CN103196374B - 卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面、气浮轴承和大理石底座，本装置还包括数字CCD摄像机、人工标志点、人工光源和计算机，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CCD摄像机和多个人工光源，人工光源的光轴垂直于卫星气浮轴承台面，卫星气浮轴承台面上粘贴有多个人工标志点；数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。通过这种方式实现对卫星气浮平台的非接触、无扰动、高频率的测量，本发明计算过程简洁、精度高、速度快。

Description

卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术，具体涉及一种卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置。

背景技术

卫星气浮平台由气浮轴承和大理石底座组成，依靠压缩空气在气浮轴承与大理石底座之间形成的气膜，使气浮平台轴承浮起，气浮轴承和大理石底座之间摩擦极小，从而使气垫具有一维转动和平面两维平动能力，可以模拟卫星在太空中无摩擦的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，在卫星气浮平台上进行卫星控制系统全物理仿真实验能够检验系统的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

卫星气浮平台在试验过程中需要通过姿态测量系统动态地给出气浮台的二维运动参数，包括位移、速度、角度、角速度，以便完成控制闭环。由于卫星气浮平台需要为卫星姿态控制系统物理仿真提供无干扰环境，以往接触式的测量装置和方法(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于卫星气浮平台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。

经检索文献发现，中国发明专利申请号：200610010260.2，专利名称为：三轴气浮台姿态角测量装置及其测量方法，该专利在卫星气浮平台上方安装有CCD摄像机，在气浮台台面上安装有测量LED光标系统，利用计算机视觉理论结合测量光标点间的距离信息，计算出气浮台台面相对于摄像机的相对运动参数。由于在视觉测量过程中需要计算出三个维度的姿态角和位移，计算速度受到限制。

中国发明专利申请号：200610010435.X，专利名称为：非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法，该专利采用彩色CCD摄像机采集由4个红光LED和微型绿色激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的图像，利用计算机视觉理论并结合测量靶标及CCD摄像机安装信息，计算出气浮台台面的转动参数。但该方法不能计算平移信息。

在文献“卫星气浮平台视觉测量系统研究”(发表于中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2008年第24卷第4-1期，124-126)中，北京理工大学的刘伟、徐斌介绍一种利用机器视觉识别物体颜色特征的方法来检测卫星气浮平台的姿态变化的方法，通过摄像头获取的图像检测到目标点颜色，以此计算求出气浮平台的姿态。本文通过采用自适应阈值、快速预测搜索算法。但该系统使用颜色信息作为测量特征，其精度受到限制，同时该文没有给出明确的角度计算方法。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置，通过这种方式实现对卫星气浮平台的非接触、无扰动、高频率的测量。

本发明解决问题所采用的技术如下：

一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面、气浮轴承和大理石底座，气浮轴承安装在大理石底座上，卫星气浮轴承台面安装在气浮轴承上，通气后气浮轴承和大理石底座之间形成气膜，在气膜支撑下，卫星气浮轴承台面能够浮起，并且能够平动和转动。本装置还包括数字CCD摄像机、多个人工标志点、多个人工光源和计算机，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CCD摄像机，数字CCD摄像机与计算机连接，数字CCD摄像机的成像面与卫星气浮轴承台面平行，卫星气浮轴承台面的上方安装有多个人工光源，人工光源的光轴垂直于卫星气浮轴承台面，卫星气浮轴承台面上粘贴有多个人工标志点；数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。

本发明还具有如下特征：

1.以上所述的数字CCD摄像机为黑白CCD数字摄像机，数字CCD摄像机通过数据线与转换器相连，转换器与计算机相连，数字CCD摄像机的镜头为物方远心镜头。

2.以上所述的人工标志点材料为回光反射膜，粘贴在气浮轴承台面上，人工标志点为两个，几何形状为圆形、三角形或矩形。

3.以上所述的人工光源的数量根据气浮轴承的运动范围进行调整。

4.以上所述的气浮轴承台面光滑平坦。

5.以上所述的计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，具体为：

(1)、使用中值滤波法去除图像噪声；

(2)、使用双峰法进行图像分割，统计图像所有像素点像素值，确定分割阈值，比照阈值将各像素二值化归类；

(3)、提取人工标志特征，根据图像分割结果，采用8邻域区域生长法确定光标特征像素；

(4)、采用重心法对光标进行亚像素高精度定位。

7、以上所述的利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数采用几何相似法测量原理，计算卫星气浮平台的二维运动参数。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用非接触式视觉测量，卫星气浮平台的二维运动参数测量过程不会对气浮平台的运动产生干扰；

2.本发明采用黑白数字摄像机通过转换器向计算机传输数据，对卫星气浮平台工作的电磁环境具有抗干扰能力；

3.本发明采用回光反射膜材质的人工标志点，配合人工光源，通过低强度曝光可以产生高对比度标志图像，标志点的影像特别清晰而突出，有利于精确定位；降低测量过程对环境的要求，简化图像处理的过程，提高测量的精度和速度；

4.本发明采用回光反射膜材质的人工标志点，直接粘贴在气浮平台上表面，无需额外提供电源，不增加平台载荷，其重力矩对气浮平台的影响，可以忽略不计；

5.本发明采用回光反射膜材质的人工标志点，标志点数目为2个，几何形状为圆形，2个标志点的直径不同。本发明对2个标志点之间的距离、几何形状没有特殊要求，只要它们的像点之间不粘连、具有适当的距离即可。这降低了对人工标志点结构、工艺的要求，系统结构简单、成本低、容易实现；

6.本发明所涉及的摄像机标定、摄像机相对标定是一次性计算，视觉测量过程直接使用其计算结果，计算过程简洁、精度高、速度快。

附图说明

图1为卫星气浮平台二维运动参数测量系统组成示意图；

图2为本发明所述人工标志点的结构示意图；

图3为卫星气浮平台二维运动参数测量流程图；

图4为卫星气浮平台图像处理模块流程图；

图5为本发明测量系统涉及到的坐标系；

图6为人工标志点成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面5、气浮轴承6和大理石底座7，气浮轴承5安装在大理石底座7上，卫星气浮轴承台面5安装在气浮轴承6上，气浮轴承6和大理石底座7的接触面上设计有节流孔，通气后气浮轴承6和大理石底座7之间形成有气膜，卫星气浮轴承台面5能够浮起，这样浮起的气浮轴承6和大理石底座7之间摩擦极小，气浮轴承台面5从而能够平动和转动，本装置还包括数字CCD摄像机2、2个人工标志点1、多个人工光源4和计算机9，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CCD摄像机2，数字CCD摄像机2与计算机9连接，数字CCD摄像机2的成像面与卫星气浮轴承台面5平行，卫星气浮轴承台面5的上方安装有多个人工光源4，人工光源4的光轴垂直于卫星气浮轴承台面5，卫星气浮轴承台面5上粘贴有2个人工标志点1，两个人工标志点具有完全相同的运动属性，两个标志点1之间距离根据摄像机、镜头、气浮平台运动范围进行调整；数字CCD摄像机2连续采集人工标志点的图像并传输到计算机9，计算机9将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。数字CCD摄像机2选用黑白数字CCD摄像机，使用转换器8与计算机9相连，抗干扰。数字CCD摄像机2的镜头3为物方远心镜头。气浮轴承台面5要求非常光滑平坦。人工光源4为图像采集提供恒定、可靠的照明，人工标志点1的材料为回光反射膜。为保证标志点对光的反射能力，人工光源4光轴与摄影光轴同轴，此时回光反射膜的反射能力最强。气浮轴承台面5要求非常光滑平坦。

实施例2

本发明卫星气浮平台高精度二维运动参数测量的流程图如图3所示，主要包括以下几个模块：

1、摄像机标定模块。使用2D平面标靶法对摄像机进行标定，确定摄像机内参数、畸变系数。

如附图5所示，涉及到以下坐标系：

(1)世界坐标系O_wx_wy_wz_w，三维空间参照系；

(2)摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c，其中O_c是摄像机的透视原点，z_c是光轴；

(3)摄像机的图像物理坐标系Oxy，该平面与光轴z_c垂直交于像主点O。O_c与O之间的距离为透镜的焦距f；

(4)摄像机的图像像素坐标系O₀uv，图像像素坐标系和图像物理坐标系是表示同一个成像平面的不同参照系，区别在于前者使用像素为坐标系单位，后者使用物理长度单位做坐标系单位。

摄像机标定方法和步骤参见张广军著作《视觉测量》，科学出版社，2008年3月第一版；

2、摄像机相对标定模块。使用标准件法，对摄像机进行相对标定，建立图像像素和实际物理尺寸的比例关系。摄像机拍摄一幅标准件(如比例基准尺)图像后，对其进行图像处理，由于标准件包含精确的尺寸，图像处理得到的是像素单位的数值，这样，利用公式可以得到系统的水平像素当量和垂直像素当量。

相对标定法的原理：

通过相对标定法，能够确定摄像机成像面上一个像素与实际物理尺寸之间的关系。在几何相似法测量中，将利用该关系计算卫星气浮平台的位移参数。

比例基准尺是提供基准长度量的比例尺，采用高稳定材料制作，尺上含有2个或多个标志点，标志点之间的长度经过预先精密校准可以给出准确值L，用于提供空间距离约束。

设图5中世界坐标系O_wx_wy_wz_w与摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c具有以下关系：

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ o_c{o}_w\end{array}\right]---\left(1\right)$

假设空间中的物点P点为比例基准尺上的一个标志点，推导得到摄像机成像面上一个像素与实际物理尺寸之间比例系数k为：

$k=\frac{L\·\sin \mathrm{\θ}}{u_2-u_1}=\frac{L\·\cos \mathrm{\θ}}{v_2-v_1}---\left(2\right)$

其中，(u_i，v_i)，i＝1，2为比例基准尺上两个标志点在图像像素坐标系中的坐标，θ为矢量与图像像素坐标系v方向的夹角，p₁的图像像素坐标为(u₁，v₁)，p₂的图像像素坐标为(u₂，v₂)，如图6所示。

3、图像处理模块。连续采集测量标志点的图像并传输到负责图像处理的计算机，图像处理模块通过编程软件实现，计算机处理测量特征装置的图像信息，对测量特征装置上的标记点进行亚像素定位，获取标志点在图像中的精确坐标。

本模块由以下(1)-(4)步组成：

(1)、图像预处理，使用中值滤波法去除图像噪声。

基本步骤：

(1.1)、将模板中心与图像中某个像素重合；模板一般选取3×3或5×5大小的单位矩阵。

(1.2)读取模板下各对应像素的灰度值；

(1.3)对这些像素的灰度值排序；

(1.4)选取该序列的中间值赋给模板中心对应的像素；

(1.5)将模板在图像中遍历，重复步骤1-4，直到所有图像中所有像素完成同样处理。

从上述步骤可以看出，中值滤波的主要功能是让模板中心对应的像素灰度值与其周围像素灰度值的比较，较大的像素改取与周围像素值接近值，从而可以消除孤立的噪声点，同时保留人工标志点成像具有清晰的边缘，有助于精确定位。

(2)、使用双峰法进行图像分割，统计图像所有像素点像素值，确定分割阈值，比照阈值将各像素二值化归类。

使用双峰法进行图像分割的原理：黑白数字摄像机采集的人工标志图像是灰度图像，记为I(u，v)，具有强对比度，其灰度直方图具有显著的双峰性，非常适合采用双峰法进行图像分割。阈值分割算法主要有两个步骤：

(2.1)、确定分割阈值T，阈值为灰度直方图双峰间的谷底对应的灰度值。

(2.2)、将图像像素与分割阈值作比较并划分。如果图像中某像素的灰度值小于该阈值T，则将该像素的灰度值设置为0，否则灰度值设置为255。

(3)、提取人工标志特征，根据图像分割结果，采用8邻域区域生长法确定光标特征像素。

(4)、对标志点进行亚像素定位。本发明中，标志点在摄像机像平面上所成的像比较小，采用重心法可以对光标进行亚像素高精度定位。采用重心法求取人工标志点位置坐标，计算公式如下：

$u_i=\frac{\underset{u=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I(u,v)u}{\underset{u=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I(u,v)},$ $v_i=\frac{\underset{u=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I(u,v)v}{\underset{u=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I(u,v)}---\left(3\right)$

其中(u_i，v_i)为人工标志点在摄像机的图像像素坐标系中的坐标。

4、卫星气浮平台二维运动参数计算模块。使用几何相似法测量原理，计算气浮平台的二维运动参数。

几何相似法的测量原理：

摄像机连续拍摄卫星气浮平台的序列图像，在第j帧、第j+1帧图像中，人工标志点在图像像素坐标系中的坐标可通过图像处理模块确定，分别记为(u_1，j，v_1，j)，(u_2，j，v_2，j)、(u_1，j+1，v_1，j+1)，(u_2，j+1，v_2，j+1)，

(4.1)则在世界坐标系中，人工标志点的二维位移量Δx、Δy为：

Δx＝k(u_1，j+1-u_1，j)，Δy＝k(v_1，j+1-v_1，j)，(4)

其中，k为像素与实际物理尺寸之间比例系数，通过摄像机相对标定可以事先确定。

(4.2)人工标志点的二维位移速度V_x、V_y为：

$V_x=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δt}},$ $V_y=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δt}},---\left(5\right)$

其中Δt为摄像机采集时间，为确定值。

参考图6，可推导得到在连续两帧中，人工标志点之间的连线与图像像素坐标系v方向的夹角为

${\mathrm{\θ}}_j={\tan }^{-1}\left(\frac{u_{2,j}-u_{1,j}}{v_{2,j}-v_{1,j}}\right),$ ${\mathrm{\θ}}_{j+1}={\tan }^{-1}\left(\frac{u_{2,j+1}-u_{1,j+1}}{v_{2,j+1}-v_{1,j+1}}\right)---\left(6\right)$

(4.3)则人工标志点经过时间间隔Δt，旋转角度为

Δθ＝θ_j+1-θ_j(7)(4.4)旋转角速度为

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}---\left(8\right)$

实施例3

一种使用如上所述的卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置得出的测量方法，如下：

1.对数字CCD摄像机进行标定；

2.对数字CCD摄像机进行相对标定；

3.数字CCD摄像机采集人工标志点的图像，传输到计算机；

4.对图像进行去噪和去噪，确定人工标志点区域；

5.对图像中2个人工标志点进行亚像素定位，确定其像素坐标；

6.结合步骤2中的结果，使用几何相似法视觉测量原理，计算卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、位移速度、角度和角速度；

7.重复步骤3-6，实现对卫星气浮平台的二维运动参数连续测量。

Claims (1)

1.一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面、气浮轴承和大理石底座，气浮轴承安装在大理石底座上，卫星气浮轴承台面安装在气浮轴承上，通气后气浮轴承和大理石底座之间形成有气膜，卫星气浮轴承台面从而能够浮起，气浮轴承台面能够平动和转动，其特征在于：还包括数字CCD摄像机、多个人工标志点、多个人工光源和计算机，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CCD摄像机，数字CCD摄像机与计算机连接，数字CCD摄像机的成像面与卫星气浮轴承台面平行，卫星气浮轴承台面的上方安装有多个人工光源，人工光源的光轴垂直于卫星气浮轴承台面，卫星气浮轴承台面上粘贴有多个人工标志点；数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度；

所述的数字CCD摄像机为黑白CCD数字摄像机，数字CCD摄像机通过数据线与转换器相连，转换器与计算机相连，数字CCD摄像机的镜头为物方远心镜头；

所述的人工标志点材料为回光反射膜，粘贴在气浮轴承台面上，人工标志点为两个，几何形状为圆形、三角形或矩形；

所述的人工光源的数量根据气浮轴承的运动范围进行调整；

所述的气浮轴承台面光滑平坦；所述的计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，具体为：

(1)、使用中值滤波法去除图像噪声；

(2)、使用双峰法进行图像分割，统计图像所有像素点像素值，确定分割阈值，比照阈值将各像素二值化归类；

(3)、提取人工标志特征，根据图像分割结果，采用8邻域区域生长法确定光标特征像素；

(4)、采用重心法对光标进行亚像素高精度定位；

所述的利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数采用使用几何相似法测量原理，计算卫星气浮平台的二维运动参数。