[发明专利]一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法

说明书

技术领域

本发明属于运动物体空间姿态动态测量技术领域，具体涉及一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法。

背景技术

空间姿态动态测量指利用传感器获取空间物体三维运动姿态参数，包括物体自身坐标系相对于某固定参考坐标系的偏航角、俯仰角和滚转角。由于物体处于运动当中，接触式测量方法不能解决上述测量问题，需要采用非接触式测量方法。其中，光学测量是主流的空间姿态动态测量技术。现有的测量物体空间姿态的技术主要有利用光电经纬仪图像的中轴线法、利用多相机的二维平面测量方法和利用单站图像基于数学迭代优化方法等。

(1)利用光电经纬仪图像的中轴线法

利用光电经纬仪图像的中轴线法是首先假设被测物体是轴对称的，利用光电经纬仪获取被测物体清晰轮廓的图像，利用图像处理技术对图像进行分析处理，提取被测物的两条轮廓边界的直线方程，进而求出被测物体的中轴线方程，此直线与经纬仪照相系统的光心唯一确定了一个空间平面；利用两台经纬仪测量就能得到两个平面，两平面在空间相交，其交线就是被测物体的空间中轴线。得到物体的空间中轴线，便可进一步求出被测物体的偏航角和俯仰角。

(2)利用多相机的二维平面测量方法

利用多相机的二维平面测量方法是首先在被测物体上设置光学靶标，制造成像特征，利用多台相机在空间不同位置对被测物体成像，获取光学靶标的图像，利用两个光学靶标的质心构建一条直线，解算直线与相机坐标轴间的角度，进而求解被测物体的空间姿态角在与相机成像平面平行的平面内的角分量，利用多台相机便可以获得被测物体在指定方向上的姿态角变化。

(3)利用单站图像的数学迭代优化法

利用单站图像的数学迭代优化法是利用单个影像经纬仪或相机获取被测物体的图像，通过图像处理技术提取被测物轮廓上的边界角点，由摄影测量理论中共线条件约束可知，像面上一点a与相机光心O的连线确定空间一条直线Oa，像点对应的物点A必在直线Oa上。取被测目标上多于三个特征点，且已知任意两点间的距离，利用数学迭代优化的方法便可求解出被测物体的空间三维姿态。

现有的技术方法在面对不规则外形的物体空间三维姿态动态测量问题时，均表现出一定局限性：

(1)利用光电经纬仪图像的中轴线法仅适用于轮廓线是直线的轴对称物体，对被测物的形状规则性依赖性很强，对于非轴对称的不规则形体，算法稳定性和适应性受到很大影响，测量精度严重降低，甚至出现方法失效的情况；另外，该方法完全依靠物体自身的轮廓图像，由于轮廓提取精度是影响测量精度的关键因素之一，保证有效的测量精度对图像处理技术提出很高要求，相应的算法复杂性显著提高。

(2)利用多相机的二维平面测量方法本质上属于二维测量，获得的测量结果是被测物空间三维姿态角在某固定平面上的投影分量，投影平面是与成像相机像面平行的平面。因此，该方法的测量结果不能真实的反映被测物的三维姿态角，需要在不同位置设置测量相机获取感兴趣的方向上的姿态角，或通过多个方向的姿态角合成被测物体的三维空间姿态角数据。

(3)利用单站图像的数学迭代优化方法是基于相机成像模型结合空间距离约束建立数学方程，利用数学方法迭代优化求解被测物空间姿态参数。该方法的测量精度严重依赖相机内参数、畸变参数的标定精度和空间约束距离的精度，与图像处理被测物边界角点的精度密切相关。目前能够实现的精度不高，受图像质量影响显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法，能够适用于非轴对称的不规则外形的空间物体；通过设置测量特征，能够容易得到很高的特征提取精度，能够实现真正的三维姿态角测量，且该方法对图像处理算法的要求低，实现简单，精度高。

本发明的技术方案如下：一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、在被测物上设置光学靶标，并利用激光跟踪仪对所有光学靶标进行全局校准；

在被测物体表面的明显位置设有光学靶标，并保证被测物体运动过程中左右两台相机均能够同时看到至少三个光学靶标；

步骤2、利用相机测量系统标定技术对测量系统进行标定，并利用计算机控制左右两相机同步采集测量图像，并通过图像处理技术提取光学靶标的图像坐标；

步骤2.1、利用相机测量系统标定技术标定出左右两台测量相机的内参数和外参数；

步骤2.2、通过同步控制器控制两台测量相机以固定测量频率采集测量图像，并利用质心法提取光学靶标的图像坐标；

步骤2.3、获取光学靶标在两台相机的测量图像中对应的质心坐标后，对成像镜头的畸变进行校正补偿；