專利名稱：基于線陣ccd的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電式幾何量測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空間目標姿態(tài)測量方法。(二) 背景技術(shù)實現(xiàn)對空間目標的姿態(tài)測量也就是對其姿態(tài)角(俯仰角a、偏航角P和滾動角Y)的測 量，可以廣泛應(yīng)用于機器人研究、柔性制造系統(tǒng)、精密機械裝配及含有內(nèi)部姿態(tài)敏感裝置 飛行器的出廠檢驗等領(lǐng)域。目前主要采用兩種方式 一種是基于激光干涉技術(shù)的姿態(tài)測量 方式，代表產(chǎn)品為API的第三代激光跟蹤儀，可以實現(xiàn)對運動目標高精度的姿態(tài)測量，但 合作目標復(fù)雜，適用性差，不易于實現(xiàn)動態(tài)測量，而且價格昂貴；另一種是基于機器視覺 的姿態(tài)測量方式，根據(jù)是否在被測物體上安裝合作目標，或是采用攝像機的數(shù)量，姿態(tài)測 量模型各不相同，但均采用基于面陣圖像傳感器的攝像機進行測量，多存在速度和精度的 矛盾。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種技術(shù)、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在同等測量精度的前提下，其 測量范圍可以做的很大，且易于滿足實時測量要求的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系 統(tǒng)及其測量方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提出的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)包括一路雙點目標三維坐標重構(gòu) 子系統(tǒng)S3DCRDPT、 一路點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRPT及布置于被測物體上的且 與相應(yīng)坐標重構(gòu)光學(xué)子系統(tǒng)中濾光片波長相對應(yīng)的3個LED作為PCT的姿態(tài)測量裝置和9 路并行的含有CPLD單元、線陣CCD單元、抗串擾的高速模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元、FIFO 存儲單元、分ARM單元的1DIUS控制板對應(yīng)1個含有3個從ARM單元和1個主ARM單 元的主控板的多CPU并行的流水線式的實時信息采集和處理的硬件結(jié)構(gòu)、時鐘和電源。本發(fā)明的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)還包括這樣一些技術(shù)特征1、 所述雙點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRDPT是由三個雙點目標一維成像子系統(tǒng) 1DISDPT彼此光軸成一定交角且在三個等間距位置上固定組成；2、 所述雙點目標一維成像子系統(tǒng)1DISDPT由一個分光棱鏡及共軛位置的兩個含有不 同波長范圍的選擇性一維成像單元1DIUS組成；3、 所述選擇性一維成像單元1DIUS由一個濾光片、一個柱面鏡頭及位于鏡頭焦平面上 且與其軸心線垂直的一個線陣CCD構(gòu)成；4、 所述點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRPT是由三個選擇性一維成像單元1DIUS彼 此光軸成一定交角且在三個等間距位置上固定組成；5、 所述硬件結(jié)構(gòu)為采用AT91RM9200為主ARM單元，擴展鍵盤、LCD單元、SD卡 單元、USB單元、SDRAM單元、FLASH單元、JTAG單元、RS232外設(shè)和接口的專用嵌 入式結(jié)構(gòu)；6、 所述9路1DIUS控制板上的線陣CCD單元、A/D轉(zhuǎn)換單元及FIFO存儲單元均連 接CPLD單元，CPLD單元連接主控板的主ARM單元。本發(fā)明提出的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法為首先采用一組由一個濾光片、 一個柱面鏡頭及位于鏡頭焦平面上且與其軸心線垂直的一個線陣CCD構(gòu)成的選擇性一維成 像單元1DIUS組合而成的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)，即采用三個由一個分光棱鏡及共軛位置 的兩個含有不同波長范圍的選擇性一維成像單元1DIUS組成的雙點目標一維成像子系統(tǒng) 1DISDPT彼此光軸成一定交角且在三個等間距位置上固定而成的雙點目標三維坐標重構(gòu)子 系統(tǒng)S3DCRDPT和三個選擇性一維成像單元1DIUS彼此光軸成一定交角且在三個等間距位 置上固定而成的點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRPT，分別實時重構(gòu)按一定規(guī)則布置于被 測物體上攜帶其姿態(tài)信息且分別與重構(gòu)光學(xué)子系統(tǒng)中濾光片波長范圍一一對應(yīng)的兩個和一 個點合作目標(PCT)的三維坐標，再經(jīng)過實時空間解算，確定被測物體姿態(tài)角，它依次含 有以下步驟(1) 標定1DIUS的7個/參數(shù)；(2) 布置PCT;(3) 1DIUS分別實時捕捉被測物體上與其相對應(yīng)的PCT的像坐標；(4) 采用7系數(shù)直接變換(DLT)法重構(gòu)各PCT的空間三維坐標；(5) 采用空間解算求解被測物體的姿態(tài)角(俯仰角ct、偏航角(3和滾動角y);(6) 判斷測量是否結(jié)束若否，則返回步驟(3);若是，則結(jié)束測量。 本發(fā)明的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法還包括這樣一些技術(shù)特征-1、所述的標定lDIUS的7個/參數(shù)依次含有如下步驟(1) 在含有滑動標尺座的平面校準模板上均勻布置x、 y坐標已知，且與PCT相同 的3種標志點，在縱深方向調(diào)解滑動標尺給出z坐標，實現(xiàn)測量空間內(nèi)標志點的均勻布置；(2) 分別用S3DCRDPT和S3DCRPT中的1DIUS捕捉對應(yīng)波長范圍標志點的像坐標；(3) 根據(jù)多于7個的測量空間內(nèi)均勻布置的標志點已知的三維坐標和它們對應(yīng)的一維像坐標，采用最小二乘法求解二者所確定平面方程7個/系數(shù)的最優(yōu)解。2、 所述的布置PCT依次含有如下步驟-(1) 取被測物體軸心線與兩端面的交點分別布置兩個波長范圍不同的LED;(2) 在其中一個端面內(nèi)過交點且與被測物體軸心線垂直的直線上遠離該交點的一點 處布置另一波長范圍的LED。3、 所述的1DIUS分別實時捕捉被測物體上與其相對應(yīng)的PCT的像坐標依次含有如下步驟(1) 主ARM驅(qū)動LED控制板點亮放置于被測物體上的PCT;(2) 主ARM輸出一路可編程時鐘分為9路分送9個1DIUS控制板上的CPLD以產(chǎn)生 該路CCD的驅(qū)動時序、A/D的采樣時序及FIFO的寫時序等；(3) 主ARM驅(qū)動各從ARM，各從ARM驅(qū)動相應(yīng)分ARM,均進入姿態(tài)測量程序；(4) 各線陣CCD分別實時捕捉放置于被測物體上攜帶其姿態(tài)信息且與其所在1DIUS 相對應(yīng)的PCT;(5) 各分ARM將對A/D轉(zhuǎn)換的幀數(shù)據(jù)處理后的一維像點坐標傳給相應(yīng)從ARM;(6) 各分ARM判斷姿態(tài)測量是否結(jié)束若否，則返回步驟(4);若是，則結(jié)束。4、 所述的采用7系數(shù)DLT法重構(gòu)各PCT的空間三維坐標是通過以下方法實現(xiàn)的-(1) 3個從ARM分別對應(yīng)3個分ARM接收3個1DIUS獲取的對應(yīng)PCT當前時刻的 一維像點坐標An、義12和義13;(2) 在每個從ARM內(nèi)，根據(jù)上述求得的每3個1DIUS固有參數(shù)的最小二乘解A'、 /2 '和/3'及每個1DIUS當前時刻實時獲取的一維像點坐標聯(lián)立求解當前時刻對應(yīng)PCT的空間 三維坐標,21 - ^12^25 ,22 -^12"6 ~3-^12,27 "1 一 ^3"5 ,32 - 、"6 "3 - ^3義375、 所述的采用空間解算求解被測物體的姿態(tài)角，包括俯仰角a、偏航角p和滾動角y 是通過以下方法實現(xiàn)的(1) 3個從ARM分別將各對應(yīng)PCT a、PCT b和PCT c的三維坐標0ca, ya， za) ， 0cb,_yb， zb)和0ceJe，Ze)分傳給主ARM;(2) 主ARM通過如下空間解算確定被測物體姿態(tài)角，<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>其中，PCTb和PCTc位于被測物體的同一端面，且<formula>formula see original document page 8</formula>
本發(fā)明基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法就是采用一路雙點目標三維坐標重構(gòu)子 系統(tǒng)(subsystems for 3D coordinate reconstruction of double point target, 簡稱S3DCRDPT) 禾口一路點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)(subsystem for 3D coordinate reconstruction of point target,簡稱S3DCRPT)分別實時重構(gòu)按一定規(guī)則布置于被測物體上的兩個和一個波長范圍 均不相同的點合作目標(point cooperation target,簡稱PCT)的三維坐標，通過實時空間解 算確定被測物體的姿態(tài)角。含有濾光片2、柱面鏡頭3和位于其焦平面且與其軸心線垂直的 線陣CCD 4構(gòu)成的選擇性一維成像單元(ID imaging unit with selectivity,簡稱1DIUS)如 圖1所示，它可以檢測遠處與其濾光片波長范圍相對應(yīng)的光點1在垂直于柱面鏡頭軸心線 方向上的一維運動，5為光點的線狀像斑。非共軸、非平行的3個含有相同波長范圍濾光片 的1DIUS，引出三個平面相交于一點，可以唯一確定遠處相應(yīng)波長范圍光點的空間位置， 我們稱其為S3DCRPT，如圖2所示。圖3為雙點目標一維成像子系統(tǒng)(1D imaging subsystem ofdouble point targets,簡稱1DISDPT)，它借助于一個分光棱鏡6，和共軛位置的兩個含有 不同波長范圍濾光片的1DIUS，實現(xiàn)對遠處兩個相應(yīng)波長范圍光點的同時捕捉;3個非共軸、 非平行的1DISDPT，引出六個平面相交于兩點，構(gòu)成S3DCRDPT，可以同時實現(xiàn)對兩個光 點的三維定位，它相當于兩個S3DCRPT的組合。運動中不產(chǎn)生形變的物體上的三個點可以 確定其姿態(tài)角，取被測物體軸心線與其端面的兩個交點及在其中一個端面內(nèi)過交點且與其 軸心線垂直的直線上遠離該交點的一點處分別布置3個不同波長范圍的發(fā)光二極管(LED) 作為PCT，它們分別與含有相應(yīng)波長范圍濾光片的坐標重構(gòu)子系統(tǒng)相呼應(yīng)，通過實時的坐 標重構(gòu)和空間解算，則被測物體的姿態(tài)角可求。本發(fā)明系統(tǒng)的主要特點為1. 該姿態(tài)測量系統(tǒng)是多個基于線陣CCD單元的選擇性一維成像單元(1DIUS)的組合， 克服了采用面陣CCD作為信息輸入設(shè)備時存在的速度和精度的矛盾；2. 所設(shè)計的雙點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)(S3DCRDPT)相當于兩個點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)(S3DCRPT)的組合，提高測量精度的同時節(jié)省了測量空間；3. 按一定規(guī)則布置于被測物體之上攜帶其姿態(tài)變化信息的PCT分別與相應(yīng)坐標重構(gòu)光 學(xué)子系統(tǒng)中濾光片的波長范圍一一對應(yīng)，解決了多PCT與多成像單元間的目標干擾問題；4. 線陣CCD單元采用東芝公司的線陣CCD TCD1708D，它在擁有高分辨率的同時還 降低了對光學(xué)鏡頭尺寸的要求，且PCT和濾光片的波長范圍與它的光譜敏感區(qū)間相對應(yīng)；5. 設(shè)計了帶有滑動標尺座的平面校準模板，通過依次點亮各標志點(給出x,少坐標)及 調(diào)節(jié)滑動標尺在縱深方向(給出z坐標)的變化，方便實現(xiàn)在測量空間內(nèi)均勻布置高密度 的標志點；6. 各1DIUS和各1DISDPT光軸間的夾角及位置根據(jù)測量空間和測量精度要求等因素 被綜合考慮并固定，校準一次后，不需要再重新校準，僅當測量空間改變時，需要重新考 慮、調(diào)整固定和校準；7. 采用9個分ARM單元、3個從ARM單元、1個主ARM單元的多CPU并行的流 水線式的硬件結(jié)構(gòu)，有利于數(shù)據(jù)的實時處理；8. 選用AT91RM9200為主ARM單元，擴展鍵盤、LCD單元、SD卡單元、USB單元、 SDRAM單元、FLASH單元、JTAG單元、RS232外設(shè)和接口的專用嵌入式結(jié)構(gòu)，提高了系 統(tǒng)的工作效率。本發(fā)明克服了采用面陣圖像傳感器作為信息輸入設(shè)備用于空間目標姿態(tài)測量時存在的 速度和精度的矛盾，在同等測量精度的前提下，其測量范圍可以做的很大，且易于滿足空 間運動目標姿態(tài)測量實時性的要求，使用方便。實驗證明，本發(fā)明測量系統(tǒng)可以對運動的 空間目標的姿態(tài)進行方便的測量，且具有很好的實時性。(四)


圖l為選擇性一維成像單元(1DIUS)結(jié)構(gòu)和成像示意圖；圖2為點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)(S3DCRPT)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為雙點目標一維成像子系統(tǒng)(1DISDPT)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明提出的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)裝置示意圖；圖5為雙點目標一維成像子系統(tǒng)(1DISDPT)的簡化結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為帶有滑動標尺座的平面校準模板示意圖；圖7為本發(fā)明提出的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖8為基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法的主控程序流程框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明針對一個圓柱體被測對象，根據(jù)基于線陣CCD的姿態(tài)測量原理，設(shè)計出典型的姿態(tài)測 量裝置如圖4所示。取被測物體軸心線與兩端面的交點及過第二個交點的圓端面半徑上的 非圓心端點處分別布置可見光波段內(nèi)的波長范圍分別為580~595nm、 615~635nm和 515 530nm的LED作為PCTa7、 PCT b 8禾n PCT c 9，初始時刻，該三點確定的平面應(yīng)與 水平面平行；3個1DISDPT按照光軸方向成30°交角在等間距的位置上固定，構(gòu)成 S3DCRDPT 10; 3個1DIUS按照光軸方向成30°交角在等間距的位置上固定，構(gòu)成 S3DCRPT11，這相當于3個S3DCRPT或9個1DIUS的一個組合；上述裝置中，1DIUS中 濾光片與不同波長范圍PCT的對應(yīng)，解決了多三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)與多PCT —一對應(yīng)時的 目標干擾問題；位于S3DCRDPT中間的1DISDPT和位于S3DCRPT中間的1DIUS的主光 軸分別垂直于被測物體運動空間的前端面，S3DCRDPT這種新光學(xué)構(gòu)架的設(shè)計，提高了測 量精度，節(jié)省了測量空間，當焦距與光學(xué)鏡頭的其它特性參數(shù)相協(xié)調(diào)且不會影響成像質(zhì)量 時，可以采用圖5所示的結(jié)構(gòu)，即把圖3中共軛位置的兩個1DIUS進一步合并，二者共用 一個柱面鏡頭。設(shè)計光學(xué)鏡頭的分辨率大于線陣CCD的分辨率，則1DIUS的分辨率由CCD的分辨率 確定。因此，像元大小為4.7pm，有效像元數(shù)為7450，且在可見光波段范圍內(nèi)反應(yīng)均敏感 的東芝公司的TCD1708D被選擇，它在擁有高分辨率的同時還降低了對光學(xué)鏡頭尺寸的要 求。對放置于被測物體上且攜帶其姿態(tài)變化信息的LED的選擇是一個關(guān)鍵問題。根據(jù)CCD 的光敏范圍及布置原則確定3種不同波長范圍的LED，它們既要對應(yīng)CCD光譜反應(yīng)的敏感 區(qū)間又要有一定的光譜間隔以避免各LED與對應(yīng)坐標重構(gòu)子系統(tǒng)中濾光片波長范圍一一對 應(yīng)時彼此間的相互干擾；LED的發(fā)光位置體現(xiàn)的是點位置，它的管芯要盡量小，發(fā)光功率 要足夠高，但為了保證特征點的提取精度，要求其在線陣CCD上的像點至少大于7個像元； 同時，為了避免目標脫靶，它們還應(yīng)具有較大的發(fā)散角，此裝置中LED的發(fā)散角為120° 。為了讓在1DIUS視場內(nèi)運動的PCT的一維位置信息被線陣CCD捕捉，應(yīng)該選擇含有 柱面透鏡的鏡頭，又因為光學(xué)鏡頭的理論分辨率與相對孔徑成正比，而雙高斯物鏡是目前 大孔徑照相物鏡的基礎(chǔ)。因此，首先根據(jù)測量空間、測量精度和所選線陣CCD的有效感光 面的長度確定各一維成像單元鏡頭的光學(xué)特性參數(shù)，然后從ZEMAX軟件的鏡頭庫中找出 與所需特性參數(shù)相近的鏡頭結(jié)構(gòu)，用一片或多片柱面透鏡對其中的球透鏡單元做替換，再 根據(jù)光線追跡結(jié)果做優(yōu)化，從而確定各柱面鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在基于機器視覺實現(xiàn)對空間運動目標的動態(tài)測量系統(tǒng)中，校準是一個很重要的環(huán)節(jié)。 對應(yīng)本發(fā)明提出的姿態(tài)測量系統(tǒng)，發(fā)明人設(shè)計了帶有滑動標尺座的、可拆卸的平面校準模板，它上面均勻布置x、 y坐標已知，且與PCT相同的3種標志點，通過調(diào)節(jié)滑動標尺給出 z坐標，從而方便實現(xiàn)測量空間內(nèi)高密度標志點的均勻布置，見圖6。校準計算時，滑動標 尺給出的標志點的z坐標與其真實值的補償系數(shù)(設(shè)計模版時已知)需要被考慮。與上述測量裝置對應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，它體現(xiàn)兩個方向的信號走向。 一方面， 主控板上的主ARM的可編程時鐘信號分成9路經(jīng)LVDS傳輸，送入各1DIUS控制板上的 CPLD以為該路線陣CCD、 A/D和FIFO提供時序信號，而控制信號則是用戶通過鍵盤與 主ARM進行對話產(chǎn)生，而后主ARM驅(qū)動各從ARM，從ARM驅(qū)動相應(yīng)分ARM;另一方 面，體現(xiàn)了多CPU響應(yīng)控制命令并行處理數(shù)據(jù)的走向，該系統(tǒng)采用9個基于線陣CCD的 1DIUS (3個1DIUS對應(yīng)1個PCT)實時進行圖像采集，9路空間上離散的模擬信號分別經(jīng) 前端信號調(diào)理電路、抗串擾的高速A/D電路、FIFO數(shù)據(jù)存儲器，送入9個分ARM單元進 行處理；所得PCT的一維像坐標經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換和LVDS傳輸后，3個一組分別送主控板上的 從ARM1、從ARM2和從ARM3，它們分別聯(lián)立方程組求解3個PCT的空間三維坐標；3 路三維坐標再經(jīng)SPI串行傳輸后送總ARM，經(jīng)過空間解算以確定當前時刻的姿態(tài)角，結(jié)果 被存儲并送往LCD顯示終端?；诰€陣CCD的姿態(tài)測量方法的主控程序流程框圖如圖8所示，主ARM響應(yīng)鍵盤輸 入的命令相應(yīng)進入各程序l)校準程序，首先，主ARM根據(jù)當前鍵盤子命令驅(qū)動LED控 制板點亮校準模板上與S3DCRDPT或S3DCRPT對應(yīng)的第一對或第一個標志點；然后，輸 出可編程時鐘分送相應(yīng)CPLD，以產(chǎn)生所在1DIUS控制板所需時鐘信號；而后，驅(qū)動相應(yīng) 從ARM進入校準程序并等待其響應(yīng)，判斷采集的標志點是否是當前z坐標下對應(yīng)校準模板 上的最后一對或一個，若是，則等待移動校準模板滑動標尺座給出標志點新的z坐標后的 鍵盤子命令ready，給出next信號驅(qū)動LED控制板熄滅校準模板上當前標志點并點亮對應(yīng) 的下一對或下一個標志點，若否，直接給出next信號；最后，判斷是否有鍵盤結(jié)束命令？ 若否，重新啟動一次校準，若是，則轉(zhuǎn)向結(jié)束程序。2)姿測程序，首先，主ARM驅(qū)動LED 控制板點亮布置于被測物體上的PCT，然后，輸出可編程時鐘分送各路CPLD，以產(chǎn)生各 路1DIUS控制板所需時鐘信號；而后，驅(qū)動各從ARM進入姿測程序并等待接收當前時刻 三個PCT的三維坐標以進行姿態(tài)角的解算，結(jié)果被存儲后送LCD顯示；最后，判斷是否有 鍵盤結(jié)束命令？若否，等待依次接收下一時刻PCT的三維坐標，若是，則轉(zhuǎn)向結(jié)束程序。3) 結(jié)束程序，首先，驅(qū)動各從ARM進入結(jié)束程序；然后，驅(qū)動LED控制板進入結(jié)束程序； 最后退出主控程序。對于所設(shè)計的小視場1DIUS的光學(xué)鏡頭，采用基于針孔模型的7系數(shù)DLT法，則被測 PCT的空間三維坐標(;c，乂z)與它們相應(yīng)線狀像和線陣CCD的交點坐標義之間的關(guān)系可以用下面的平面方程進行描述/jjc + /2_y + /3z + /4 -義/5x _ A/6_y _ A/7z = A. (1)其中，/i (1=1，2，...，7)為該平面方程的系數(shù)，也即1DIUS的固有參數(shù)，根據(jù)被測物體運動空 間范圍內(nèi)均勻布置的n(n^7)個標志點的三維坐標(jc，乂z)和它們相應(yīng)的一維像坐標，釆 用最小二程法求解這7個系數(shù)，表達式如下<formula>formula see original document page 13</formula>綜上所述，該姿態(tài)測量系統(tǒng)的工作步驟如下-首先，根據(jù)該被測物體的運動空間范圍和姿態(tài)測量精度的要求確定、調(diào)整并固定好各 1DISDPT和各1DIUS間的夾角；其次，通過鍵盤啟動校準程序，主ARM驅(qū)動LED控制板依次點亮平面校準模板上的 與PCT a或PCT b和PCT c相同的標志點，并通過調(diào)節(jié)其滑動標尺座在縱深方向的位移， 在測量空間內(nèi)均勻布置標志點，分別校準構(gòu)成S3DCRDPT或S3DCRPT的各1DIUS單元， 所得各1DIUS的固有參數(shù)(7個/系數(shù))將保存在主控板上相應(yīng)的從ARM中；再次，通過鍵盤啟動姿測程序，主ARM驅(qū)動LED控制板點亮布置于被測物體上的PCT a、 PCT b和PCT c，則9路線陣CCD分別實時捕捉與它們對應(yīng)的PCT，各分ARM將處理 后的一維像點坐標信息經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換，LVDS傳輸給主控板上的3個從ARM，聯(lián)立方程求解 后的PCT的三維空間坐標再經(jīng)SPI串行傳輸給主ARM，進行空間解算，則姿態(tài)角可求，并 且當前時刻及姿態(tài)角被送往LCD顯示終端輸出。
權(quán)利要求
1、一種基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于它包括一路雙點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRDPT、一路點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRPT及布置于被測物體上的且與相應(yīng)坐標重構(gòu)光學(xué)子系統(tǒng)中濾光片波長相對應(yīng)的3個LED作為PCT的姿態(tài)測量裝置和9路并行的含有CPLD單元、線陣CCD單元、抗串擾的高速模/數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元、FIFO存儲單元、分ARM單元的1DIUS控制板對應(yīng)1個含有3個從ARM單元和1個主ARM單元的主控板的多CPU并行的流水線式的實時信息采集和處理的硬件結(jié)構(gòu)、時鐘和電源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述雙點 目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRDPT是由三個雙點目標一維成像子系統(tǒng)1DISDPT彼此光軸 成一定交角且在三個等間距位置上固定組成，雙點目標一維成像子系統(tǒng)1DISDPT由一個分光 棱鏡及共軛位置的兩個含有不同波長范圍的選擇性一維成像單元1DIUS組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述選擇 性一維成像單元1DIUS由一個濾光片、 一個柱面鏡頭及位于鏡頭焦平面上且與其軸心線垂直 的一個線陣CCD構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述點目 標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRPT是由三個選擇性一維成像單元1DIUS彼此光軸成一定交角 且在三個等間距位置上固定組成。
5、 一種基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法，其特征在于首先采用一組由一個濾光片、 一個柱面鏡頭及位于鏡頭焦平面上且與其軸心線垂直的一個線陣CCD構(gòu)成的選擇性一維成 像單元1DIUS組合成的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)，即采用三個由一個分光棱鏡及共軛位置的兩 個含有不同波長范圍的選擇性一維成像單元1DIUS組成的雙點目標一維成像子系統(tǒng) 1DISDPT彼此光軸成一定交角且在三個等間距位置上固定而成的雙點目標三維坐標重構(gòu)子系 統(tǒng)S3DCRDPT和三個選擇性一維成像單元1DIUS彼此光軸成一定交角且在三個等間距位置 上固定而成的點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)S3DCRPT，分別實時重構(gòu)按一定規(guī)則布置于被測物 體上攜帶其姿態(tài)信息且分別與重構(gòu)光學(xué)子系統(tǒng)中濾光片波長范圍一一對應(yīng)的兩個和一個點合 作目標PCT的三維坐標，再經(jīng)過實時空間解算，確定被測物體姿態(tài)角，它依次含有以下步驟(1) 標定1DIUS的7個/參數(shù)；(2) 布置PCT;(3) 1DIUS分別實時捕捉被測物體上與其相對應(yīng)的PCT的像坐標；(4) 采用7系數(shù)直接變換DLT法重構(gòu)各PCT的空間三維坐標；(5) 采用空間解算求解被測物體的姿態(tài)角，包括俯仰角a、偏航角(3和滾動角Y;(6) 判斷測量是否結(jié)束若否，則返回步驟(3);若是，則結(jié)束測量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的標 定1DIUS的7個/參數(shù)的步驟依次含有如下步驟(1) 在含有滑動標尺座的平面校準模板上均勻布置x、；;坐標已知，且與PCT相同的3 種標志點，在縱深方向調(diào)解滑動標尺給出z坐標，實現(xiàn)測量空間內(nèi)標志點的均勻布置；(2) 分別用S3DCRDPT和S3DCRPT中的1DIUS捕捉對應(yīng)波長范圍標志點的像坐標；(3) 根據(jù)多于7個的測量空間內(nèi)均勻布置的標志點已知的三維坐標和它們對應(yīng)的一維 像坐標，采用最小二乘法求解二者所確定平面方程7個/系數(shù)的最優(yōu)解。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的布 置PCT的步驟依次含有如下步驟(1) 取被測物體軸心線與兩端面的交點分別布置兩個波長范圍不同的LED;(2) 在其中一個端面內(nèi)過交點且與被測物體軸心線垂直的直線上遠離該交點的一點處 布置另一波長范圍的LED。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的 1DIUS分別實時捕捉被測物體上與其相對應(yīng)的PCT的像坐標的步驟依次含有如下步驟(1 )主ARM驅(qū)動LED控制板點亮放置于被測物體上的PCT;(2) 主ARM輸出一路可編程時鐘分為9路分送9個1DIUS控制板上的CPLD以產(chǎn)生 該路CCD的驅(qū)動時序、A/D的采樣時序及FIFO的寫時序等；(3) 主ARM驅(qū)動各從ARM，各從ARM驅(qū)動相應(yīng)分ARM,均進入姿態(tài)測量程序；(4) 各線陣CCD分別實時捕捉放置于被測物體上攜帶其姿態(tài)信息且與其所在1DIUS相 對應(yīng)的PCT;(5) 各分ARM將對A/D轉(zhuǎn)換的幀數(shù)據(jù)處理后的一維像點坐標傳給相應(yīng)從ARM;(6) 各分ARM判斷姿態(tài)測量是否結(jié)束若否，則返回步驟(4);若是，則結(jié)束。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的 采用7系數(shù)DLT法重構(gòu)各PCT的空間三維坐標是通過以下方法實現(xiàn)的(1) 3個從ARM分別對應(yīng)3個分ARM接收3個1DIUS獲取的對應(yīng)PCT當前時刻的一 維像點坐標義u、義12和義13;(2) 在每個從ARM內(nèi)根據(jù)上述求得的每3個lDIUS固有參數(shù)的最小二乘解/r、 /2'和 /3'及每個1DIUS當前時刻實時獲取的一維像點坐標聯(lián)立求解當前時刻對應(yīng)PCT的空間三維 坐標，<formula>formula see original document page 4</formula>
10、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量方法，其特征在于，所述的 采用空間解算求解被測物體的姿態(tài)角，包括俯仰角a、偏航角p和滾動角y這一步驟是通過 以下方法實現(xiàn)的(1 ) 3個從ARM分別將各對應(yīng)PCT a、 PCT b和PCT c的三維坐標0ca， _ya, za) ， 0cb, zb)和(A, & Ze)分傳給主ARM;(2)主ARM通過如下空間解算確定被測物體姿態(tài)角，<formula>formula see original document page 4</formula>其中，PCTb和PCTc位于被測物體的同一端面，且<formula>formula see original document page 4</formula>
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于線陣CCD的空間目標姿態(tài)測量系統(tǒng)及其方法，它是一種采用基于9個含有濾光片的選擇性一維成像單元組合的3個三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)分別實時重構(gòu)按一定規(guī)則布置于被測物體上攜帶其姿態(tài)信息且與其所含濾光片波長范圍一一對應(yīng)的3個點合作目標的空間三維坐標，通過空間解算確定被測物體姿態(tài)角的方法，相應(yīng)提出了由上述組合裝置、各一維成像單元控制板、主控板、擴展LCD和鍵盤的多CPU并行的流水線式的專用嵌入式系統(tǒng)。本發(fā)明克服了采用面陣圖像傳感器作為信息輸入設(shè)備用于空間目標姿態(tài)測量時存在的速度和精度的矛盾，易于滿足空間運動目標姿態(tài)測量實時性的要求，使用方便。
文檔編號G01B11/00GK101216289SQ20081006384
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者丁振良, 艾莉莉, 峰 袁 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)