CN108253935B - 复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法 - Google Patents

复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模型姿态测量技术领域，具体公开了一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法。该方法包括：1、建立双目测量站，并利用标定板对双目测量站进行标定；2、对双目测量站进行关联；3、制作模型标记点并进行扫描建模；4、模型超高速自由飞行过程中获得前光图像和闪光时序；5、利用图像处理解算模型姿态；本发明所述的一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，通过建立复杂外形模型超高速飞行200米距离的视场大于直径1米的双目前光照相定位测量站，根据双目前光图像可解算出超高速飞行模型在各测量站的姿态和质心坐标；结合双目测量站激光器闪光的时间，获得模型超高速飞行过程中的速度。

Description

复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法
技术领域
本发明属于模型姿态测量技术领域，具体涉及一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法。
背景技术
模型姿态测量的方法主要有阴影照相法和高速摄影照相法。准直阴影照相具有物、像放大倍数一致，是针对高速和超高速飞行弹丸的弹道性能、空间飞行姿态、速度、流场等的一种重要非接触测试手段，利用短脉冲光源获得阴影图像清晰；在超高速自由飞行的弹道上安装正交阴影仪，正交阴影图像结合基准系统可计算出模型的飞行姿态。高速摄像法是利用高速相机拍摄模型的飞行图像，根据图像中的模型计算姿态。
外形复杂模型超高速自由飞行200米距离，在飞行过程中的姿态、弹道会发生变化，要求姿态测量系统的视场达到直径1米。如此大的视场采用准直阴影照相，不仅成本较高，而且存在大口径光学元件加工风险。
随着自由飞模型飞行速度增大，高速相机拍摄图像中可能存在模型的拖影影响姿态计算；针对直径1m的测试视场，要求高速相机的成像分辨率达到1000万像素以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，
本发明的技术方案如下：一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、建立双目测量站，并利用标定板对双目测量站进行标定；
步骤2、对双目测量站进行关联；
步骤3、制作模型标记点并进行扫描建模
在模型表面制作圆形的标记点，并对其进行编码；通过质心测量系统获得其质心位置，并通过三维扫描系统建立模型表面标记点之间的空间位置关系，利用数据处理，将标记点转换到模型质心坐标系下；
步骤4、模型超高速自由飞行过程中获得前光图像和闪光时序；
步骤5、利用图像处理解算模型姿态；
根据各测量站获得的双目前光图像，通过图像处理与提取双目前光图像中可同时识别的模型表面标记点，获得至少三个标记点在测量站相机坐标系的坐标，根据测量站坐标系与全局坐标系的平移矢量和旋转矩阵、标记点在模型质心坐标系下的值，解算出模型在各测量站位置的空间姿态和质心位置。
所述的步骤1具体包括：
将标定板放置于双目测量站双目测量视场内，其中，标定板上点不同的Pk的空间位置关系已知；将双目窗口玻璃作为成像光路的一部分进行标定，并建立起单站测量坐标。将双目系统测量的世界坐标系O-XYZ建立在左相机上，图像坐标系为Ol-XlYl，有效焦距为fl；右相机坐标系为Or-XrYrZr，图像坐标系为Or-XrYr，有效焦距为fr，则左、右相机坐标的旋转矩阵和平移矢量为：
Figure BDA0001196359900000021
根据相机透视投影变换模型可得标定板上的Pk点在双目左相机坐标系的值为：
xk＝zkXl/fl
yk＝zkYl/fl
Figure BDA0001196359900000022
根据标定板上不同Pk点之间的距离，结合上述两个方程(即可解算出两个相机焦距fl、fr，以及O-XYZ坐标系与Or-XrYrZr坐标系之间的旋转矩阵R和原点之间的平移矢量T。
所述的步骤2中对双目测量站进行关联的具体步骤为：
在沿200m范围内分布18个棱镜，组成全局基准坐标系；同时，已知至少三个棱镜建立的坐标系((xP1,yP1,zP1)，(xP2,yP2,zP2),(xP3,yP3,zP3))与标定板上的至少三个点((xF1,yF1,zF1),(xF2,yF2,zF2),(xF3,yF3,zF3)所建坐标系旋转矩阵RPF和原点之间的平移矢量TPF；
将关联装置放置在双目测量站视场内，通过双目图像获得平板上至少三个点在测量站下的坐标(xF1C,yF1C,zF1C)，(xF2C,yF2C,zF2C)以及(xF3C,yF3C,zF3C)，同时通过全站仪测量侧面至少三个棱镜在全局坐标系下的坐标(xP1G,yP1G,zP1G)，(xP2G,yP2G,zP2G)以及(xP3G,yP3G,zP3G)，根据下面的方程解算出双目相机坐标系到标定板坐标系的旋转矩阵RCF和平移矢量TCF、棱镜坐标系到全局坐标系的旋转矩阵RPG和平移矢量TPG。
Figure BDA0001196359900000031
Figure BDA0001196359900000032
为了提高关联的精度，将关联装置放置在双目视场内的四个不同位置，双目测量站坐标系与全局坐标系的平移向量TCG和旋转矩阵RCG由下式结算：
Figure BDA0001196359900000033
所述的步骤4中获得超高速自由飞行模型前光图像和闪光时序具体为：
采用双目测量站的数字相机序列开启、微秒级曝光，根据测控系统提供的模型到达双目测量站视场中心的时刻，序列控制双目测量站数字相机曝光和脉冲激光器发光，每个双目测量站脉冲激光器出光的时刻在数字相机曝光时间内；在在成像镜头安装窄带滤光片，滤除模型超高速自由飞行过程中的强烈自发光以及其它外界杂光，获得清晰的图像。
所述的步骤5中解算模型姿态的具体步骤为：
靶室全局基准坐标系OG-XGYGZG下利用双目系统重建的编码点三维坐标为(xjG,yjG,zjG)，j＝1,2...n为标记点编号；设模型质心坐标系OM-XMYMZM到OG-XGYGZG的转换关系为RMG、TMG，则有：
Figure BDA0001196359900000034
通过分解旋转矩阵线性解法，可以计算出两个坐标系之间的旋转矩阵RMG和平移向量TMG，其中-RMG TTMG为模型质心在全局下的坐标。根据模型在运动时俯仰角θ、偏航角
Figure BDA0001196359900000035
和滚转角φ的定义，将其转化为两个坐标系旋转矩阵，解算出模型的姿态：
Figure BDA0001196359900000041
识别提取的公共标记点越多，解算的精度越高。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，通过建立复杂外形模型超高速飞行200米距离的视场大于直径1米的双目前光照相定位测量站，根据双目前光图像可解算出超高速飞行模型在各测量站的姿态和质心坐标；结合双目测量站激光器闪光的时间，获得模型超高速飞行过程中的速度。
附图说明
图1为本发明所述的一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法流程图；
图2位双目测量站的布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、建立双目测量站，并利用标定板对双目测量站进行标定；
将标定板放置于双目测量站双目测量视场内，其中，标定板上点不同的Pk(k表示标记点的标号)的空间位置关系已知；将双目窗口玻璃作为成像光路的一部分进行标定，并建立起单站测量坐标。将双目系统测量的世界坐标系O-XYZ建立在左相机上，图像坐标系为Ol-XlYl，有效焦距为fl；右相机坐标系为Or-XrYrZr，图像坐标系为Or-XrYr，有效焦距为fr，则左、右相机坐标的旋转矩阵和平移矢量为：
Figure BDA0001196359900000042
根据相机透视投影变换模型可得标定板上的Pk点在双目左相机坐标系的值为：
xk＝zkXl/fl
yk＝zkYl/fl
Figure BDA0001196359900000051
根据标定板上不同Pk点之间的距离，结合方程(1)、(2)即可解算出两个相机焦距fl、fr，以及O-XYZ坐标系与Or-XrYrZr坐标系之间的旋转矩阵R和原点之间的平移矢量T；
为了提高标定的精度，将标定板放置于双目测试视场内至少10个不同的位置；
步骤2、对双目测量站进行关联；
在沿200m范围内分布18个棱镜，组成全局基准坐标系；同时，已知至少三个棱镜建立的坐标系((xP1,yP1,zP1)，(xP2,yP2,zP2),(xP3,yP3,zP3))与标定板上的至少三个点((xF1,yF1,zF1),(xF2,yF2,zF2),(xF3,yF3,zF3)所建坐标系旋转矩阵RPF和原点之间的平移矢量TPF；
将关联装置放置在双目测量站视场内，通过双目图像获得平板上至少三个点在测量站下的坐标(xF1C,yF1C,zF1C)，(xF2C,yF2C,zF2C)以及(xF3C,yF3C,zF3C)，同时通过全站仪测量侧面至少三个棱镜在全局坐标系下的坐标(xP1G,yP1G,zP1G)，(xP2G,yP2G,zP2G)以及(xP3G,yP3G,zP3G)，根据下面的方程(3)、(4)解算出双目相机坐标系到标定板坐标系的旋转矩阵RCF和平移矢量TCF、棱镜坐标系到全局坐标系的旋转矩阵RPG和平移矢量TPG。
Figure BDA0001196359900000052
Figure BDA0001196359900000053
为了提高关联的精度，将关联装置放置在双目视场内的四个不同位置，双目测量站坐标系与全局坐标系的平移向量TCG和旋转矩阵RCG由下式结算：
Figure BDA0001196359900000054
不同双目测量站的关联方式同样可利用上面的方式进行关联；
步骤3、制作模型标记点并进行扫描建模
在模型表面制作圆形的标记点，并对其进行编码；通过质心测量系统获得其质心位置，并通过三维扫描系统建立模型表面标记点之间的空间位置关系，利用数据处理，将标记点转换到模型质心坐标系下(xjM,yjM,zjM)，(j＝1,2...n)为标记点编号；其中，模型表面的至少三个标记点可表征模型的空间姿态和质心位置；
步骤4、模型超高速自由飞行过程中获得前光图像和闪光时序；
采用双目测量站的数字相机序列开启、微秒级曝光，根据测控系统提供的模型到达双目测量站视场中心的时刻，序列控制双目测量站数字相机曝光和光源(脉冲激光器)发光，每个双目测量站脉冲激光器出光的时刻在数字相机曝光时间内；在在成像镜头安装窄带滤光片，滤除模型超高速自由飞行过程中的强烈自发光以及其它外界杂光，获得清晰的图像；
步骤5、利用图像处理解算模型姿态；
根据各测量站获得的双目前光图像，通过图像处理与提取双目前光图像中可同时识别的模型表面标记点，获得至少三个标记点在测量站相机坐标系的坐标，根据测量站坐标系与全局坐标系的平移矢量TCG和旋转矩阵RCG、标记点在模型质心坐标系下的值，解算出模型在各测量站位置的空间姿态和质心位置；
靶室全局基准坐标系OG-XGYGZG下利用双目系统重建的编码点三维坐标为(xjG,yjG,zjG)，j＝1,2...n为标记点编号；设模型质心坐标系OM-XMYMZM到OG-XGYGZG的转换关系为RMG、TMG，则有：
Figure BDA0001196359900000061
通过分解旋转矩阵线性解法，可以计算出两个坐标系之间的旋转矩阵RMG和平移向量TMG，其中-RMG TTMG为模型质心在全局下的坐标。根据模型在运动时俯仰角θ、偏航角
Figure BDA0001196359900000062
和滚转角φ的定义，将其转化为两个坐标系旋转矩阵，解算出模型的姿态：
Figure BDA0001196359900000071
识别提取的公共标记点越多，解算的精度越高；不同双目测量站的图像处理、姿态解算方法相同。

Claims (4)

1.一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤1、建立双目测量站，并利用标定板对双目测量站进行标定；
步骤2、对双目测量站进行关联；
在沿200m范围内分布18个棱镜，组成全局基准坐标系；同时，已知至少三个棱镜建立的坐标系((xP1,yP1,zP1)，(xP2,yP2,zP2),(xP3,yP3,zP3))与标定板上的至少三个点((xF1,yF1,zF1),(xF2,yF2,zF2),(xF3,yF3,zF3)所建坐标系旋转矩阵RPF和原点之间的平移矢量TPF；
将关联装置放置在双目测量站视场内，通过双目图像获得平板上至少三个点在测量站下的坐标(xF1C,yF1C,zF1C)，(xF2C,yF2C,zF2C)以及(xF3C,yF3C,zF3C)，同时通过全站仪测量侧面至少三个棱镜在全局坐标系下的坐标(xP1G,yP1G,zP1G)，(xP2G,yP2G,zP2G)以及(xP3G,yP3G,zP3G)，根据下面的方程解算出双目相机坐标系到标定板坐标系的旋转矩阵RCF和平移矢量TCF、棱镜坐标系到全局坐标系的旋转矩阵RPG和平移矢量TPG；
Figure FDA0002368018170000011
Figure FDA0002368018170000012
为了提高关联的精度，将关联装置放置在双目视场内的四个不同位置，双目测量站坐标系与全局坐标系的平移向量TCG和旋转矩阵RCG由下式结算：
Figure FDA0002368018170000013
步骤3、制作模型标记点并进行扫描建模
在模型表面制作圆形的标记点，并对其进行编码；通过质心测量系统获得其质心位置，并通过三维扫描系统建立模型表面标记点之间的空间位置关系，利用数据处理，将标记点转换到模型质心坐标系下；
步骤4、模型超高速自由飞行过程中获得前光图像和闪光时序；
步骤5、利用图像处理解算模型姿态；
根据各测量站获得的双目前光图像，通过图像处理与提取双目前光图像中可同时识别的模型表面标记点，获得至少三个标记点在测量站相机坐标系的坐标，根据测量站坐标系与全局坐标系的平移矢量和旋转矩阵、标记点在模型质心坐标系下的值，解算出模型在各测量站位置的空间姿态和质心位置。
2.根据权利要求1所述的一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，其特征在于：所述的步骤1具体包括：
将标定板放置于双目测量站双目测量视场内，其中，标定板上点不同的Pk的空间位置关系已知；将双目窗口玻璃作为成像光路的一部分进行标定，并建立起单站测量坐标；将双目系统测量的世界坐标系O-XYZ建立在左相机上，图像坐标系为Ol-XlYl，有效焦距为fl；右相机坐标系为Or-XrYrZr，图像坐标系为Or-XrYr，有效焦距为fr，则左、右相机坐标的旋转矩阵和平移矢量为：
Figure FDA0002368018170000021
根据相机透视投影变换模型可得标定板上的Pk点在双目左相机坐标系的值为：
xk＝zkXl/fl
yk＝zkYl/fl
Figure FDA0002368018170000022
根据标定板上不同Pk点之间的距离，即可解算出两个相机焦距fl、fr，以及O-XYZ坐标系与Or-XrYrZr坐标系之间的旋转矩阵R和原点之间的平移矢量T。
3.根据权利要求1所述的一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，其特征在于：所述的步骤4中获得超高速自由飞行模型前光图像和闪光时序具体为：
采用双目测量站的数字相机序列开启、微秒级曝光，根据测控系统提供的模型到达双目测量站视场中心的时刻，序列控制双目测量站数字相机曝光和脉冲激光器发光，每个双目测量站脉冲激光器出光的时刻在数字相机曝光时间内；在成像镜头安装窄带滤光片，滤除模型超高速自由飞行过程中的强烈自发光以及其它外界杂光，获得清晰的图像。
4.根据权利要求1所述的一种复杂外形模型超高速自由飞行姿态测量方法，其特征在于：所述的步骤5中解算模型姿态的具体步骤为：
靶室全局基准坐标系OG-XGYGZG下利用双目系统重建的编码点三维坐标为(xjG,yjG,zjG)，j＝1,2...n为标记点编号；设模型质心坐标系OM-XMYMZM到OG-XGYGZG的转换关系为RMG、TMG，则有：
Figure FDA0002368018170000031
通过分解旋转矩阵线性解法，可以计算出两个坐标系之间的旋转矩阵RMG和平移向量TMG，其中-RMG TTMG为模型质心在全局下的坐标；根据模型在运动时俯仰角θ、偏航角
Figure FDA0002368018170000033
和滚转角φ的定义，将其转化为两个坐标系旋转矩阵，解算出模型的姿态：
Figure FDA0002368018170000032
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