CN103075994B - 一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法，测量步骤包括：步骤S1：根据传统的测量横滚角的螺旋线方法得到回转体目标图像中心线对应的角度；步骤S2：在回转体目标图像中心线上确定一点，解算出方位角和俯仰角，得到所述点与摄像机原点的连线的方向矢量；步骤S3：运用余弦矩阵建立不考虑横滚角作用的载体坐标系，并将步骤S2得到的方向矢量投影到载体坐标系中，得到方向矢量所对应的投影矢量；步骤S4：在载体坐标系中计算回转体目标中心线与螺旋线起始母线所成平面的投影矢量，并计算所述平面与步骤S3得到投影矢量的夹角；步骤S5：计算步骤S1中回转体目标图像中心线所对应的角度与步骤S4所述夹角角度的差值。

Description

一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法

技术领域

本发明涉及数字图像处理、摄影测量学和计算机视觉等领域，尤其涉及一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法。

背景技术

在军事、航天等领域，空间运动目标三维姿态是反映其飞行状态的重要技术指标，获得这些指标对于分析和评价空间目标运动特性，以及进一步优化系统设计具有重要意义。关于目标的俯仰角和偏航角的姿态测量，已经有很多的方法可以解算，但关于目标的横滚角的测量却很少讨论，而它对于诸如导弹、火箭这类空间目标的姿态参数又极为重要。在横滚角测量中，有使用光测设备交会测量的方法计算横滚角，但此方法测量的是横滚角的相对量，而且目标运动的任意两个相邻状态间的时间间隔t必须小于0.002s；也有利用PNP的方法测量横滚角，但此方法对于图像上的选点，要求精度很高，而且也不易选取。所以常常选用螺旋线法来测量横滚角，其定义为：中轴线与投影方向线所成的平面和中轴线与螺旋线起始母线所成的平面之间的夹角。

传统的测量横滚角的螺旋线方法虽然物理意义明确，且能够求取横滚角的绝对量，但是随着目标俯仰角的改变，投影方向线也随之变化，这就导致当目标只有俯仰角变化，而没有发生旋转时，计算出来的横滚角却发生了改变。由于在实际测量中目标的投影方向线不容易求取，而投影方向线又是计算横滚角的关键，所以如果无法准确的找出投影方向线的位置，那么就会使螺旋线法失去意义。但相对而言，目标的中心线则相对容易得到，因此如果能够建立投影方向线和中心线之间的关系，则可充分发挥螺旋线法求横滚角的优势。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供了一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的新的测量方法，使其可以有效的解决由于投影方向线和回转体图像的中心线不一致带来的横滚角误差这一问题，进一步的提高横滚角解算的准确度。

本发明所采用的技术方案是，所述基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法的实施步骤为：

步骤S1：根据传统的测量横滚角的螺旋线方法得到回转体目标图像中心线对应的角度；

步骤S2：在回转体目标图像中心线上确定一点，解算出方位角和俯仰角，得到所述点与摄像机原点的连线的方向矢量；

步骤S3：运用余弦矩阵建立不考虑横滚角作用的载体坐标系，并将步骤S2得到的方向矢量投影到载体坐标系中，得到方向矢量所对应的投影矢量；

步骤S4：在载体坐标系中计算回转体目标中心线与螺旋线起始母线所成平面在ZOX平面上的投影矢量K₂与方向矢量投影到载体坐标系平面ZOX上的投影矢量K₁之间的夹角；

步骤S5：计算步骤S1中回转体目标图像中心线所对应的角度与步骤S4所述夹角角度的差值。

优选实施例，对于回转体目标运动的每个时刻，目标中心线和螺旋线起始母线所成平面都是一致的，因此横滚角的测量误差为：在平面ZOX上两个投影矢量K₁和K₂之间的夹角。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法，由于在实际测量中目标的投影方向线不容易求取，而投影方向线又是计算横滚角的关键，但相对而言，目标的中心线却相对容易得到，如果能够建立投影方向线和中心线之间的关系，求出横滚角的测量误差，则可充分发挥螺旋线法求横滚角的优势。因此本发明首先在回转体目标的图像中心线上确定一点，求出该点的方位角和俯仰角，得到其方向矢量，再将其投影到载体坐标系上，得到所对应的投影矢量，然后再计算目标中轴线与螺旋线起始母线所成的平面在载体坐标系中的投影矢量，那么所得的这两个矢量的夹角就为现有的螺旋线法测量横滚角存在的角度误差。所以本发明可以有效的解决由于投影方向线和回转体图像的中心线不一致带来的横滚角误差这一问题，进一步的提高横滚角解算准确度。

附图说明

图1a和图1b为本发明中各矢量在ZOX平面上的投影示意图；

图2为本发明所涉及到的各个坐标系示意图；

图3a和图3b为本发明中螺旋线法测量横滚角示意图：

图4a和图4b为本发明所述目标投影线移位示意图；

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施例。

结合附图1a和图1b为本发明中各矢量在ZOX平面上的投影示意图，用螺旋线法测量回转体目标横滚角为例来说明本发明的实现技术及过程。图1中包括原点O、点B、点D、点M目标中轴线L、PB为目标投影方向线，L为目标中轴线，CD为图像中心线，且三条线彼此平行。方位角A和E俯仰角E是由经纬仪测出来的数据，在图中无法标记出来。

首先，根据传统的测量横滚角的螺旋线方法得到回转体目标图像中心线对应的角度n，并且在回转体目标的图像中心线上确定任意一点M，由已知条件得出点M的方位角A和俯仰角E，则点M与摄像机原点O的连线的方向矢量运用余弦矩阵建立不考虑有横滚角作用的载体坐标系，将得到的方向矢量投影到载体坐标系上，可得方向矢量在载体坐标为：

其中，φ_t目标俯仰角，目标航向角，e₁₁、e₂₁、e₃₁分别为矩阵表达式的第一行、第二行、第三行数据。然后，再将方向矢量投影到载体坐标系其中一个平面(以ZOX面为例图1b示出)上，K₁为摄像机原点O和图像中心线上点M的连线OM在载体坐标系ZOX平面上的投影矢量，K₂为回转体目标中轴线与螺旋线起始母线所成平面在ZOX平面上的投影矢量，可知横滚角测量带来的误差为：在平面ZOX上两个矢量K₁和K₂之间的夹角。

那么方向矢量在载体坐标系ZOX平面的矢量为：

$\stackrel{\‾}{K_1}=\left[\begin{array}{c}{e}_{11}\\ 0\\ e_{31}\end{array}\right]$

因为回转体目标中轴线与螺旋线起始母线所成的平面在ZOX平面上的投影矢量和x轴的矢量重合，则：

$\stackrel{\‾}{K_2}=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

则矢量与x轴夹角为：

$\cos t=\frac{e_{11}}{\left|\stackrel{\‾}{K_1}\right|\left|\stackrel{\‾}{K_2}\right|}$

由于横滚角的变化量ΔK和角度t互为补角，即ΔK＝180°-t，所以最终求的横滚角ψ为：

ψ＝n-ΔK

参见图2，构建本发明所涉及到的坐标系，Xw、Yw、Zw为世界坐标系，Xw轴指向正东，Yw轴指向正北，Zw轴指向天顶构成右手坐标系。I-uv为图像像素坐标系，以图像左上角点I为原点，以像素为坐标单位的直角坐标系，u，v分别为该像素在数字图像中的行数和列数。所述坐标系的技术方案如下所述：

设坐标系O-XYZ为测量坐标系，设坐标系原点O在经纬仪的光心，设经纬仪的X轴指向正东，设经纬仪的Y轴指向正北，设经纬仪的Z轴指向天顶构成右手坐标系。设xyz为在不考虑横滚角作用的载体坐标系，是目标运动过程中所使用的坐标系，y轴和目标中轴线方向重合，xyz为右手坐标系，其中x轴平行于测量坐标系XOY平面。目标绕载体坐标系y轴的旋转角度定义为横滚角ψ，逆时针方向为正，如图3a示出本发明中螺旋线法测量横滚角示意图。其中滚转角ψ的定义为中轴线与投影方向线所成的平面和中轴线与螺旋线起始母线所成的平面之间的夹角。

运用几何知识可以得到测量坐标系和载体坐标系的转化关系：两个坐标系之间的相对关系可以分解成一次绕坐标原点的旋转和一次平移。设载体坐标系内一点(X，Y，Z)在测量坐标系中的坐标为(X_C，Y_C，Z_C)，则可以用旋转矩阵和平移向量描述：

$\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+T$

其中R称为旋转矩阵，它是一个3×3的单位矩阵，它的元素是旋转角的三角函数组合，旋转角的定义为将测量坐标系变换到与载体坐标系姿态一致而分别绕三个坐标系轴转过的欧拉角。T称为平移向量，是测量坐标系在目标坐标系中的坐标，也就是将测量坐标系原点移至载体坐标系原点的平移量。

横滚角的测量原理如图3a和图3b所示，可得图像中心线所对应的角度为假设目标上，l₁处的图像中心线对应的角度为n₁，l₂处的角度为n₂，因此目标由l₁处旋转到l₂处所转过的横滚角度ψ为：其中，点B、点H为图像中心线与螺旋线的交点，PC、DF为螺旋线内图像中心线的长度，PB、DH为阴影部分内图像中心线的长度，l₁、l₂分别为直线PC和DF。

在实际应用中，图4a和图4b为本发明所述目标投影线移位示意图；如图4a所示为正面图，图4b所示为侧面图，在正面图中PB为目标投影方向线，L为目标中轴线，CD为图像中心线，且三条线彼此平行，其中点B′和点D′分别为平面POB和平面COD在侧面的投影线与侧面圆的边界的交点，PB′为平面POB在侧面的投影线，CD′为平面COD在侧面的投影线。当目标处于俯仰角为α的位置时，PB′和CD′的夹角为k，假设n为图像中心线对应螺旋线的角度。因此根据螺旋线特点以及横滚角定义得到的目标横滚角为ψ＝n-k。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于螺旋线法确定回转体目标横滚角的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：根据传统的测量横滚角的螺旋线方法，得到回转体目标图像中心线对应的角度；

步骤S2：在回转体目标图像中心线上确定一点，解算出方位角和俯仰角，得到所述点与摄像机原点的连线的方向矢量；

步骤S3：运用余弦矩阵建立不考虑横滚角作用的载体坐标系，并将步骤S2得到的方向矢量投影到载体坐标系中，得到方向矢量所对应的投影矢量；

步骤S4：在载体坐标系中计算回转体目标中心线与螺旋线起始母线所成平面在ZOX平面上的投影矢量K₂与方向矢量L′投影到载体坐标系平面ZOX上的投影矢量K₁之间的夹角；

步骤S5：计算步骤S1中回转体目标图像中心线所对应的角度与步骤S4所述夹角角度的差值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对于回转体目标运动的每个时刻，目标中心线和螺旋线起始母线所成平面都是一致的，因此横滚角的测量误差为：在平面ZOX上两个投影矢量K₁和K₂之间的夹角。