最小二乘解确定光学特征点相对世界坐标系的姿态。应用三坐标测量机进行仿真对比实验,结果表明:常用的总体最小二乘算法得出的姿态坐标的标准差为0.055 7mm,自适应总体最小二乘算法得出的姿态坐标的标准差为0.041 4mm。相比之下,自适应总体最小二乘算法有更高的收敛速度及收敛精度,且解算速度优于常用总体最小二乘算法,满足单目视觉测量系统的稳定、可靠和精度高等要求。     

非合作航天器的立体视觉位姿测量

针对在轨服务中非合作航天器相对位姿测量的关键任务,提出了一种双目立体视觉方法。该方法利用两台大视场可见光相机获取高分辨率图像,用双边滤波方法对图像进行预处理,接着利用弧线段拟合法提取目标表面的对接环椭圆,用Hough变换法提取目标的矩形边框特征,并引入极线约束准则、对接环尺寸约束和光流跟踪的方法,提高算法的提取精度和效率。利用立体视觉构建非合作目标的对接环平面和边框角点,建立目标坐标系,解算与世界坐标系之间的位姿关系。暗室环境下的实验结果表明,双目相机系统逼近(12.0~2.0 m)实验中,相对位置精度优于1.0 cm,相对姿态精度优于0.41°;目标姿态转动实验中,相对位置精度优于1.3 cm,相对姿态精度优于0.88°,位姿解算精度较高,可以为追踪航天器提供连续的位姿导航信息。     

采用多站图像直线特征的飞机姿态估计

在角平分线方向向量法基础上提出了一种新的基于直线特征的飞机姿态多站测量方法.首先,用角平分线方法计算飞机的中轴线及其共面垂线的方向向量,由此得到飞机参考系到经纬仪摄像机参考系的旋转矩阵.然后,提取所有测站经纬仪图像上机翼边缘的直线特征,联合经纬仪俯仰方位角等参数,推导出直线特征的目标空间共面总误差函数,并使用改进的正交迭代方法优化旋转矩阵使总误差最小.最后,分解优化后的旋转矩阵得到飞机的姿态值.仿真实验得到的四站测量精度为0.17°,图像处理速度为32 frame/s,比角平分线法有了大幅的提高,另外,算法处理速度能达到实时.这些结果证明了文中方法的有效性和优越性.     

基于星载光电成像跟踪测距的空间目标定轨

以获得空间未知目标的轨迹运动信息为目的,研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。该技术从测量学角度出发,利用星载光学测量系统获得目标的相对运动信息,利用角度传感测量系统获得卫星的姿态角变化和跟踪架的角随动信息,最后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系中的绝对运动信息。文中依次从物理模型、坐标体系、基本原理等方面对该项技术进行了描述和推导,获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程。最后,在对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型进行分析后,建立了具体的数学模型,并对计算结果进行了分析讨论。得到的结果显示理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5km。     

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。     

分块非线性加权在车灯检测仪校准器光轴角测量中的应用

针对传统光轴角测量系统中人为因素干扰导致的重复性能降低等不足,设计一种基于图像处理技术与高精度电控转台相结合的自动测量方案。分析了照明光斑光强分布特性,提出了一种基于图像区域分割的最优非线性加权的特征点提取算法。该方法根据光强与灰度的线性关系,将光强量化到3个区间。然后分析灰度因素在特征点定位中的影响;针对不同区间应用局部最优加权法则以实现局部最优化处理。最后,利用光轴偏转角与特征点在像面上位移的对应关系,计算得到光轴角测量值。开展了光斑特征点重复性实验并分析了光轴角检测精度,结果表明:该系统在不同光强、不同角度条件下重复性好,测角精度优于60.18″。与激光光源的光轴角测量实验对比,该算法在光斑光强分布不均的条件下仍能完成稳定且精确的光轴角测量。     

Verticality detection algorithm based on local image sharpness criterion

In the high precision image measurement system,the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object can bring error of the measurement result.The high demand of the system’s vertical degree is raised by measure system due to the demands of high precision and disposable full field imaging in the micro-parts imaging measurement.The existing method of optical axis verticality detection cannot meet the demand all.In order to achieve the high-precision adjustment of the system optical axis,the algorithm of detecting verticality based on regional image definition is proposed.First,the objected standard image is divided into fixed area.Then,the object plane is moved from the downside to the upside of the focus plane,meanwhile,recording the definition function values of each standard image region at each step,and fitting out the clearest positions of the regions.Finally,according to the inter-regional relations between the locations and the height difference of the each regional clearest position,the small angle between the optical axis and the measured surface can be calculated.The experiment is based on the given image of lithography template with the scale of 10 μm as move unit,and the results show that this method effective reduced the small angle between the system optical axis and the measured body in high-precision image measuring system,the evaluation accuracy is less than 0.1°,meeting the requirements in high-precision measurement.The proposed method of detecting verticality based on regional image definition can evaluate the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object accurately,effectively and conveniently.     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

合像水平仪对导轨直线度误差的测量

合像水平仪是一种测量小角度的精密量仪,主要用来测量平面对水平面或竖直面的位置偏差,是机械设备安装、调试和精度检验的常用量仪之一。主要介绍了合像水平仪的测量原理,阐述了其对导轨直线度误差的测量方法及用图解法对测量数据的处理方法。该测量方法可应用于实际生产且简便易行,具有较强的推广应用价值。     

Microscopic vision based on the adaptive positioning of the camera coordinate frame

Microscopic vision measurement precision has been largely limited by inaccurately calibrated model parameters, because image plane is near parallel to reference plane in the narrow depth of field. This article proposes a method of precise microscopic vision measurement based on the adaptive positioning of the camera coordinate frame. The microscopic vision measurement movably attaches the origin of the camera coordinate frame along the optical axis. By finding the optimal position, the nonlinearity of the objective function in calibration optimization is decreased and the optimization sensitivity to initial values is reduced. Therefore, we obtain a high calibration precision and eventually ensure a high measurement precision. Mathematical simulations illustrate that the calibration precision of the proposed microscopic vision measurement model is higher than that of the conventional vision measurement model. The experiment shows that with magnification of 3.024×, the presented system achieves a precision of 0.12% based on the proposed microscopic vision measurement model, which is two times higher than the one based on the conventional vision measurement model. Microsc. Res. Tech. 75:1281–1291, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.     

弹落点坐标测量系统的快速校准方法及精度分析

针对弹落点坐标测量系统的使用环境及精度要求,提出了一种仅对焦距及光轴水平偏角进行现场校准的相机参数快速获取方法。通过分析坐标解算模型,得出线性的校准方程,利用测量区域内两个坐标已知点(靶标),多个视觉传感器可一次完成校准。通过精度分析给出了该方法下最优的靶标摆放位置。该方法具有校准速度快,精度较高,实用和算法性能分析容易等优点,适用于远距离、大范围视觉坐标测量中相机参数的获取,尤其是野外坐标测量。实际应用中, 在1 200 m外对直径400 m靶区进行监测时,该方法可保证区内各点的坐标测量误差均小于0.3 m。     

凝视模式下的画幅相机两轴像移补偿

通过斜视画幅相机的几何模型,选择载机相关坐标系,建立了计算目标航迹速度到像面坐标系下像移速度的数学模型。通过坐标变换将航迹速度(目标在航迹坐标系下的速度)转换至机体坐标系下的速度矢量,最终至补偿坐标系下的运动矢量;计算视轴长度,得到了扫描镜补偿角速度。最后,阐述了像面旋转机构在像移补偿中的作用,并给出了具体位置角计算公式。提出的采用扫描镜和像面旋转机构相结合的方案实现了凝视工作模式下的画幅相机像移补偿,利用坐标变换计算出的相应量,可为将来画幅相机在该模式下的像移补偿工程应用提供必要的参考。     

面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位

提出了面向特大型齿轮的激光跟踪多站位定位测量方法以提高特大型齿轮激光跟踪在位测量系统的齿轮定位精度并精确确定测量仪器与被测齿轮位置与姿态的关系。根据激光跟踪仪多站位测量提供的冗余数据优化求解空间两点间共线方程,建立了特大型齿轮激光跟踪多站位测量模型。然后,提出了利用奇异值分解修正多站位测量模型解析矩阵条件数的方法。 实验结果表明,使用多站位测量模型求得的不同站位待测点间距离的标准差的均值为0.008 mm,明显小于直接在不同站位下测量的标准差均值0.024 mm,表明多站位测量模型具有良好精度控制效果。本文的研究提高了齿轮定位时所需测量点的三维测量精度,为特大型齿轮激光跟踪多站位测量系统建立齿轮坐标模型提供了可靠的数据来源。