CN106767540A - 一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法 - Google Patents

一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法 Download PDF

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Abstract

一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，首先将交会测量相机、标定靶标分别安装在两个平动三轴转台上，标定得到相机内外参数标定矩阵，建立相机光轴与反射镜误差模型，确定误差标定的反射镜指向在相机测量坐标系中的方向余弦参数，然后建立标定靶标基准立方镜坐标系，计算得到相机基准立方镜坐标系、相机测量坐标系与标定靶标基准立方镜坐标系的坐标转换矩阵，最后控制转台运动，得到标定靶标位置姿态、交会测量相机测量坐标系经反射镜镜像后的坐标系相对标定靶标基准立方镜坐标系的坐标转换矩阵，进而得到反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数。本发明完成了量相机光轴与反射镜夹角的误差标定，具有较好的使用价值。

Description

一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法
技术领域
本发明涉及标定技术领域，特别是一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法。
背景技术
交会测量系统是空间交会对接任务的关键测量部件，由安装在追踪飞行器上的交会测量相机以及安装在目标飞行器上的合作目标组成。交会测量相机采用同轴照明的方式对合作目标照明，合作目标通过反射照明光到相机成像，获得合作目标图像，通过图像处理和计算，可以得到相机坐标系相对于合作目标坐标系的相对位置和相对姿态角，从而为交会对接提供相对导航的测量信息。
为实现同轴照明，交会测量相机在光学镜头前设置了一个与光轴夹角为45°的反射镜，同时在光轴与反射镜相交位置开孔，将照明单元光纤放置于该开孔位置，把出射光导出。由于反射镜对相机坐标系具有镜像效应，实际测量中相当于相机在其镜像位置对合作目标进行测量，获得的位置和姿态数据也是相机镜像坐标系与合作目标坐标系间的位置和姿态角数据，因此虽然在相机装配过程中已对成像组件进行了内参数标定，但由于在反射镜装配和精测过程中的光轴测量误差、设备测量误差以及装调定位误差，反射镜与相机光轴夹角的误差，交会测量相机存在姿态和位置测量误差。现有的交会测量相机测量技术为了消除反射镜与光轴夹角误差的影响，专门精密装调测量设备对其进行精确测量并调校，但由于镜头光轴误差、仪器测量误差以及装调定位误差的影响，最终反射镜与相机光轴间仍存在±0.02°左右的残余测量误差，另外由于反射镜存在2倍光学镜像放大效应，该误差最终给姿态精度带来±0.04°残余误差，位置误差随着距离变远而逐变大。考虑到常规精密装调测量设备无法彻底消除反射镜与光轴间残余夹角误差，必须寻找一种新的标定方法，消除反射镜与光轴夹角误差给交会测量子系统带来的姿态和位置测量误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有的光学精密装调测量设备直接光学瞄准观测方法对相机反射镜与光轴进行精密测量存在较大残余误差的缺陷，提供了一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，通过利用多台经纬仪组成的位姿测量系统，精确建立相机与基准立方镜坐标系的坐标转换矩阵，进而得到无法直接观测测量的相机反射镜与光轴间夹角参数值，完成了交会测量相机光轴与反射镜夹角的误差标定，具有测量原理简单、精度高、可操作性强的优点。
本发明的技术解决方案是：一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，包括如下步骤：
(1)将交会测量相机安装在第一平动三轴转台上，标定靶标安装在第二平动三轴转台上；
(2)将交会测量相机光轴与相机基准立方镜进行标定得到相机内外参数标定矩阵，建立交会测量相机光轴与反射镜误差模型，确定要进行误差标定的反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数；所述的反射镜放置在交会测量相机光学镜头前并与交会测量相机光轴夹角为45°；所述的相机内外参数标定矩阵为相机基准立方镜坐标系{OC}与相机测量坐标系{Oi}的坐标转换矩阵，其中，相机基准立方镜坐标系{OC}以相机基准立方镜的几何中心为原点、相机基准立方镜法线中互相垂直的两个法线方向分别作为x轴、y轴指向，z轴符合右手定则；
(3)通过4台经纬仪组成的位姿测量系统，建立标定靶标基准立方镜坐标系{OT}；所述的标定靶标基准立方镜坐标系{OT}以标定靶标立方镜的几何中心为原点、标定靶标立方镜法线中互相垂直的两个法线方向分别作为x轴、y轴指向，z轴符合右手定则；
(4)根据相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}计算得到相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}坐标转换矩阵；
(5)根据相机内外参数标定矩阵，将相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵变换为交会测量相机测量坐标系{Oi}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵；
(6)控制第一平动三轴转台、第二平动三轴转台平移并转动，使得标定靶标分别位于交会测量相机视场中央位置、交会测量相机水平视场正5度位置、交会测量相机水平视场负5度位置、交会测量相机垂直视场5度位置、交会测量相机垂直视场负5度位置，当标定靶分别处于该5个位置时，控制交会测量相机分别对标定靶标完成位置姿态测量，进而得到5组标定靶标位置姿态，进而计算得到交会测量相机测量坐标系{Oi}经反射镜镜像后的坐标系{Oi'}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵；所述的坐标系{Oi'}为交会测量相机测量坐标系{Oi}经过反射镜镜像后得到的坐标系；
(7)根据交会测量相机光轴与反射镜误差模型，利用坐标系{Oi'}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵、相机测量坐标系{Oi}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵，解算得到反射镜法向向量在相机测量坐标系{Oi}下的方向余弦，进而得到反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数。
所述的第一平动三轴转台、第二平动三轴转台距离的取值范围为为[3m-5m]。
本发明与现有技术相比的优点在于：
针对现有技术的不足，提出一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，克服现有的光学精密装调测量设备直接光学瞄准观测方法对相机反射镜与光轴进行精密测量存在±0.04°残余误差且无法消除的缺陷，提供了一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，通过利用多台经纬仪组成的位姿测量系统，精确建立相机与基准立方镜坐标系的坐标转换矩阵，进而得到无法直接观测测量的相机反射镜与光轴间夹角参数值，完成了交会测量相机光轴与反射镜夹角的误差标定，具有测量原理简单、精度高、可操作性强的优点。
附图说明
图1为本发明一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法原理流程图；
图2为本发明一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法对应的位置关系图；
图3为本发明方法中标定靶标与交会测量相机视场位置示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，克服现有的光学精密装调测量设备直接光学瞄准观测方法对相机反射镜与光轴进行精密测量存在±0.04°残余误差且无法消除的缺陷，提供了一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，通过利用多台经纬仪组成的位姿测量系统，精确建立相机与基准立方镜坐标系的坐标转换矩阵，进而得到无法直接观测测量的相机反射镜与光轴间夹角参数值，完成了交会测量相机光轴与反射镜夹角的误差标定，具有测量原理简单、精度高、可操作性强的优点，下面结合附图对本发明方法进行详细说明。
如图1所示为一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法原理流程图，包括如下步骤：
(1)如图2为本发明一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法对应的位置关系图，本发明方法将交会测量相机安装在第一平动三轴转台上，标定靶标安装在第二平动三轴转台上；其中，第一平动三轴转台、第二平动三轴转台的距离为[3m-5m]；
(2)将交会测量相机光轴与相机基准立方镜进行标定得到相机内外参数标定矩阵，建立交会测量相机光轴与反射镜误差模型，确定要进行误差标定的反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数；所述的反射镜放置在交会测量相机光学镜头前并与交会测量相机光轴夹角为45°；所述的相机内外参数标定矩阵为相机基准立方镜坐标系{OC}与相机测量坐标系{Oi}的坐标转换矩阵，其中，相机基准立方镜坐标系{OC}以相机基准立方镜的几何中心为原点、相机基准立方镜法线中互相垂直的两个法线方向分别作为x轴、y轴指向，z轴符合右手定则；
(3)通过4台经纬仪组成的位姿测量系统，建立标定靶标基准立方镜坐标系{OT}；所述的标定靶标基准立方镜坐标系{OT}以标定靶标立方镜的几何中心为原点、标定靶标立方镜法线中互相垂直的两个法线方向分别作为x轴、y轴指向，z轴符合右手定则；
(4)根据相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}计算得到相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}坐标转换矩阵；
(5)根据相机内外参数标定矩阵，将相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵变换为交会测量相机测量坐标系{Oi}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵；
(6)控制第一平动三轴转台、第二平动三轴转台平移并转动，如图3所示为标定靶标与交会测量相机视场位置示意图，本发明方法使得标定靶标分别位于交会测量相机视场中央位置、交会测量相机水平视场正5度位置、交会测量相机水平视场负5度位置、交会测量相机垂直视场5度位置、交会测量相机垂直视场负5度位置，当在上述5个位置时，控制交会测量相机分别对标定靶标完成位置姿态测量，得到5组标定靶标位置姿态，进而计算得到交会测量相机测量坐标系{Oi}经反射镜镜像后的坐标系{Oi'}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵；所述的坐标系{Oi'}为交会测量相机测量坐标系{Oi}经过反射镜镜像后得到的坐标系；
(7)根据交会测量相机光轴与反射镜误差模型，利用坐标系{Oi'}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵、相机测量坐标系{Oi}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵，解算得到反射镜法向向量在相机测量坐标系{Oi}下的方向余弦，进而得到反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将交会测量相机安装在第一平动三轴转台上，标定靶标安装在第二平动三轴转台上；
(2)将交会测量相机光轴与相机基准立方镜进行标定得到相机内外参数标定矩阵，建立交会测量相机光轴与反射镜误差模型，确定要进行误差标定的反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数；所述的反射镜放置在交会测量相机光学镜头前并与交会测量相机光轴夹角为45°；所述的相机内外参数标定矩阵为相机基准立方镜坐标系{OC}与相机测量坐标系{Oi}的坐标转换矩阵，其中，相机基准立方镜坐标系{OC}以相机基准立方镜的几何中心为原点、相机基准立方镜法线中互相垂直的两个法线方向分别作为x轴、y轴指向，z轴符合右手定则；
(3)通过4台经纬仪组成的位姿测量系统，建立标定靶标基准立方镜坐标系{OT}；所述的标定靶标基准立方镜坐标系{OT}以标定靶标立方镜的几何中心为原点、标定靶标立方镜法线中互相垂直的两个法线方向分别作为x轴、y轴指向，z轴符合右手定则；
(4)根据相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}计算得到相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}坐标转换矩阵；
(5)根据相机内外参数标定矩阵，将相机基准立方镜坐标系{OC}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵变换为交会测量相机测量坐标系{Oi}、标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵；
(6)控制第一平动三轴转台、第二平动三轴转台平移并转动，使得标定靶标分别位于交会测量相机视场中央位置、交会测量相机水平视场正5度位置、交会测量相机水平视场负5度位置、交会测量相机垂直视场5度位置、交会测量相机垂直视场负5度位置，当标定靶分别处于该5个位置时，控制交会测量相机分别对标定靶标完成位置姿态测量，进而得到5组标定靶标位置姿态，进而计算得到交会测量相机测量坐标系{Oi}经反射镜镜像后的坐标系{Oi'}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵；所述的坐标系{Oi'}为交会测量相机测量坐标系{Oi}经过反射镜镜像后得到的坐标系；
(7)根据交会测量相机光轴与反射镜误差模型，利用坐标系{Oi'}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵、相机测量坐标系{Oi}相对标定靶标基准立方镜坐标系{OT}的坐标转换矩阵，解算得到反射镜法向向量在相机测量坐标系{Oi}下的方向余弦，进而得到反射镜指向在交会测量相机测量坐标系中的方向余弦参数。
2.根据权利要求1所述的一种交会测量相机光轴与反射镜夹角误差标定方法，其特征在于：所述的第一平动三轴转台、第二平动三轴转台距离的取值范围为为[3m-5m]。
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