CN115014278B - 校准方法及装置、测量待测目标的方法、系统、飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及视觉测量以及图像检测技术领域，提供一种校准方法及装置、测量待测目标的方法、系统、飞行器，该校准方法包括以下步骤：从飞行观测平台向下释放预定长度的系留信号线，系留信号线的下端悬挂一系留靶标，该系留靶标能够接收定位信号并且该系留靶标的表面设有合作标志；校准相机对系留靶标成像并在图像中提取系留靶标合作标志；根据合作标志的定位以及合作标志在图像中的位置得到校准相机的姿态旋转矩阵；根据校准相机的姿态旋转矩阵、校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系，得到主观测设备姿态旋转矩阵，分解出主观测设备的姿态角。通过本方案，可以精确校准飞行观测平台主观测设备的姿态参数。

Description

校准方法及装置、测量待测目标的方法、系统、飞行器
技术领域
本发明涉及视觉测量以及图像检测技术领域，特别是涉及一种飞行观测平台姿态参数校准方法、飞行观测平台测量待测目标的方法、飞行观测平台姿态参数校准装置、飞行观测平台的自校准的测量系统、飞行器。
背景技术
飞行观测平台从空中对待测目标进行观测，如果通过光电成像和测距对待测目标进行定位，其精度依赖于飞行观测平台上主观测设备自身的位置和姿态精度。
由于在飞行观测平台飞行的过程中进行观测，主观测设备的位置姿态参数不能事先标定，必须在观测过程中实时得到。对于待测区域以及空中、地面都无法获取已知特征或随平台运动而观测视场不断变换的情况，主观测设备的位置可以通过卫星差分方法精确得到，主观测的姿态可以通过惯导得到。但惯导存在时间积累误差，对于稍长时间的观测，惯导给出的姿态误差偏大，无法满足高精度观测对主观测设备的姿态参数精度的需求。
因此，亟需开发一种飞行观测平台姿态参数校准方法、飞行观测平台测量待测目标的方法、飞行观测平台姿态参数校准装置、飞行观测平台的自校准的测量系统、飞行器，能够精确获取飞行过程中主观测设备的姿态参数，进而对主观测设备进行校准。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞行观测平台姿态参数校准方法、飞行观测平台测量待测目标的方法、飞行观测平台姿态参数校准装置、飞行观测平台的自校准的测量系统、飞行器，能够精确获取飞行过程中主观测设备的姿态参数，进而对主观测设备进行校准。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种飞行观测平台姿态参数校准方法，包括以下步骤：
主观测设备和校准相机均固定在飞行观测平台上，校准相机与主观测设备之间的相对位置和姿态固定不变，校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系已标定，主观测设备用于测量待测目标；
从飞行观测平台向下释放预定长度的系留信号线，系留信号线的下端悬挂一系留靶标，该系留靶标能够接收定位信号并且该系留靶标的表面设有合作标志；
校准相机对系留靶标成像并在图像中提取合作标志；
根据合作标志的定位以及合作标志在图像中的位置得到校准相机的姿态旋转矩阵；
根据校准相机的姿态旋转矩阵、校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系，得到主观测设备姿态旋转矩阵，分解出主观测设备的姿态角。
根据本发明一示例实施方式，所述系留靶标采用卫星定位接收天线。
根据本发明一示例实施方式，所述校准相机的姿态旋转矩阵包括校准相机第一旋转角、校准相机第二旋转角和校准相机第三旋转角，该校准相机第一旋转角等于飞行观测平台的俯仰角，该校准相机第二旋转角等于飞行观测平台的滚转角，该校准相机第三旋转角等于飞行观测平台的方位角。
根据本发明一示例实施方式，所述飞行观测平台的俯仰角的计算方法采用公式1：
Figure 565446DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，其中，A2X表示飞行观测平台的俯仰角，校准相机的光心坐标为（X0，Y0，Z0），校准相机的焦距为f，校准相机的像元尺寸为（dx，dy），校准相机的像面上光心坐标为（xc，yc），校准相机的像面上合作标志的像点坐标为（x，y），系留靶标的真实地理位置的坐标为（X，Y，Z）。
根据本发明一示例实施方式，所述飞行观测平台的滚转角的计算方法采用公式2：
Figure 805672DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，A2Y表示飞行观测平台的滚转角，校准相机的光心坐标为（X0，Y0，Z0），校准相机的焦距为f，校准相机的像元尺寸为（dx，dy），校准相机的像面上光心坐标为（xc，yc），校准相机的像面上合作标志的像点坐标为（x，y），系留靶标的真实地理位置的坐标为（X，Y，Z）。
根据本发明一示例实施方式，所述飞行观测平台的方位角从传感器中获取。
根据本发明一示例实施方式，所述传感器采用双卫星天线。
作为本发明的第二个方面，提供一种飞行观测平台测量待测目标的方法，包括如下步骤：采用所述的飞行观测平台姿态参数校准方法校准主观测设备；使用主观测设备对待测目标进行测量。
作为本发明的第三个方面，提供一种飞行观测平台姿态参数校准装置，主观测设备固定在飞行观测平台上并用于测量待测目标，该校准装置包括：
校准相机，固定在飞行观测平台上，用于拍摄系留靶标；
固连装置，与主观测设备、校准相机固定连接，使校准相机与主观测设备之间相对位置和姿态固定不变；
系留靶标，能够接收定位信号并且表面设有合作标志；
系留信号线，竖直设置，上端设置在飞行观测平台上，下端悬挂系留靶标；
姿态参数计算模块，与校准相机连接，并通过系留信号线与系留靶标连接，用于根据合作标志的定位以及合作标志在图像中的位置得到校准相机的姿态旋转矩阵，根据校准相机的姿态旋转矩阵、校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系，得到主观测设备姿态旋转矩阵，分解出主观测设备的姿态角。
作为本发明的第四个方面，提供一种飞行观测平台的自校准的测量系统，包括所述的飞行观测平台姿态参数校准装置和主观测设备；
该主观测设备与姿态参数计算模块连接，用于根据主观测设备的姿态角校准主观测设备并测量待测目标。
作为本发明的第五个方面，提供一种飞行器，包括：
所述飞行观测平台的自校准的测量系及飞行观测平台；
该测量系统设置在飞行观测平台上；
该飞行观测平台可在空中飞行。
本发明的有益效果是：
本方案通过对系留靶标成像精确测量和校正飞行观测平台的俯仰角和滚转角，再引入其他传感器得到的飞行观测平台方位角数据，得到飞行观测平台姿态，再根据事先标定的校准相机与主观测设备之间相对姿态关系，实现对主观测设备姿态角的校正。在飞行平台观测过程中随时可以用于主观测设备姿态角度校正，弥补惯导姿态角度漂移误差对观测精度的影响。并且本方案不需要用到地面特征，对地面场景无要求。
附图说明
图1示意性示出了飞行器的结构图。
图2示意性示出了校准相机拍摄系留靶标的成像示意图。
其中，1—主观测设备，2—校准相机，3—系留靶标，4—系留信号线，5—固连装置，6—姿态参数计算模块，7—卷绕器，8—飞行观测平台。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的第一个实施方式，提供一种飞行器，如图1所示，包括：飞行观测平台8、飞行观测平台的自校准的测量系统。
飞行观测平台8可在空中飞行，飞行观测平台8上安装有卫星定位天线。飞行观测平台8可以为大型的飞行器，也可以为无人机。
飞行观测平台的自校准的测量系统设置在飞行观测平台8上，优选地位于飞行观测平台8的下部并尽量靠近飞行观测平台的质心。飞行观测平台的自校准的测量系统包括飞行观测平台姿态参数校准装置和主观测设备1。飞行观测平台姿态参数校准装置包括校准相机2、固连装置5、系留靶标3、系留信号线4、姿态参数计算模块6、卷绕器7和传感器（未示出）。
校准相机2固定在飞行观测平台8上，设置在系留信号线4附近，拍摄方向为竖直向下，用于拍摄系留靶标3。
固连装置5与主观测设备1、校准相机2固定连接，使校准相机2与主观测设备1之间相对位置和姿态固定不变。
系留靶标3能够接收定位信号并且表面设有合作标志。系留靶标3采用小型卫星定位接收天线，合作标志色彩明显并涂装在系留靶标3的表面。
系留信号线4竖直设置，上端设置在飞行观测平台8上，与卷绕器7连接，下端悬挂系留靶标3。系留信号线4还与系留靶标3通讯地连接，用于传输信号。该系留信号线4具有足够强度并且为轻质信号线。因为是挂在飞行观测平台8上，系留信号线4越轻越好，因此，系留信号线4可采用每100米10-100克的轻质光纤。
卷绕器7与固连装置5固定连接，用于卷绕系留信号线4，可以调整系留信号线4的长度。
传感器与姿态参数计算模块6通讯地连接，用于接收飞行观测平台8方位角的信号，并传输给姿态参数计算模块6。优选地，传感器采用双卫星天线。双卫星天线有两个天线，分别设置在飞行观测平台8的头部和尾部，利用RTK技术实现定位。RTK（载波相位差分技术）是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法。采用RTK技术的定位精度能够达到1厘米，相比于只有一个天线的GPS定位（定位精度误差在十米左右）的精度更高。采用双卫星天线，可以测量飞行观测平台8的方位角和俯仰角，但是无法测量滚转角（因为天线设置在头部和尾部，无法感应到飞行观测平台8的滚转）。本方案采用双卫星天线测量方位角。俯仰角通过本方案的方法测量的精度会比RTK解算出来的精度更高。
姿态参数计算模块6与校准相机2、传感器通讯地连接，并通过系留信号线4与系留靶标3通讯地连接，用于根据合作标志的定位以及合作标志在图像中的位置、飞行观测平台8方位角得到校准相机2的姿态旋转矩阵，根据校准相机2的姿态旋转矩阵、校准相机2与主观测设备1之间的相对姿态关系，得到主观测设备1姿态旋转矩阵，分解出主观测设备1的姿态角。
该主观测设备1与姿态参数计算模块6通讯地连接，用于根据主观测设备1的姿态角校准主观测设备1并测量待测目标。待测目标可以是地面上的目标，也可以是飞行中的目标，只要能够出现在主观测设备1的相机视场即可。
作为本发明的第二个实施方式，提供一种采用第一个实施方式的飞行器测量待测目标的方法，包括如下步骤：
采用飞行观测平台姿态参数校准方法校准主观测设备1；使用主观测设备1对待测目标进行测量。
飞行观测平台姿态参数校准方法校准主观测设备1的方法包括如下步骤：
S1：通过卷绕器7从飞行观测平台8向下释放预定长度的系留信号线4，系留信号线4的下端悬挂一系留靶标3，该系留靶标3能够接收定位信号并且该系留靶标3的表面设有合作标志，使系留靶标3的合作标志进入校准相机2的成像范围中。
S2：校准相机2对系留靶标3成像并在图像中提取合作标志。
如图2所示，校准相机2的光心坐标为（X0，Y0，Z0），系留靶标3的真实地理坐标为（X，Y，Z）。校准相机2向下拍摄系留靶标3的合作标志，系留靶标3的合作标志会在像面上呈现一像点，像面的原点为I，该像点的坐标为（x，y），像面上的光心坐标为（xc，yc），校准相机2的焦距为f，校准相机2的像元尺寸为（dx，dy）。校准相机2的光心坐标为（X0，Y0，Z0）通过飞行观测平台8安装的卫星定位天线得到。像面上的光心坐标、校准相机2的焦距为f和校准相机2的像元尺寸为相机参数，通过事先标定得到。像点的坐标通过图像提取得到。系留靶标3的真实地理坐标通过系留靶标3自身卫星定位天线得到。通过成像，可以快速获取到像点在像面上的位置、光心在像面上的位置。
S3：根据合作标志的定位（即系留靶标3的定位）以及合作标志在图像中的位置得到校准相机2的姿态旋转矩阵。
校准相机2的姿态旋转矩阵包括校准相机第一旋转角A2X、校准相机第二旋转角A2Y和校准相机第三旋转角A2Z，该校准相机第一旋转角A2X等于飞行观测平台8的俯仰角，该校准相机第二旋转角A2Y等于飞行观测平台8的滚转角，该校准相机第三旋转角A2Z等于飞行观测平台8的方位角。
飞行观测平台8的俯仰角（即校准相机第一旋转角A2X）的计算方法采用公式1：
Figure 816485DEST_PATH_IMAGE003
（1）；
其中，A2X表示飞行观测平台8的俯仰角，校准相机2的光心坐标为（X0，Y0，Z0），校准相机2的焦距为f，校准相机2的像元尺寸为（dx，dy），校准相机2的像面上光心坐标为（xc，yc），校准相机2的像面上合作标志的像点坐标为（x，y），系留靶标3的真实地理位置的坐标为（X，Y，Z）。
飞行观测平台8的滚转角（即校准相机第二旋转角A2Y）的计算方法采用公式2：
Figure 534780DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，A2Y表示飞行观测平台8的滚转角，校准相机2的光心坐标为（X0，Y0，Z0），校准相机2的焦距为f，校准相机2的像元尺寸为（dx，dy），校准相机2的像面上光心坐标为（xc，yc），校准相机2的像面上合作标志的像点坐标为（x，y），系留靶标3的真实地理位置的坐标为（X，Y，Z）。
飞行观测平台8的方位角（即校准相机第三旋转角A2Z）从传感器（如双卫星天线）中获取。
通过计算，得到校准相机2的姿态旋转矩阵R2（A2X，A2Y，A2Z）。
S4：根据校准相机2的姿态旋转矩阵、校准相机2与主观测设备1之间的相对姿态关系，得到主观测设备1姿态旋转矩阵，分解出主观测设备1的姿态角。
校准相机2与主观测设备1之间的相对姿态关系已事先标定，校准相机2与主观测设备1之间相对姿态旋转矩阵R2-1，通过姿态旋转矩阵R2（A2X，A2Y，A2Z）和校准相机2与主观测设备1之间相对姿态旋转矩阵R2-1可计算主观测设备1姿态旋转矩阵R1。R1=R2×R2-1。
根据旋转矩阵与旋转角的关系，解出主观测设备1的姿态角（旋转角）A1X、A1Y、A1Z，即完成对主观测设备1姿态角度的校正。
如果主观测设备1上设有转台和高精度的角度编码器，主观测设备1可以相对于固连装置5转动，则还需要根据主观测设备1的转动角度计算出主观测设备1的姿态角，进而进行校正。
通过对系留靶标3成像精确测量和校正飞行观测平台8的俯仰角和滚转角，再引入其他传感器得到的飞行观测平台8方位角数据（如沿飞行器轴向双卫星天线方法，可精确测量飞行观测平台8方位角和俯仰角，但无法高精度得到滚转角），得到飞行观测平台8姿态，再根据事先标定的校准相机2与主观测设备1之间相对姿态关系，实现对主观测设备1姿态角的校正。采用本方案的方法，能够随时校正主观测设备1的姿态角，弥补惯导姿态角度漂移误差对观测精度的影响。同时在校正时不需要用到地面特征，对地面场景无要求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞行观测平台姿态参数校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
主观测设备和校准相机均固定在飞行观测平台上，校准相机与主观测设备之间的相对位置和姿态固定不变，校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系已标定，主观测设备用于测量待测目标；
从飞行观测平台向下释放预定长度的系留信号线，系留信号线的下端悬挂一系留靶标，该系留靶标能够接收定位信号并且该系留靶标的表面设有合作标志；
校准相机对系留靶标成像并在图像中提取合作标志；
根据合作标志的定位以及合作标志在图像中的位置得到校准相机的姿态旋转矩阵；所述校准相机的姿态旋转矩阵包括校准相机第一旋转角、校准相机第二旋转角和校准相机第三旋转角，该校准相机第一旋转角等于飞行观测平台的俯仰角，该校准相机第二旋转角等于飞行观测平台的滚转角，该校准相机第三旋转角等于飞行观测平台的方位角；
根据校准相机的姿态旋转矩阵、校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系，得到主观测设备姿态旋转矩阵，分解出主观测设备的姿态角。
2.根据权利要求1所述的飞行观测平台姿态参数校准方法，其特征在于，所述系留靶标采用卫星定位接收天线。
3.根据权利要求1所述的飞行观测平台姿态参数校准方法，其特征在于，所述飞行观测平台的俯仰角的计算方法采用公式1：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，A2X表示飞行观测平台的俯仰角，校准相机的光心坐标为（X0，Y0，Z0），校准相机的焦距为f，校准相机的像元尺寸为（dx，dy），校准相机的像面上光心坐标为（xc，yc），校准相机的像面上合作标志的像点坐标为（x，y），系留靶标的真实地理坐标为（X，Y，Z）。
4.根据权利要求1所述的飞行观测平台姿态参数校准方法，其特征在于，飞行观测平台的滚转角的计算方法采用公式2：
Figure 508962DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，A2Y表示飞行观测平台的滚转角，校准相机的光心坐标为（X0，Y0，Z0），校准相机的焦距为f，校准相机的像元尺寸为（dx，dy），校准相机的像面上光心坐标为（xc，yc），校准相机的像面上合作标志的像点坐标为（x，y），系留靶标的真实地理坐标为（X，Y，Z）。
5.根据权利要求1所述的飞行观测平台姿态参数校准方法，其特征在于，所述飞行观测平台的方位角从传感器中获取。
6.一种飞行观测平台测量待测目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：采用权利要求1-5中任一项所述的方法校准主观测设备；
使用主观测设备对待测目标进行测量。
7.一种飞行观测平台姿态参数校准装置，主观测设备固定在飞行观测平台上并用于测量待测目标，其特征在于，该校准装置包括：
校准相机，固定在飞行观测平台上，用于拍摄系留靶标；
固连装置，与主观测设备、校准相机固定连接，使校准相机与主观测设备之间相对位置和姿态固定不变；
系留靶标，能够接收定位信号并且表面设有合作标志；
系留信号线，竖直设置，上端设置在飞行观测平台上，下端悬挂系留靶标；
姿态参数计算模块，与校准相机连接，并通过系留信号线与系留靶标连接，用于根据合作标志的定位以及合作标志在图像中的位置得到校准相机的姿态旋转矩阵，根据校准相机的姿态旋转矩阵、校准相机与主观测设备之间的相对姿态关系，得到主观测设备姿态旋转矩阵，分解出主观测设备的姿态角；所述校准相机的姿态旋转矩阵包括校准相机第一旋转角、校准相机第二旋转角和校准相机第三旋转角，该校准相机第一旋转角等于飞行观测平台的俯仰角，该校准相机第二旋转角等于飞行观测平台的滚转角，该校准相机第三旋转角等于飞行观测平台的方位角。
8.一种飞行观测平台的自校准的测量系统，其特征在于，包括权利要求7所述的飞行观测平台姿态参数校准装置和主观测设备；
该主观测设备与姿态参数计算模块连接，用于根据主观测设备的姿态角校准主观测设备并测量待测目标。
9.一种飞行器，其特征在于，包括：
权利要求8的测量系统及飞行观测平台；
该测量系统设置在飞行观测平台上；
该飞行观测平台可在空中飞行。
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