[发明专利]立体视觉结合陀螺仪风洞模型位姿测量方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉测量领域，涉及一种立体视觉与陀螺仪相结合的投放物模型在风洞测量环境中，进行高速位姿测量的方法。

背景技术

随着航空工业的不断发展，飞行器的设计对风洞环境的实验模拟以及测量精度要求不断增加。并且用于风洞试验物体其位姿参数的精确测量精度将直接影响该投放物模型设计及其气动力分析。针对风洞等恶劣狭小环境，模型体积小、运动范围广、运动速度快、测试角度有限等因素，很难到达其位姿的高精度测量。机器视觉作为新兴技术具有非接触性、灵敏度高、精度高等特点，针对高速物的高精度位姿测量有着十分广阔的应用前景。而在恶劣环境下的基于视觉测量的高速高精度运动位姿测量系统设计将有助于提升航天航空技术的发展。

上海仪表厂的张宇等人发明的专利号为CN 1023528571 A“单目立体视觉相对位姿测量方法”发明了基于单目视觉求取运动目标位姿的测量方法。通过变换单目摄像机的位置在不同角度获取含有目标的图像序列。在进行目标检测和场景分析的基础上对相邻两幅图像进行特征匹配，进而进行摄像机自运动的估计和相对位姿的计算。该方法需要摄像机作相对运动，高速运动物体响应速度慢，并且在复杂的风洞环境中，测量背景不断变化进行目标检测困难较大。南京航空航天大学的王云舒等人发明的专利号为CN 103791889 A的“一种利用结构光辅助的单目视觉位姿测量方法”发明了一种单目视觉结合结构光的位姿测量方法。采用十字形结构光与相机同向布置的方式，合理调整测量装置所处位置，使得投射的结构光与物体表面的一条直线有两个交点，后经图像处理求解物体的姿态信息。该方法虽能实现非合作目标的位姿测量，但仅适用于静态或者微位移测量，无法完成物体的高速测量。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了立体视觉结合陀螺仪风洞模型的位姿测量方法。以陀螺仪输出滚转信息进行编码标志点的编码，通过双目视觉测量系统进行运动目标标记点序列图像采集。经图像处理结合直线拟合手段求取风洞模型俯仰、偏航以及位置参数，并且利用左、右高速摄像机对滚转信息进行解码，最终完成风洞模型位姿六参数的求解。本发明视觉与陀螺仪相结合的风洞环境投放物模型位姿测量方法，由于陀螺仪测量滚转角度精度较高，弥补了直接通过视觉系统测量滚转信息的不足。同时因采用的自发光标记点亮度大，有效的抑制了噪声的影响。标记点形状简单，特征信息提取、匹配、重建速度快、方法简单，实现风洞复杂环境投放模型位姿的高精度快速求取。

本发明所采用的技术方案是立体视觉结合陀螺仪风洞模型位姿测量方法，其特征是，该测量方法采用立体视觉与陀螺仪相结合的方式实现风洞环境投放物模型位姿的高精度测量；采用陀螺仪测量模型滚转角度信息，利用编码标记点直接显示二进制滚转角度值，左、右高速摄像机进行运动视场内投放物模型编码标记点序列图像采集；经图像处理后，根据各编码标记点位置信息求取投放物模型俯仰、滚转和位置信息，通过编码标志点二进制解码获得模型滚转参数；投放物模型位姿参数求解具体步骤如下：

1.投放物模型及标志点布局

在投放物模型2上布置标志点，根据投放物模型直径大小，标志点设有数组，每一组含有相同数量的标志点；每组标志点等距按行分布于待测类圆投放物模型圆周表面上，并且各标志点中心连线与投放物模型的轴线平行；标志点分为编码标志点4和常亮标志点5，编码标志点4用于滚转角的编码，常亮标志点5保证在每一滚转角度下都可以进行位姿求解；编码标志点4由安装于投放物模型内部的单轴角速率陀螺仪3控制，利用单轴角速率陀螺仪3测量的滚转角度参数控制各编码标志点4的亮暗以完成编码；编码时，编码标志点4亮记为1，不亮记为0；

2.高速序列图像采集与图像处理

采用已标定好的左、右高速摄像机1、1’进行高速序列图像采集，通过像素坐标系下的坐标与三维空间点的坐标的误差最小化函数对相机参数进行迭代求精；最小化函数方程为：