CN104154931B - 一种交会测量系统的光机定位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交会测量系统的光机定位测量方法，利用六个经纬仪，分别建立基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM、基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM、第一反射镜虚拟坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM和第二反射镜虚拟坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM，解算出坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM到坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM的旋转矩阵C_A，解算出坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM到坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM的旋转矩阵C_B；根据旋转矩阵C_A、C_B解算出矢量R_A、R_B；根据R_A得到相机A的虚拟坐标系和基准镜A坐标系之间的旋转矩阵C1；根据R_B和镜像方程得到相机B的虚拟坐标系和基准镜B坐标系之间的旋转矩阵C2；完成基准镜A坐标系与基准镜B坐标系的相对关系测试获得旋转矩阵C3；根据C1、C2和C3确定两相机虚拟坐标系间的旋转矩阵C4。本发明操作简单、精度高、能够降低对硬件的配置要求。

Description

一种交会测量系统的光机定位测量方法

技术领域

本发明涉及一种交会测量系统的光机定位测量方法。

背景技术

如图1所示，交会测量系统由安装在追踪飞行器上的交会测量相机A、B和安装在目标飞行器上的合作目标组成，交会测量系统配置有平面反射镜，合作目标出射光线经过反射镜进行光路折返后进入测量相机形成测量图像，根据视觉测量原理可以计算得到相机坐标系相对于目标标志器坐标系的相对位置和相对速度、相对姿态角和相对姿态角速度，从而为GNCC提供相对导航的测量信息。

交会测量相机和反射镜尺寸较小、又倾斜放置且位于产品内部，传统的测量方法无法对其进行直接测量。根据视觉测量原理，建立合作目标标志器和交会测量相机的相对位置与姿态关系，必须首先确定相机测量坐标系与反射镜面法线之间的矢量关系，其矢量关系误差将直接影响后续相机图像处理算法的测量精度，因此需要探索针对此类工程问题的测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种操作简单、精度高的交会测量系统的光机定位测量方法，能够降低对硬件的配置要求，为相机图像处理算法的提供误差修正依据，实现高精度位姿确定。

本发明包括如下技术方案：

一种交会测量系统的光机定位测量方法，交会测量系统包括相机A、相机B和反射镜；相机A、相机B对称放置于反射镜两侧；在相机A和B上分别安装基准镜A和基准镜B；反射镜具有两个对称反射面，交会测量系统的光机定位测量方法包括如下步骤：

分别建立相机A的基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM和相机B的基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM；Z_ASM、Z_BSM轴平行于相机A和B的光轴并指向反射镜，X_ASM、X_BSM轴垂直于相机安装底面向上，Y_ASM轴与X_ASM轴、Z_ASM轴构成左手坐标系，Y_BSM轴与X_BSM轴、Z_BSM轴构成左手坐标系；经纬仪1对基准镜的Z_ASM轴进行准直测量，经纬仪2对基准镜的X_ASM轴进行准直测量，通过大地测绘的方式最终确定相机A的基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM；经纬仪4对基准镜的Z_BSM轴进行准直测量，经纬仪5对基准镜的X_BSM轴进行准直测量，通过大地测绘的方式最终确定相机B的基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM；

分别建立第一反射镜虚拟坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM和第二反射镜虚拟坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM，其中以第一反射面上的标志点作为原点O_ANM，Z_ANM轴指向第一反射面的法线方向，Y_ANM轴与Y_ASM轴平行，X_ANM轴与Y_ANM、Z_ANM轴构成右手坐标系；以第二反射面上的标志点作为原点O_BNM，Z_BNM轴指向第一反射面的法线方向，Y_BNM轴与Y_BSM轴平行，X_BNM轴与Y_BNM、Z_BNM轴构成右手坐标系；经纬仪3以第一反射面上的标志点作为原点，对第一反射面的法线方向进行准直获得反射镜虚拟坐标系的Z_ANM轴，通过经纬仪3与经纬仪1和经纬仪2进行互瞄获得反射镜虚拟坐标系的Y_ANM轴，从而获得第一反射镜虚拟坐标系；经纬仪6以第二反射面上的标志点作为原点，对第二反射面的法线方向进行准直获得反射镜虚拟坐标系的Z_BNM轴，通过经纬仪6与经纬仪4和经纬仪5进行互瞄获得第二反射镜虚拟坐标系的Y_BNM轴，从而获得第二反射镜虚拟坐标系；

解算出坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM到坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM的旋转矩阵C_A；解算出坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM到坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM的旋转矩阵C_B；

根据旋转矩阵C_A解算出第一反射面的法线在基准镜A坐标系下的矢量R_A；根据旋转矩阵C_B解算出第二反射面的法线在基准镜B坐标系下的矢量R_B；

建立相机A的虚拟坐标系与相机A的基准镜A坐标系间的相对关系，建立相机B的虚拟坐标系与相机B的基准镜B坐标系间的相对关系；相机A或B的虚拟坐标系为相机A或B实际测量坐标系的反射镜镜像，相机A或B的虚拟坐标系原点是相机A或B的主点在反射镜的镜像点，坐标轴定义与基准镜A或B坐标系在反射镜的镜像完全一致；根据第一反射面的法线在基准镜A坐标系下的矢量R_A和镜像方程得到相机A的虚拟坐标系和基准镜A坐标系之间的旋转矩阵C1；根据第二反射面的法线在基准镜B坐标系下的矢量R_B和镜像方程得到相机B的虚拟坐标系和基准镜B坐标系之间的旋转矩阵C2；

通过经纬仪1和经纬仪4的互瞄，经纬仪2和经纬仪5的互瞄完成基准镜A坐标系与基准镜B坐标系的相对关系测试获得旋转矩阵C3；根据旋转矩阵C1、旋转矩阵C2和旋转矩阵C3确定两相机虚拟坐标系间的旋转矩阵C4。

经纬仪3和经纬仪6为全站仪。

C4＝C1^T*C3^T*C2。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明提出了一种交会测量相机复杂光机定位精密测量方法以提高相机位姿算法的测量精度，是集长度测量技术与光学测量技术与一体的二维角定位方法，为双目配置的交会测量系统的数据融合提供了技术支持，也为交会测量系统的高精度测量奠定基础。

本发明涉及的光机定位方式是针对交会测量光路折转式双目视觉系统而采用的测量坐标系的定位方式，采用六台经纬仪准直和互瞄等光学直接测量和镜面反射光学方程结合，避开公共点转换过程，同时实现两相机测量坐标系关系建立，使得本发明方法简单，对硬件配置要求更低，定位精度更高。

附图说明

图1为交会测量系统工作示意图；

图2为相机与反射镜位置关系示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

反射镜装配完成后，其法线在基准镜坐标系下的指向测试精度直接影响目标标志器坐标系到目标标志器镜像坐标系的镜像结果，进而影响交互测量子系统的测量精度。

本发明的交会测量系统包括相机A、相机B和反射镜；相机A、相机B对称放置于反射镜两侧；在相机A和B上分别安装基准镜A和基准镜B；反射镜具有两个对称反射面。

本发明的交会测量系统的光机定位测量方法包括如下步骤：

第一步、分别建立相机A的基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM和相机B的基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM。

如图2所示，Z_ASM、Z_BSM轴平行于相机A和B的光轴并指向反射镜，X_ASM、X_BSM轴垂直于相机安装底面向上，Y_ASM轴与X_ASM轴、Z_ASM轴构成左手坐标系，Y_BSM轴与X_BSM轴、Z_BSM轴构成左手坐标系；经纬仪1对基准镜的Z_ASM轴进行准直测量，经纬仪2对基准镜的X_ASM轴进行准直测量，通过大地测绘的方式最终确定相机A的基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM；经纬仪4对基准镜的Z_BSM轴进行准直测量，经纬仪5对基准镜的X_BSM轴进行准直测量，通过大地测绘的方式最终确定相机B的基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM。

测量原理为：设经纬仪对于基准镜准直有观测量v1,v2,α1,α2，v1,v2是对两个面垂直角的观测值，α1,α2是对两个面水平角观测值。两台仪器互瞄分别有水平角观测量α12,α21。在经纬仪测量坐标系下对于两条准直方向的向量z1(i1,j1,k1)和z2(i2,j2,k2)对应基准镜坐标系OASMXASMYASMZASM的Z轴和X轴，可表示为：

i1＝cosv1·cosβ1,j1＝cosv1·sinβ1,k1＝sinv1

i2＝cosv2·cosβ2,j2＝cosv2·sinβ2,k2＝sinv2

其中，β1＝α12-α1,β2＝180°-(α2-α21)。

设ω是空间向量z1,z2的夹角，最佳测量结果是z1,z2垂直,即ω＝90°,此时存在关系:

cosω＝cos(z1·z1)＝sinv1·sinv2+cosv1·cosv2·cos(β2-β1)＝0

当cosω<0.00002时,认为测量满足要求,否则经纬仪重新准直。

将z1,z2作为空间直角坐标系的两个轴，将z1,z2叉乘即可得到第三个坐标轴z3。

第二步、分别建立第一反射镜虚拟坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM和第二反射镜虚拟坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM。

其中以第一反射面上的标志点作为原点O_ANM，Z_ANM轴为第一反射面的法线方向，Y_ANM轴与Y_ASM轴平行，X_ANM轴与Y_ANM、Z_ANM轴构成右手坐标系；以第二反射面上的标志点作为原点O_BNM，Z_BNM轴为第一反射面的法线方向，Y_BNM轴与Y_BSM轴平行，X_BNM轴与Y_BNM、Z_BNM轴构成右手坐标系；经纬仪3以第一反射面上的标志点作为原点，对第一反射面的法线方向进行准直获得反射镜虚拟坐标系的Z_ANM轴，通过经纬仪3与经纬仪1和经纬仪2进行互瞄获得反射镜虚拟坐标系的Y_ANM轴，从而获得第一反射镜虚拟坐标系；经纬仪6以第二反射面上的标志点作为原点，对第二反射面的法线方向进行准直获得反射镜虚拟坐标系的Z_BNM轴，通过经纬仪6与经纬仪4和经纬仪5进行互瞄获得第二反射镜虚拟坐标系的Y_BNM轴，从而获得第二反射镜虚拟坐标系。第一反射面上的标志点和第二反射面上的标志点为反射镜上的两个反射面的任一位置上的灰尘点。

第三步、利用经纬仪工业测量系统解算出坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM到坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM的旋转矩阵C_A；解算出坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM到坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM的旋转矩阵C_B；经纬仪工业测量系统可以采用Leica公司的工业测量软件。

第四步、根据旋转矩阵C_A解算出第一反射面的法线在基准镜A坐标系下的矢量R_A,即Z_ANM轴在基准镜A坐标系下的方向矢量；根据旋转矩阵C_B解算出第二反射面的法线在基准镜B坐标系下的矢量R_B,即Z_BNM轴在基准镜A坐标系下的方向矢量。

R_A＝C_A*[0,0,1]^T；R_B＝C_B*[0,0,1]^T；

第五步、建立相机A的虚拟坐标系与相机A的基准镜A坐标系间的相对关系，建立相机B的虚拟坐标系与相机B的基准镜B坐标系间的相对关系。

相机A或B的虚拟坐标系O_ASM’X_ASM’Y_ASM’Z_ASM’或O_BSM’X_BSM’Y_BSM’Z_BSM’为相机A或B实际测量坐标系的反射镜镜像，相机A或B的虚拟坐标系原点是相机A或B的主点在反射镜的镜像点(如图1中的虚拟主点a，虚拟主点b)，坐标轴定义与基准镜A或B坐标系在反射镜的镜像完全一致；根据第一反射面的法线在基准镜A坐标系下的矢量和镜像方程得到相机A的虚拟坐标系和基准镜A坐标系之间的旋转矩阵C1；根据第二反射面的法线在基准镜B坐标系下的矢量和镜像方程得到相机B的虚拟坐标系和基准镜B坐标系之间的旋转矩阵C2。具体计算公式为：

C1＝[R_A1,R_A2,R_A3]；

R_A1＝2(R_A·[1,0,0]^T)*R_A-[1,0,0]^T；

R_A2＝(R_A1×R_A3)/|R_A1×R_A3|；

R_A3＝R_A；

C2＝[R_B1,R_B2,R_B3]；

R_B1＝2(R_B·[1,0,0]^T)*R_B-[1,0,0]^T；

R_B2＝(R_B1×R_B3)/|R_B1×R_B3|；

R_B3＝R_B

第六步、通过经纬仪1和经纬仪4的互瞄，经纬仪2和经纬仪5的互瞄完成基准镜A坐标系与基准镜B坐标系的相对关系测试获得旋转矩阵C3；根据旋转矩阵C1、旋转矩阵C2和旋转矩阵C3计算两相机虚拟坐标系间的旋转矩阵C4，计算公式为：C4＝C1^T*C3^T*C2，从而完成光机定位测量。

在确定两相机虚拟坐标系关系后，可以实现相机A与合作目标相对关系与相机B与合作目标相对关系的数据融合，假设相机A测量旋转矩阵C_MA(俯仰α_MA、偏航β_MA和滚动γ_MA)和平移矩阵W_MA,相机B测量旋转矩阵C_MB(俯仰α_MB、偏航α_MB,β_MB,γ_MB和滚动γ_MB)和平移矩阵W_MB,可以根据公式，C_{MA_B}(α_{MA_B},β_{MA_B},γ_{MA_B})＝C4*C_MB(α_MB,β_MB,γ_MB)将相机B测量结果转化为相机W_{MA_B}＝C4*W_MBA等效测量结果，将等效结果和相机A测量解决进行几何平均即完成数据融合。

传统的双目系统外部参数标定需要通过复杂公共点转换及图像处理过程完成，由于图像处理公共点像点提取精度和公共点坐标测量精度限制，将减小双目坐标系建立的测量精度，而且过程复杂对硬件配置提出更高要求；本发明涉及的光机定位方式是针对交会测量光路折转式双目视觉系统而采用的测量坐标系的定位方式，采用六台经纬仪准直和互瞄等光学直接测量和镜面反射光学方程结合，避开公共点转换过程，同时实现两相机测量坐标系关系建立，使得本发明方法简单，对硬件配置要求更低，定位精度更高。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种交会测量系统的光机定位测量方法，所述交会测量系统包括相机A、相机B和反射镜；相机A、相机B对称放置于反射镜两侧；在相机A上安装基准镜A，在相机B上安装基准镜B；反射镜具有两个对称反射面，其特征在于：交会测量系统的光机定位测量方法包括如下步骤：

分别建立相机A的基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM和相机B的基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM；Z_ASM、Z_BSM轴平行于相机A和B的光轴并指向反射镜，X_ASM、X_BSM轴垂直于相机安装底面向上，Y_ASM轴与X_ASM轴、Z_ASM轴构成左手坐标系，Y_BSM轴与X_BSM轴、Z_BSM轴构成左手坐标系；经纬仪1对基准镜的Z_ASM轴进行准直测量，经纬仪2对基准镜的X_ASM轴进行准直测量，通过大地测绘的方式最终确定相机A的基准镜A坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM；经纬仪4对基准镜的Z_BSM轴进行准直测量，经纬仪5对基准镜的X_BSM轴进行准直测量，通过大地测绘的方式最终确定相机B的基准镜B坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM；

分别建立第一反射镜虚拟坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM和第二反射镜虚拟坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM，其中以第一反射面上的标志点作为原点O_ANM，Z_ANM轴指向第一反射面的法线方向，Y_ANM轴与Y_ASM轴平行，X_ANM轴与Y_ANM、Z_ANM轴构成右手坐标系；以第二反射面上的标志点作为原点O_BNM，Z_BNM轴指向第一反射面的法线方向，Y_BNM轴与Y_BSM轴平行，X_BNM轴与Y_BNM、Z_BNM轴构成右手坐标系；经纬仪3以第一反射面上的标志点作为原点，对第一反射面的法线方向进行准直获得反射镜虚拟坐标系的Z_ANM轴，通过经纬仪3与经纬仪1和经纬仪2进行互瞄获得反射镜虚拟坐标系的Y_ANM轴，从而获得第一反射镜虚拟坐标系；经纬仪6以第二反射面上的标志点作为原点，对第二反射面的法线方向进行准直获得反射镜虚拟坐标系的Z_BNM轴，通过经纬仪6与经纬仪4和经纬仪5进行互瞄获得第二反射镜虚拟坐标系的Y_BNM轴，从而获得第二反射镜虚拟坐标系；

解算出坐标系O_ANMX_ANMY_ANMZ_ANM到坐标系O_ASMX_ASMY_ASMZ_ASM的旋转矩阵C_A；解算出坐标系O_BNMX_BNMY_BNMZ_BNM到坐标系O_BSMX_BSMY_BSMZ_BSM的旋转矩阵C_B；

根据旋转矩阵C_A解算出第一反射面的法线在基准镜A坐标系下的矢量R_A；根据旋转矩阵C_B解算出第二反射面的法线在基准镜B坐标系下的矢量R_B；

建立相机A的虚拟坐标系与相机A的基准镜A坐标系间的相对关系，建立相机B的虚拟坐标系与相机B的基准镜B坐标系间的相对关系；相机A或B的虚拟坐标系为相机A或B实际测量坐标系的反射镜镜像，相机A或B的虚拟坐标系原点是相机A或B的主点在反射镜的镜像点，坐标轴定义与基准镜A或B坐标系在反射镜的镜像完全一致；根据第一反射面的法线在基准镜A坐标系下的矢量R_A和镜像方程得到相机A的虚拟坐标系和基准镜A坐标系之间的旋转矩阵C1；根据第二反射面的法线在基准镜B坐标系下的矢量R_B和镜像方程得到相机B的虚拟坐标系和基准镜B坐标系之间的旋转矩阵C2；

通过经纬仪1和经纬仪4的互瞄，经纬仪2和经纬仪5的互瞄完成基准镜A坐标系与基准镜B坐标系的相对关系测试获得旋转矩阵C3；根据旋转矩阵C1、旋转矩阵C2和旋转矩阵C3确定两相机虚拟坐标系间的旋转矩阵C4。

2.如权利要求1所述的交会测量系统的光机定位测量方法，其特征在于：经纬仪3和经纬仪6为全站仪。

3.如权利要求1所述的交会测量系统的光机定位测量方法，其特征在于：C4＝C1^T*C3^T*C2。