CN101655361A - 基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，包括：在待测基准平台上刚性固定两台呈夹角a的摄相机，在摄相机前设置合作标志；准确标定基准平台上摄像机内外参数；应用亚像素定位方法跟踪合作标志图像，解算出对应的姿态角；将双相机的测量结果综合，高精度地给出被测基准平台的姿态信息。本发明在发挥光测图像技术精度高、非接触、成本低等优势的同时，解决了不稳定基准平台姿态高精度测量的实际问题，有着广泛的应用前景。

Description

基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法

技术领域

本发明涉及高精度获得被测基准平台姿态信息的方法。

背景技术

不稳定基准平台姿态的精密测量在军事以及民用领域都有重大意义。在军事领域，坦克、装甲战车、自行火炮等地面作战平台，军舰、征用民船、各种舰艇等海上作战平台，要具备运动间稳瞄、跟踪、射击能力和对位置的即时感知能力，这种作战样式要求作战平台具有稳定、跟踪和导航能力，即能不断测量位置的变化，准确确定当前的位置，精确保持动态姿态基准。而且，在许多军事装备上，机载合成孔径雷达的运动补偿，车载和舰载卫星通信天线的稳定，舰载雷达波束的稳定等也需要精确的平台姿态信息。在民用领域，大型轮船和豪华客车的移动电视接收、新闻采访车运动时节目实时转播等移动卫星通讯系统的关键技术同样在于天线平台的稳定和跟踪能力，如能很好的测量天线平台因载体(汽车、火车、轮船)的运动(高低速、紧急启动、停止、转弯等)产生的姿态变化，并在各种气象、环境条件下保证天线始终高精度地对准卫星，就能实现连续卫星通讯。

实际工程中，基准平台姿态精密测量的需求大量存在，目前车载光电经纬仪在准动基座下的测量误差修正问题是研究的热点之一。光电经纬仪的测量精度一般要求达到角秒量级，但是由于车载光电经纬仪在运输时基座的不稳定性而产生的系统误差就远远超过角秒量级，因此要提高光电经纬仪的测量精度必须要对基座姿态进行实时测量。

陀螺仪是传统的姿态测量设备，在飞机、舰船、导弹、空间飞行器已经得到了广泛的应用，但是常用的中等精度的陀螺仪其角度精度只有0.01°，高精度的陀螺仪造价昂贵，而且其漂移误差会随时间积累，设备体积较大，不适宜在基准平台上使用。

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统作为新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，利用GPS载波相位进行姿态测量也是GPS应用的一个重要领域。由于基准平台尺寸一般较小，可布置的基线长度也较短(如2m)，利用GPS对其进行姿态测量则要求定位精度达到mm级，而这种精度需要建立差分GPS站才能达到，从而使GPS技术在基准平台姿态测量上的应用受到很大限制。

最近国外研制的接触式传感器测量平台姿态的设备，需要在平台上布置几十个传感器，安装复杂，造价高，实用价值和推广价值都不高。

利用光测方法测量姿态，是一种原理上可行、经济上实惠的手段，然而这种方法不能解决高精度的姿态测量问题。而摄像测量方法理论成熟，测量精度高，能客服传统方法的不足，可以满足不稳定基准平台姿态的精密测量要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有姿态测量技术中存在的缺陷，结合摄像测量方法，提出一种基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，它将摄像测量运用于对被测基准平台姿态的测量中，系统数字化程度高，可满足军事和民用领域中对基准平台姿态进行高精度、非接触、实时测量的需要，从而大大提高不稳定基准平台的姿态测量水平。

本发明采取的技术方案是，所述基于双相机的不稳定基准平台姿态摄像测量方法包括步骤：

a.在基准平台上刚性固定有两台呈夹角a(0°＜a＜180°)设置的摄像机；且在摄像机前方分别固定有对应的合作标志，该合作标志在测量时始终在相机的视场内并且相对地面保持静止不动；

b.准确标定摄像机的内外参数。

c.摄相机对合作标志进行摄像测量，利用亚像素图像定位方法进行图像处理，跟踪所得图像中合作标志点的位置变化；

d.把图像标志点的位置变化转换成摄像机的偏转角，即得出固定放置了该摄像机的被测基准平台的姿态信息。

所述b步骤所述内外参数中内部参数是指摄像机本身的特性，包括光心和等效焦距；外部参数是摄像机坐标系与世界坐标系间的相对位置、姿态关系，包括平移向量、旋转矩阵和旋转角。

根据实施例的优选方案，为了便于实现后处理的数字化、自动化，摄像机采用数字摄像装置(摄像机)。

同时，合作标志P可以是圆形，也可以是对角形，或十字丝或其它易于识别的形状。如果用于夜间作业，合作标志P可采用发光光源制作。

本发明的工作原理为：所述基于双相机的不稳定基准平台姿态摄像测量方法首先需在基准平台上刚性固定有两台呈夹角设置的摄像机，以保证测量过程中摄像机与平台不发生相对运动；分别在摄像机前方固定合作标志，该合作标志在测量时始终在相机的视场内并且相对地面保持静止不动；再准确标定摄像机的内外参数，包括摄像机的光心、等效焦距与像机坐标系与世界坐标系间转换的平移向量、旋转角、旋转矩阵；摄相机对合作标志进行摄像测量，将测量数据与摄像机的内外参数相结合，利用亚像素图像定位技术进行图像处理，跟踪所得图像中合作标志点的位置变化；再将图像标志点的位置变化转换成摄像机的偏转角。同时由于相机和平台之间是固定连接，所以相机的运动即为平台的运动，如此便最终得到被测基准平台的姿态信息。

所述亚像素图像定位技术可以是以下已有亚像素定位技术之一：

1、使用自适应模板相关滤波法：制作参数可以调整的模板，对每个粗定位点，首先确定应选模板的参数，选择最合适的模板，用所选模板对粗定位点及其邻域点进行相关运算，用所得相关系数拟合曲面，确定最大相关位置；

2、自适应阈值重心法：对于有些目标，可以通过多种图像处理的方法提取具有一定面积的目标区域，并考虑到目标的灰度分布特征，采用灰度重心法，在目标区域内以灰度为权值求出目标区域的灰度重心作为目标位置，同时采用带自适应阈值的高斯分布模板对特征目标进行跟踪定位。

3、灰度图拟合法：对于有些目标，还可直接根据目标图像的特征，选用合适的解析曲面，对灰度图进行曲面拟合，再求出解析曲面的极值位置，从而实现目标的亚像素精度定位。

综上所述，本发明为一种基于双相机的不稳定基准平台姿态摄像测量方法，属于精密光学测量方法，系统数字化程度高，可满足军事和民用领域中对平台维姿态进行高精度、非接触、实时测量的需要。

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

附图说明

图1本发明所述基于双相机的不稳定基准平台姿态摄像测量方法的原理示意图；

图2平移运动像位置变化关系图；

图3旋转运动像位置变化关系图；

图4为实施例中合作标志的样式举例图，其中(a)为圆形，(b)为十字丝，(c)为对顶角。

具体实施方式

参见图1，本发明所述不稳定基准平台姿态的摄像测量方法的步骤详细描述如下：

a.建立平台右手坐标系，其中原点为转动平台的中心，x轴为正北方向。在平台上分别沿x轴和z轴方向安装像机C₁和C₂，两台像机光轴通过平台原点。两相机分别拍摄固定于地面的合作标志，通过对相机中合作标志成像的位置变化进行处理，就可以测量出摄像机姿态变化，由于相机和平台之间是固定连接，所以相机的运动即为平台的运动，即像机C₁可以测量出ω角和

角，像机C₂可以测量出κ角和角。综合两相机的所测量的角度可以得出平台姿态角κ、

ω。

b.以相机C₁测量平台俯仰角ω为例详细说明相机测角原理。由刚体运动学理论可知，相机随平台的运动可分解为平移运动和旋转运动，即相机保持光轴方向不变沿y轴做平移运动，之后其光轴在xoy平面内旋转ω角。下面通过分解相机的运动即先平移后旋转，推导ω角。

如图2所示，相机做平移运动，即相机由初始位置C₁ ⁰竖直向上平移到C₂ ⁰，其光轴方向保持不变。L为平移前相机光心到原点O的距离，P为标志点，f为相机焦距，p₀、p′_t分别为相机平移前后像点，y₀为像点p₀到相机光轴的距离，H为标志点P到光轴的距离，D为标志点在光轴上的投影与相机的光心的距离，δ_c1为相机竖直平移的距离，由三角几何关系可得：

δ_c1＝Ltanω         式1

y₀/f＝H/D            式2

相机平移后像点p′_t到相机光轴的距离为y′_t，则：

y′_t/f＝(H-σ_c1)/D    式3

如图3所示，相机做平移运动后，其光轴在竖直平面内旋转ω角，其中p_t为实际像点。

由三角几何关系，结合式1、式2、式3可得：

$y_t^{\′}=y_0-\frac{f}{D}L\tan \mathrm{\ω}$ 式4

y_t＝y′_t-ftanω   式5

由式4、式5两式相减得：

$\tan \mathrm{\ω}=-\frac{y_t-y_0}{\frac{f}{D}L+f}=-\frac{y_t-y_0}{f(1+\frac{L}{D})}$ 式6

即：

$\mathrm{\ω}={\tan }^{-1}(-\frac{y_t-y_0}{f(1+\frac{L}{D})})$ 式7

对于双合作标志物系统即每台相机前面安装两个合作标志物，有关系式：

$\mathrm{\ω}={\tan }^{-1}(-\frac{y_t-y_0}{f(1+\frac{L}{D})})={\tan }^{-1}(-\frac{\mathrm{\Δy}}{f(1+\frac{L}{D})})$ 式8

因为：

$\frac{{\mathrm{\Δy}}_1}{f(1+\frac{L}{D_1})}=\frac{\mathrm{\Δ}{y}_2}{f(1+\frac{L}{D2})}$ 式9

所以：

$L=\frac{D_1{D}_2(\mathrm{\Δ}{y}_1-\mathrm{\Δ}{y}_2)}{D_2\mathrm{\Δ}{y}_2-D_1\mathrm{\Δ}{y}_1}$ 式10

由式8和式10，进一步得：

$\mathrm{\ω}={\tan }^{-1}(-\frac{\mathrm{\Δ}{y}_1}{f(1+\frac{D_2(\mathrm{\Δ}{y}_1-\mathrm{\Δ}{y}_2)}{D_2\mathrm{\Δ}{y}_2-D_1\mathrm{\Δ}{y}_1})})$ 式11

摄像装置的选择与安装：数字摄像装置速度快、存储方便，易于实现后处理的数字化、自动化，因此采用数字摄像装置(摄像机)比模拟摄像装置更合适。

合作标志P可以是圆形，也可以是对角形，或十字丝等，如图4所示，或其它易于识别的形状。如果用于夜间作业，合作标志P可采用发光光源制作。

处理器选择设计方案：在平台姿态测量中，可以采用PC计算机或DSP处理器，作为图像存储、数据处理设备。由于DSP处理器速度快、操作简便，因此更适合用在实际装置中。在摄像装置选定，可以根据摄像装置的接口方案设计DSP处理器。

在被测基准平台上安装摄像机，可以利用陀螺仪、倾角仪等少量设备测量出相机与平台坐标系坐标轴夹角。

Claims (6)

1、一种基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，其特征是，包括步骤：

a.在基准平台上刚性固定有两台呈夹角a设置的摄像机；且在摄像机前方分别固定有对应的合作标志，该合作标志在测量时始终在相机的视场内并且相对地面保持静止不动，其中0°＜a＜180°；

b.准确标定摄摄像机的内外参数；

c.摄相机对合作标志进行摄像测量，利用亚像素图像定位方法进行图像处理，跟踪所得图像中合作标志点的位置变化；

d.把图像标志点的位置变化转换成摄像机的偏转角，即得出固定放置了该摄像机的被测基准平台的姿态信息。

2、根据权利要求1所述基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，其特征是，所述b步骤所述内外参数中，内部参数包括摄像机的光心和等效焦距；外部参数是包括摄像机的平移向量、旋转矩阵和旋转角。

3、根据权利要求1所述基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，其特征是，所述合作标志为圆形、十字丝或对顶角形状中任意一种。

4、根据权利要求1所述基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，其特征是，所述合作标志采用发光光源制作。

5、根据权利要求1所述基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，其特征是，所述亚像素图像定位方法可采用自适应模板相关滤波法、自适应阈值重心法、灰度图拟合法中任意一种。

6、根据权利要求1-5之一所述基于双相机的不稳定基准平台姿态测量方法，其特征是，摄相机采用数字摄像装置。

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