CN104976984B - 一种基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法，包括以下步骤：1)在飞机机身特定位置粘贴标记点；2)通过相应设备构建基于双目立体视觉的飞机图像获取装置；3)利用标准标定模板实现对双目立体视觉系统的标定，获取双目摄像机的内外参数和双目摄像机的空间位置关系；4)在同步信号发生器发出的采集信号下，利用已标定好的立体视觉系统采集飞机静止与运动态下的图像对：5)利用第4)步获取的飞机在两种状态下标记点的三维信息，计算机身侧滑角，实现对侧滑角的动态监测。本发明的优点是：能够在不改变飞机气动外形，不影响风洞气流的前提下实现对飞机侧滑角的测量和动态监测，具有操作简单、非接触式、危险系数小、精度高的优点。

Description

一种基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法

技术领域

本发明涉及一种飞机侧滑角测量方法，尤其涉及一种基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法。

背景技术

侧滑角是确定飞机飞行姿态的重要参数。侧滑角是指气流方向与飞机对称面之间的夹角。当飞机飞行过程中侧滑角发生变化时（产生侧滑时）会同时产生方向稳定力矩和侧滑滚转力矩，使飞机向侧滑方向偏转机头，同时飞机向侧滑的反方向滚转。因此侧滑角是控制飞机稳定性的重要指标。

在飞机飞行时或在风洞实验中，侧滑角数据是评估飞行姿态与稳定性的重要指标。准确、高效、自动地测量出侧滑角数据是飞机设计与生产单位一直努力研究的方向。目前国内外主要是通过在机身上安装传感器的方法来测量侧滑角，而在风洞实验中对飞机侧滑角进行动态监测的方法较少。当飞机侧滑角发生改变时，机翼上、下表面压力也随之发生改变，传感器通过测量机翼表面压力差对侧滑角进行侧量。该方法对传感器的制造和装配精度要求较高，一般将传感器安装在飞机头部和机翼，同时由于飞机侧滑角传感器对气流存在干扰，使得飞机在传感器所处位置的气流流场与理想流场间存在差别，因此侧滑角传感器只能测量出传感器所处位置的气流与机身对称面的夹角，即局部侧滑角，无法测量机身整体的侧滑角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法。首先，在飞机机身上特定位置上粘贴三个标记点；然后，采用双目摄像机、高速计算机、同步信号发生器、照明设备构建基于立体视觉的飞机图像获取装置；采用张正友标定法对立体视觉系统进行标定，获取摄像机内外参数；利用已标定好的立体视觉系统采集粘贴有标记点的飞机图像对，分别采集处于静止与运动状态下的飞机图像对并分别计算出两种状态下标记点三维信息；最后，利用标记点三维信息计算飞机侧滑角，实现对侧滑角的动态监测。

本发明包括以下主要步骤：

1)在飞机机身特定位置粘贴标记点；具体包括以下步骤：

(a) 沿机身中轴线粘贴两个标记点，分别记为A、B；

(b) 在机身轴线旁粘贴另一个标记点，记为C；

(c) 要求A、B、C三点组成的平面ABC与飞机机身对称面相互垂直。

2)利用双目摄像机、高速计算机、同步信号发生器、照明设备构建基于立体视觉的图像获取装置。

3)利用标准标定模板实现对双目立体视觉系统的标定，获取双目摄像机的内外参数和双目摄像机的空间位置关系。

4)利用已标定好的立体视觉系统采集飞机静止与运动状态下的机身标记点图像对。首先，在飞机静止状态下，采集粘贴标记点的飞机图像对；然后，在飞机运动状态下，在同步信号发生器发出的信号下采集粘贴标记点的飞机图像对，采集帧率和时长根据动态监测要求进行设定。最后，利用第3)步获取的摄像机标定参数，分别对飞机在静止与运动状态下采集的机身标记点图像对进行标记点三维信息计算。利用每对机身标记点图像对，计算标记点三维信息的具体步骤如下：

(a)采用基于Brown算法的矫正算法对双目图像进行几何矫正，以消除镜头畸变；

(b)采用Bouguet立体校正算法，计算行对准校正旋转矩阵、和重投影矩阵，利用行对准校正旋转矩阵、对双目图像进行立体校正，得到严格水平行对齐的双目图像；

(c)采用最大类间方差阈值法对双目图像进行二值化，实现图像中标记点与背景的分离；

(d)采用图像滤波和最大连通域方法去除双目图像中的背景噪声干扰，并得到标记点的特征信息；

(e)根据标记点特征信息对双目图像中的标记点进行立体匹配；

(f)利用步骤(b)中的重投影矩阵，在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息。

5)利用第4)步获取的飞机不同状态下标记点的三维信息，计算机身侧滑角，实现对侧滑角的动态监测。其具体步骤如下：

(a)计算飞机静止时平面ABC法向量：利用飞机静止状态下机身标记点A、B、C的三维信息计算平面ABC的法向量；

(b)计算飞机静止时机身对称面法向量：利用步骤(a)中静止状态下平面ABC的法向量

与标记点A、B的三维信息，计算出飞机机身静止时对称面的法向量；

(c)计算飞机运动时机身对称面法向量：假设同步信号发生器的帧率为帧/秒，采集时长为秒，则共采集对飞机运动状态下的图像对。利用第()对飞机图像对中的标记点、、的三维信息，计算飞机运动状态下平面ABC的法向量，并利用第对图像对中的标记点、的三维信息，计算出飞机运动状态下第()对图像对中机身对称面的法向量；

(d)计算飞机运动时侧滑角：利用步骤(b)得到的静止状态下机身对称面法向量和步骤(c)得到第()对飞机运动图像对中机身对称面的法向量，通过计算两个法向量之间的夹角得到运动状态下第()对飞机图像对所对应的飞机侧滑角;

(e)整个试验过程的侧滑角动态监测：按照步骤(d)的计算方法，计算出采集的对图像对的侧滑角，将对图像对的侧滑角按照图像对的采集顺序，绘制成侧滑角曲线，实现时间内的飞机侧滑角动态监测。

本发明的优点是：通过在飞机机身特定位置粘贴标记点并采用立体视觉的方法计算机身标记点三维信息；通过标记点三维信息计算飞机侧滑角，并对侧滑角进行动态监测；本发明能够在不改变飞机气动外形，不影响风洞气流的前提下实现对飞机侧滑角的测量和动态监测，具有操作简单、非接触式、危险系数小、精度高的优点。下面结合附图和具体实施对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为飞机标记点粘贴位置示意图。

具体实施方式

本发明采用如图1所示的基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法流程图，实现对飞机侧滑角的动态监测。具体实施步骤如下：

1、飞机机身粘贴标记点

本发明通过在飞机机身上粘贴标记点的方式，并在计算标记点三维信息的基础上计算飞机侧滑角。粘贴点位置如图2所示：其中，标记点A与标记点B粘贴在机身轴线沿oy方向，如图中虚线所示；标记点C、标记点A和标记点B构成面ABC，要求平面ABC与飞机对称面xoy垂直。

2、构建图像获取装置

本发明利用双目摄像机、高速计算机、同步信号发生器、照明设备构建基于立体视觉的图像获取装置。

3、立体视觉系统标定

本发明采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法对双目立体视觉系统中摄像机内外参数进行标定；采用开源计算机视觉库(OpenCV)的立体标定函数实现对双目立体视觉系统的立体标定，获取两台摄像机之间的旋转矩阵和平移矩阵。

其主要步骤如下：

1)采集10对以上不同方向的棋盘格图像，且棋盘格平面与摄像机的图像平面需有一定夹角；同时，不同方向的棋盘格平面不能平行；

2)采用张正友提出的基于棋盘格平面标定算法分别对双目立体视觉系统中的摄像机进行平面标定，获取双目立体视觉系统中两台摄像机的内外参数；

3)采用开源计算机视觉库(OpenCV)的立体标定函数实现对双目立体视觉系统的立体标定，获取双目立体视觉系统中两台摄像机之间的旋转矩阵和平移矩阵。

4、标记点三维信息测量

利用已标定好的立体视觉系统采集飞机静止与运动状态下的机身标记点图像对。首先在飞机静止状态下，采集粘贴有标记点的飞机图像对；然后在飞机运动状态下，根据动态监测要求，设置采集的帧率和采集的时长，如设置同步信号发生器的帧率为20帧/s，设置采集时长为60秒，则共采集1200对运动状态下的飞机图像对。分别对飞机在静止与运动状态下采集的机身标记点图像对进行标记点三维信息计算。利用每对机身标记点图像对计算标记点三维信息的具体步骤如下：

(1)采用基于Brown算法的矫正算法对双目图像进行几何矫正，以消除镜头畸变；

(2)采用Bouguet立体校正算法，计算行对准校正旋转矩阵、和重投影矩阵，利用行对准校正旋转矩阵、对双目图像进行立体校正，得到严格水平行对齐的双目图像；

(3)采用最大类间方差阈值法对双目图像进行二值化，实现图像中标记点与背景的分离；

(4)采用图像滤波和最大连通域方法去除双目图像中的背景噪声干扰，并得到标记点的特征信息；

(5)根据标记点特征信息对双目图像中的标记点进行立体匹配；

(6)利用步骤(2)中的重投影矩阵，在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息。具体计算公式如下：

其中， 为标记点的三维坐标，为标记点在左摄像机图像平面的图像坐标，为标记点在左右摄像机关联的视差。

5、整个实验过程的侧滑角动态监测：

利用第4步获取的飞机静止与运动状态下标记点的三维信息，计算机身侧滑角，实现对侧滑角的动态监测。具体计算步骤如下：

1)计算飞机静止时平面ABC法向量：通过图2中飞机静止状态下机身标记点A、B、C的三维信息计算面ABC的法向量，具体计算步骤如下：

假设飞机静止状态下标记点A、B、C三点的三维坐标为A，B，C，由几何关系，可以求得面ABC的法向量，的计算公式如下：

2)计算飞机静止时机身对称面法向量：通过第1)步面ABC法向量与静止时机身对称面上标记点A、B的三维信息，计算飞机机身静止时机身对称面xoy的法向量，具体计算过程如下：

设对称面法向量为，则有如下关系：

=

可按照下式计算：

＝

3)计算飞机运动时机身对称面法向量：利用运动状态下第对图像对中标记点、、的三维信息，计算飞机运动状态下第对图像对的机身对称面的法向量，具体计算如下：

假设第对飞机运动状态下图像对中标记点、、三点的三维坐标为点 、 、 ，计算如下:

首先计算平面的法向量，的计算公式如下：

设飞机运动状态下第对图像对中机身对称面法向量为，则有如下关系：

=

可按照下式计算：

＝

4)计算飞机运动时侧滑角：利用步骤2)计算出的静止状态下飞机对称面法向量与步骤3)计算出的运动状态下第对图像对中飞机机身对称面法向量，计算出第对运动图像对所对应的侧滑角，具体计算公式如下：

按照面面角的定义和计算方法可以计算出侧滑角,具体计算公式如下：

5)整个实验过程的侧滑角动态监测：按照步骤4)的计算方法，计算出运动状态下采集的1200对图像对的侧滑角。将每对图像对的侧滑角按照图像对的采集顺序，绘制成侧滑角曲线图，实现对60秒时间内的飞机侧滑角动态监测。

Claims (1)

1.一种基于标记点三维信息测量的飞机侧滑角动态监测方法，其特征在于包括以下方法步骤：

1)在飞机机身特定位置粘贴标记点；具体包括以下步骤：

(1.a) 沿机身中轴线粘贴两个标记点，分别记为A、B；

(1.b) 在机身轴线旁粘贴另一个标记点，记为C；

(1.c) 要求A、B、C三点组成的平面ABC与飞机机身对称面相互垂直；

2)利用双目摄像机、高速计算机、同步信号发生器、照明设备构建基于立体视觉的图像获取装置；

3)利用标准标定模板实现对双目立体视觉系统的标定，获取双目摄像机的内外参数和双目摄像机的空间位置关系；

4)利用已标定好的立体视觉系统采集飞机静止与运动状态下的机身标记点图像对；首先，在飞机静止状态下，采集粘贴标记点的飞机图像对；然后，在飞机运动状态下，在同步信号发生器发出的信号下采集粘贴标记点的飞机图像对，采集帧率和时长根据动态监测要求进行设定；最后，利用第3)步获取的双目摄像机的内外参数和双目摄像机的空间位置关系，分别对飞机在静止与运动状态下采集的机身标记点图像对进行标记点三维信息计算；利用每对机身标记点图像对，计算标记点三维信息的具体步骤如下：

(4.a)采用基于Brown算法的矫正算法对双目图像进行几何矫正，以消除镜头畸变；

(4.b)采用Bouguet立体校正算法，计算行对准校正旋转矩阵、和重投影矩阵，利用行对准校正旋转矩阵、对双目图像进行立体校正，得到严格水平行对齐的双目图像；

(4.c)采用最大类间方差阈值法对双目图像进行二值化，实现图像中标记点与背景的分离；

(4.d)采用图像滤波和最大连通域方法去除双目图像中的背景噪声干扰，并得到标记点的特征信息；

(4.e)根据标记点特征信息对双目图像中的标记点进行立体匹配；

(4.f)利用步骤(4.b)中的重投影矩阵，在立体匹配的基础上计算出标记点三维信息；

5)利用第4)步获取的飞机不同状态下标记点的三维信息，计算机身侧滑角，实现对侧滑角的动态监测；其具体步骤如下：

(5.a)计算飞机静止时平面ABC法向量：利用飞机静止状态下机身标记点A、B、C的三维信息计算平面ABC的法向量；

(5.b)计算飞机静止时机身对称面法向量：利用步骤(5.a)中静止状态下平面ABC的法向量与标记点A、B的三维信息，计算出飞机机身静止时对称面的法向量；

(5.c)计算飞机运动时机身对称面法向量：假设同步信号发生器的帧率为帧/秒，采集时长为秒，则共采集对飞机运动状态下的图像对；利用第对飞机图像对中的标记点、、的三维信息，计算飞机运动状态下平面ABC的法向量，并利用第对图像对中的标记点、的三维信息，计算出飞机运动状态下第对图像对中机身对称面的法向量，其中；

(5.d)计算飞机运动时侧滑角：利用步骤(5.b)得到的静止状态下机身对称面法向量和步骤(5.c)得到第对飞机运动图像对中机身对称面的法向量，通过计算两个法向量之间的夹角得到运动状态下第对飞机图像对所对应的飞机侧滑角;

(5.e)整个试验过程的侧滑角动态监测：按照步骤(5.d)的计算方法，计算出采集的对图像对的侧滑角，将对图像对的侧滑角按照图像对的采集顺序，绘制成侧滑角曲线，实现时间内的飞机侧滑角动态监测。