CN106408570B - 基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法，用于解决现有太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法单次测量视场小、难以实现的技术问题。技术方案是采用两个相机作为视觉传感器，应用图像处理、数字图像相关和亚像素定位等方法从图像中直接提取结构振动位移信息，进而通过工作模态分析技术实时获取结构的动态特性，实现结构动特性的在轨辨识，具有良好的辨识精度。相机固定在与太阳帆航天器结构固连的相机支架上，通过对相机镜头的位置、方向进行微调可以实现对整个帆面的结构的全场监测，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法，特别涉及一种基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法。
背景技术
太阳帆航天器是由大面积的帆膜和支撑结构组成的大型薄膜展开式航天器，具有轻质化、大柔性和低阻尼的特点，对此类大柔性结构进行结构动特性在轨辨识并在此基础上实现结构健康监测具有重要意义。
文献“Vibration Estimation of Flexible Space Structures using RangeImaging Sensors《The International Journal of Robotics Research》2006年第25期1001-2023页”公开了一种使用搭载有视觉传感器的自由飞行的机器人编队在轨测量空间柔性结构变形、振动等信息的构想，并使用3D激光扫描仪结合卡尔曼滤波方法对柔性板结构进行了振动模态、频率和阻尼的测量实验，论证了方法的可行性与实用性。虽然方法具有较高的精确度，可以通过3D激光扫描仪位置的变化实现结构的全场测量，但是测量所使用的3D激光扫描仪在一次成像中的可视角度只有8°，使得单次成像的视场很小，增加了完成一次全场测量所需的时间；由于3D激光扫描仪需要布置在空间机器人或伴飞小卫星上，需要按照一定的扫描路径对待测结构进行扫描，所以方法的实现难度大，成本高。
发明内容
为了克服现有太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法单次测量视场小、难以实现的不足，本发明提供一种基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法。该方法采用两个相机作为视觉传感器，应用图像处理、数字图像相关和亚像素定位等方法从图像中直接提取结构振动位移信息，进而通过工作模态分析技术实时获取结构的动态特性，实现结构动特性的在轨辨识，具有良好的辨识精度。相机固定在与太阳帆航天器结构固连的相机支架上，通过对相机镜头的位置、方向进行微调可以实现对整个帆面的结构的全场监测，易于实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、在太阳帆航天器主体结构1上布置两个视觉测量相机3，在太阳帆航天器展开结构2的位移待测点上布置标志物4。
步骤二、在太阳帆航天器展开结构2处于展开状态的情况下，经过调整相机支架，确定两个视觉测量相机3的位置和方向。视觉测量相机3进行在轨标定后，采集太阳帆航天器展开结构2上所关心的标志物4的图像序列，将采集到的图像信息传递给计算机处理。
采用下式实现世界坐标系到像素坐标系的转换。Ow(Xw,Yw,Zw)、Oc(Xc,Yc,Zc)、O1(x,y)和O0(u,v)分别代表世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系和像素坐标系。坐标系之间的转换关系为：
其中，A为相机内参数矩阵，[R|T]为相机外参数矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，zc是标定参数；
步骤三、计算机的图像处理模块首先将视觉测量相机3拍摄的结构振动视频转化为灰度图像序列，然后计算机的数字图像相关模块识别出图像序列中第一张图像中的标志物4，确定标志物4的质心位置，并以标志物4质心的振幅大小为依据对图像进行分割，构建数字图像相关的子区，进而在后续图像中利用数字图像相关法、亚像素定位法求取各个标志物以像素为单位的振动位移，最终通过相机标定将像素位移转换为实际位移，获得太阳帆航天器展开结构2上各个位移待测点的振动位移数据。
步骤四、计算机的子空间识别模块，利用随机子空间法，通过对太阳帆航天器展开结构2上位移待测点响应数据的处理，识别在轨运行的太阳帆航天器展开结构2的固有频率、阻尼比结构动特性，实现太阳帆航天器展开结构2的动特性在轨辨识。
本发明的有益效果是：该方法采用两个相机作为视觉传感器，应用图像处理、数字图像相关和亚像素定位等方法从图像中直接提取结构振动位移信息，进而通过工作模态分析技术实时获取结构的动态特性，实现结构动特性的在轨辨识，具有良好的辨识精度。相机固定在与太阳帆航天器结构固连的相机支架上，通过对相机镜头的位置、方向进行微调可以实现对整个帆面的结构的全场监测，易于实现。
该方法的数字图像相关模块使用数字图像相关法、亚像素定位法求取像素位移，精度可达到0.1像素，满足测量精度要求；使用两个相机作为视觉传感器，测量时只需调整相机的位置和角度即可实现全场测量，相比于背景技术具有成本低、测量视场大、测量过程简单易实现的优点。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法所涉及硬件的结构示意图。
图2是本发明基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法的流程图。
图3是图1中标志物的形状示意图。
图4是图1中标志物的分布示意图。
图5是本发明基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法中相机标定时坐标系的关系图。
图中，1-太阳帆航天器主体结构；2-太阳帆航天器展开结构；3-视觉测量相机；4-标志物。
具体实施方式
参照图1-5。本发明基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法具体步骤如下：
步骤一、在太阳帆航天器主体结构1上布置两个视觉测量相机3。在太阳帆航天器展开结构2的位移待测点上布置标志物4。
步骤二、太阳帆航天器在轨运行过程中，在太阳帆航天器展开结构2处于展开状态的情况下，经过调整相机支架，确定两个视觉测量相机3的位置、方向。视觉测量相机3进行在轨标定后，采集太阳帆航天器展开结构2上所关心的标志物4的图像序列，将采集到的图像信息传递给计算机处理。
在轨标定的过程实际是实现世界坐标系到像素坐标系的转换。Ow(Xw,Yw,Zw)、Oc(Xc,Yc,Zc)、O1(x,y)、O0(u,v)分别代表世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系。坐标系之间的转换关系为：
其中，A为相机内参数矩阵，[R|T]为相机外参数矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，zc是标定参数；
步骤三、计算机的图像处理模块首先将视觉测量相机3拍摄的结构振动视频转化为灰度图像序列，然后计算机的数字图像相关模块识别出图像序列中第一张图像中的标志物4，确定标志物4的质心位置，并以标志物4质心的振幅大小为依据对图像进行分割，构建数字图像相关的子区，进而在后续图像中利用数字图像相关法、亚像素定位法求取各个标志物以像素为单位的振动位移，最终通过相机标定将像素位移转换为实际位移，获得太阳帆航天器展开结构2上各个位移待测点的振动位移数据。
步骤四、计算机的子空间识别模块，利用随机子空间法，通过对太阳帆航天器展开结构2上位移待测点响应数据的处理，识别在轨运行的太阳帆航天器展开结构2的固有频率、阻尼比结构动特性，实现太阳帆航天器展开结构2的动特性在轨辨识。
从图3中可以看出，标志物图案由黑白正方形组成，目的是使标志物在图像处理时易于区别于太阳帆航天器展开结构。
从图4中可以看出，标志物在太阳帆展开结构上的的相对位置确定。标志物的位置即代表所关心的位移待测点的位置，其数量、位置完全取决于所要辨识的太阳帆航天器展开结构本身，不同结构形式的展开结构中标志物的数量、位置并不相同。
基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法的测量装置由两个视觉测量相机、标志物、相机固定装置和计算机组成。所述的视觉测量相机，用于标定并获取结构振动图像；所述的相机固定装置，用于调整、固定两个视觉测量相机的相对位置、方向；所述的标志物，用于标示位移待测点的位置，方便图像处理时对于位移待测点的识别；所述计算机，包括相机标定模块，图像处理模块，数字图像相关模块，子空间识别模块，所述模块分别用于确定相机的光学参数和相机相对于世界坐标的方位、将相机拍摄的结构振动视频转化为灰度图像序列、从图像序列中提取结构的振动位移、应用结构响应数据辨识结构动特性参数以实现结构动特性在轨辨识。
两个视觉测量相机在太阳帆航天器主体结构上的位置、方向是可调的，测量过程中需要保证所关心的位移待测点在视觉测量相机的视野之内。
标志物的形状是特定的，标志物的位置即代表所关心的位移待测点的位置，所以其数量、位置完全取决于所要辨识的太阳帆展开结构本身，不同结构的太阳帆展开结构中标志物的数量、位置并不相同。
Claims (1)
1.一种基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在太阳帆航天器主体结构(1)上布置两个视觉测量相机(3)，在太阳帆航天器展开结构(2)的位移待测点上布置标志物(4)；
步骤二、在太阳帆航天器展开结构(2)处于展开状态的情况下，经过调整相机支架，确定两个视觉测量相机(3)的位置和方向；视觉测量相机(3)进行在轨标定后，采集太阳帆航天器展开结构(2)上所关心的标志物(4)的图像序列，将采集到的图像信息传递给计算机处理；
采用下式实现世界坐标系到像素坐标系的转换；Ow(Xw,Yw,Zw)、Oc(Xc,Yc,Zc)、O1(x,y)和O0(u,v)分别代表世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系和像素坐标系；坐标系之间的转换关系为：
其中，A为相机内参数矩阵，[R|T]为相机外参数矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，zc是标定参数；
步骤三、计算机的图像处理模块首先将视觉测量相机(3)拍摄的结构振动视频转化为灰度图像序列，然后计算机的数字图像相关模块识别出图像序列中第一张图像中的标志物(4)，确定标志物(4)的质心位置，并以标志物(4)质心的振幅大小为依据对图像进行分割，构建数字图像相关的子区，进而在后续图像中利用数字图像相关法、亚像素定位法求取各个标志物以像素为单位的振动位移，最终通过相机标定将像素位移转换为实际位移，获得太阳帆航天器展开结构(2)上各个位移待测点的振动位移数据；
步骤四、计算机的子空间识别模块，利用随机子空间法，通过对太阳帆航天器展开结构(2)上位移待测点响应数据的处理，识别在轨运行的太阳帆航天器展开结构(2)的固有频率、阻尼比结构动特性，实现太阳帆航天器展开结构(2)的动特性在轨辨识。
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