專利名稱：基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高精度獲得被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)信息的方法。
背景技術(shù)：
不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)的精密測(cè)量在軍事以及民用領(lǐng)域都有重大意義。在軍事 領(lǐng)域，坦克、裝甲戰(zhàn)車、自行火炮等地面作戰(zhàn)平臺(tái)，軍艦、征用民船、各種艦艇等 海上作戰(zhàn)平臺(tái)，要具備運(yùn)動(dòng)間穩(wěn)瞄、跟蹤、射擊能力和對(duì)位置的即時(shí)感知能力，這 種作戰(zhàn)樣式要求作戰(zhàn)平臺(tái)具有穩(wěn)定、跟蹤和導(dǎo)航能力，即能不斷測(cè)量位置的變化， 準(zhǔn)確確定當(dāng)前的位置，精確保持動(dòng)態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)。而且，在許多軍事裝備上，機(jī)載合 成孔徑雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，車載和艦載衛(wèi)星通信天線的穩(wěn)定，艦載雷達(dá)波束的穩(wěn)定等
也需要精確的平臺(tái)姿態(tài)信息。在民用領(lǐng)域，大型輪船和豪華客車的移動(dòng)電視接收、 新聞采訪車運(yùn)動(dòng)時(shí)節(jié)目實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播等移動(dòng)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)同樣在于天線平
臺(tái)的穩(wěn)定和跟蹤能力，如能很好的測(cè)量天線平臺(tái)因載體(汽車、火車、輪船)的運(yùn)動(dòng)
c高低速、緊急啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)彎等)產(chǎn)生的姿態(tài)變化，并在各種氣象、環(huán)境條件下
保證天線始終高精度地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)衛(wèi)星通訊。
實(shí)際工程中，基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)精密測(cè)量的需求大量存在，目前車載光電經(jīng)緯儀在 準(zhǔn)動(dòng)基座下的測(cè)量誤差修正問題是研究的熱點(diǎn)之一。光電經(jīng)緯儀的測(cè)量精度一般要 求達(dá)到角秒量級(jí)，但是由于車載光電經(jīng)緯儀在運(yùn)輸時(shí)基座的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的系統(tǒng) 誤差就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過角秒量級(jí)，因此要提高光電經(jīng)緯儀的測(cè)量精度必須要對(duì)基座姿態(tài)進(jìn) 行實(shí)時(shí)測(cè)量。
陀螺儀是傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備，在飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、空間飛行器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是常用的中等精度的陀螺儀其角度精度只有0.01°，高精度的陀螺 儀造價(jià)昂貴，而且其漂移誤差會(huì)隨時(shí)間積累，設(shè)備體積較大，不適宜在基準(zhǔn)平臺(tái)上使用。
GPS (Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng)作為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力，利用GPS載波相 位進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量也是GPS應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。由于基準(zhǔn)平臺(tái)尺寸一般較小，可 布置的基線長度也較短(如2m)，利用GPS對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量則要求定位精度達(dá) 到mm級(jí)，而這種精度需要建立差分GPS站才能達(dá)到，從而使GPS技術(shù)在基準(zhǔn)平 臺(tái)姿態(tài)測(cè)量上的應(yīng)用受到很大限制。
最近國外研制的接觸式傳感器測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)的設(shè)備，需要在平臺(tái)上布置幾十個(gè) 傳感器，安裝復(fù)雜，造價(jià)高，實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值都不高。
利用光測(cè)方法測(cè)量姿態(tài)，是一種原理上可行、經(jīng)濟(jì)上實(shí)惠的手段，然而這種方 法不能解決高精度的姿態(tài)測(cè)量問題。而攝像測(cè)量方法理論成熟，測(cè)量精度高，能客 服傳統(tǒng)方法的不足，可以滿足不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)的精密測(cè)量要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有姿態(tài)測(cè)量技術(shù)中存在的缺陷，結(jié)合攝 像測(cè)量方法，提出一種基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，它將攝像測(cè)量 運(yùn)用于對(duì)被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)的測(cè)量中，系統(tǒng)數(shù)字化程度高，可滿足軍事和民用領(lǐng)域 中對(duì)基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行高精度、非接觸、實(shí)時(shí)測(cè)量的需要，從而大大提高不穩(wěn)定基 準(zhǔn)平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量水平。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)攝像測(cè)量
方法包括歩驟a. 在基準(zhǔn)平臺(tái)上剛性固定有兩臺(tái)呈夾角a (0° <a<180° )設(shè)置的攝像機(jī)； 且在攝像機(jī)前方分別固定有對(duì)應(yīng)的合作標(biāo)志，該合作標(biāo)志在測(cè)量時(shí)始終在相機(jī)的視 場(chǎng)內(nèi)并且相對(duì)地面保持靜止不動(dòng)；
b. 準(zhǔn)確標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。
C.攝相機(jī)對(duì)合作標(biāo)志進(jìn)行攝像測(cè)量，利用亞像素圖像定位方法進(jìn)行圖像處理， 跟蹤所得圖像中合作標(biāo)志點(diǎn)的位置變化；
d.把圖像標(biāo)志點(diǎn)的位置變化轉(zhuǎn)換成攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角，即得出固定放置了該攝 像機(jī)的被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)的姿態(tài)信息。
所述b步驟所述內(nèi)外參數(shù)中內(nèi)部參數(shù)是指攝像機(jī)本身的特性，包括光心和等 效焦距；外部參數(shù)是攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的相對(duì)位置、姿態(tài)關(guān)系，包括平
移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和旋轉(zhuǎn)角。
根據(jù)實(shí)施例的優(yōu)選方案，為了便于實(shí)現(xiàn)后處理的數(shù)字化、自動(dòng)化，攝像機(jī)采 用數(shù)字?jǐn)z像裝置(攝像機(jī))。
同時(shí)，合作標(biāo)志P可以是圓形，也可以是對(duì)角形，或十字絲或其它易于識(shí)別 的形狀。如果用于夜間作業(yè)，合作標(biāo)志P可采用發(fā)光光源制作。
本發(fā)明的工作原理為所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)攝像測(cè)量方法
首先需在基準(zhǔn)平臺(tái)上剛性固定有兩臺(tái)呈夾角設(shè)置的攝像機(jī)，以保證測(cè)量過程中攝像 機(jī)與平臺(tái)不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；分別在攝像機(jī)前方固定合作標(biāo)志，該合作標(biāo)志在測(cè)量時(shí)
始終在相機(jī)的視場(chǎng)內(nèi)并且相對(duì)地面保持靜止不動(dòng)；再準(zhǔn)確標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)， 包括攝像機(jī)的光心、等效焦距與像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換的平移向量、旋轉(zhuǎn) 角、旋轉(zhuǎn)矩陣；攝相機(jī)對(duì)合作標(biāo)志進(jìn)行攝像測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)與攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)
相結(jié)合，利用亞像素圖像定位技術(shù)進(jìn)行圖像處理，跟蹤所得圖像中合作標(biāo)志點(diǎn)的位置變化；再將圖像標(biāo)志點(diǎn)的位置變化轉(zhuǎn)換成攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角。同時(shí)由于相機(jī)和平臺(tái) 之間是固定連接，所以相機(jī)的運(yùn)動(dòng)即為平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，如此便最終得到被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái) 的姿態(tài)信息。
所述亞像素圖像定位技術(shù)可以是以下已有亞像素定位技術(shù)之一
1、 使用自適應(yīng)模板相關(guān)濾波法制作參數(shù)可以調(diào)整的模板，對(duì)每個(gè)粗定位點(diǎn)， 首先確定應(yīng)選模板的參數(shù)，選擇最合適的模板，用所選模板對(duì)粗定位點(diǎn)及其鄰域點(diǎn) 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，用所得相關(guān)系數(shù)擬合曲面，確定最大相關(guān)位置；
2、 自適應(yīng)閾值重心法對(duì)于有些目標(biāo)，可以通過多種圖像處理的方法提取具 有一定面積的目標(biāo)區(qū)域，并考慮到目標(biāo)的灰度分布特征，采用灰度重心法，在目標(biāo) 區(qū)域內(nèi)以灰度為權(quán)值求出目標(biāo)區(qū)域的灰度重心作為目標(biāo)位置，同時(shí)采用帶自適應(yīng)閾 值的高斯分布模板對(duì)特征目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位。
3、 灰度圖擬合法對(duì)于有些目標(biāo)，還可直接根據(jù)目標(biāo)圖像的特征，選用合適 的解析曲面，對(duì)灰度圖進(jìn)行曲面擬合，再求出解析曲面的極值位置，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 的亞像素精度定位。
綜上所述，本發(fā)明為一種基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)攝像測(cè)量方法， 屬于精密光學(xué)測(cè)量方法，系統(tǒng)數(shù)字化程度高，可滿足軍事和民用領(lǐng)域中對(duì)平臺(tái)維姿 態(tài)進(jìn)行高精度、非接觸、實(shí)時(shí)測(cè)量的需要。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。


圖1本發(fā)明所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)攝像測(cè)量方法的原理示意
圖2平移運(yùn)動(dòng)像位置變化關(guān)系圖；圖3旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)像位置變化關(guān)系圖；圖4為實(shí)施例中合作標(biāo)志的樣式舉例圖，其中(a)為圓形，(b)為十字絲， (C)為對(duì)頂角。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本發(fā)明所述不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)的攝像測(cè)量方法的步驟詳細(xì)描述如下a. 建立平臺(tái)右手坐標(biāo)系，其中原點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的中心，x軸為正北方向。在平臺(tái)上分別沿:c軸和z軸方向安裝像機(jī)G和q，兩臺(tái)像機(jī)光軸通過平臺(tái)原點(diǎn)。兩相 機(jī)分別拍攝固定于地面的合作標(biāo)志，通過對(duì)相機(jī)中合作標(biāo)志成像的位置變化進(jìn)行處 理，就可以測(cè)量出攝像機(jī)姿態(tài)變化，由于相機(jī)和平臺(tái)之間是固定連接，所以相機(jī)的 運(yùn)動(dòng)即為平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，即像機(jī)G可以測(cè)量出w角和P角，像機(jī)q可以測(cè)量出^角和^ 角。綜合兩相機(jī)的所測(cè)量的角度可以得出平臺(tái)姿態(tài)角r、 ^、"。b. 以相機(jī)c'測(cè)量平臺(tái)俯仰角w為例詳細(xì)說明相機(jī)測(cè)角原理。由剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論可知，相機(jī)隨平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可分解為平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即相機(jī)保持光軸方向不變沿y軸做平移運(yùn)動(dòng)，之后其光軸在^炒平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)"角。下面通過分解相機(jī)的運(yùn)動(dòng)即先平移后旋轉(zhuǎn)，推導(dǎo)"角。如圖2所示，相機(jī)做平移運(yùn)動(dòng)，即相機(jī)由初始位置C,。豎直向上平移到《，其光軸方向保持不變。丄為平移前相機(jī)光心到原點(diǎn)O的距離，尸為標(biāo)志點(diǎn)，/為相機(jī)焦距，P。、 A'分別為相機(jī)平移前后像點(diǎn)，^為像點(diǎn)A到相機(jī)光軸的距離，H為標(biāo)志點(diǎn)？到光軸的距離，D為標(biāo)志點(diǎn)在光軸上的投影與相機(jī)的光心的距離，《'為相機(jī)豎直平移的距離，由三角幾何關(guān)系可得<formula>formula see original document page 7</formula>相機(jī)平移后像點(diǎn)P;到相機(jī)光軸的距離為，則
式3
如圖3所示，相機(jī)做平移運(yùn)動(dòng)后，其光軸在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)"角，其中A為 實(shí)際像點(diǎn)。
由三角幾何關(guān)系，結(jié)合式l、式2、式3可得
" 式4
式5
y,' = yn —丄丄tan ,,"d
由式4、式5兩式相減得:
即:
丄+ / /(1+二) " y y v "乂
^tan一1(— )
/(1 +丄)
式6
式7
對(duì)于雙合作標(biāo)志物系統(tǒng)即每臺(tái)相機(jī)前面安裝兩個(gè)合作標(biāo)志物，有關(guān)系式:
w = JiZL^) = tan—'(—_
八d 八
式8
因?yàn)?br> 厶>^— 厶少2
/(1 +丄)/(1 +丄)
7、a d2
式9
所以:
￡)2厶少2 — 厶y
式]0
由式8和式10，進(jìn)一步得:攝像裝置的選擇與安裝數(shù)字?jǐn)z像裝置速度快、存儲(chǔ)方便，易于實(shí)現(xiàn)后處理 的數(shù)字化、自動(dòng)化，因此采用數(shù)字?jǐn)z像裝置(攝像機(jī))比模擬攝像裝置更合適。
合作標(biāo)志P可以是圓形，也可以是對(duì)角形，或十字絲等，如圖4所示，或其 它易于識(shí)別的形狀。如果用于夜間作業(yè)，合作標(biāo)志P可采用發(fā)光光源制作。
處理器選擇設(shè)計(jì)方案在平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量中，可以采用PC計(jì)算機(jī)或DSP處理 器，作為圖像存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。由于DSP處理器速度快、操作簡便，因此更 適合用在實(shí)際裝置中。在攝像裝置選定，可以根據(jù)攝像裝置的接口方案設(shè)計(jì)DSP
處理器。
在被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)上安裝攝像機(jī)，可以利用陀螺儀、傾角儀等少量設(shè)備測(cè)量出 相機(jī)與平臺(tái)坐標(biāo)系坐標(biāo)軸夾角。
權(quán)利要求
1、一種基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，其特征是，包括步驟a.在基準(zhǔn)平臺(tái)上剛性固定有兩臺(tái)呈夾角a設(shè)置的攝像機(jī)；且在攝像機(jī)前方分別固定有對(duì)應(yīng)的合作標(biāo)志，該合作標(biāo)志在測(cè)量時(shí)始終在相機(jī)的視場(chǎng)內(nèi)并且相對(duì)地面保持靜止不動(dòng)，其中0°＜a＜180°；b.準(zhǔn)確標(biāo)定攝攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)；c.攝相機(jī)對(duì)合作標(biāo)志進(jìn)行攝像測(cè)量，利用亞像素圖像定位方法進(jìn)行圖像處理，跟蹤所得圖像中合作標(biāo)志點(diǎn)的位置變化；d.把圖像標(biāo)志點(diǎn)的位置變化轉(zhuǎn)換成攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角，即得出固定放置了該攝像機(jī)的被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)的姿態(tài)信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，其特征 是，所述b步驟所述內(nèi)外參數(shù)中，內(nèi)部參數(shù)包括攝像機(jī)的光心和等效焦距；外部參 數(shù)是包括攝像機(jī)的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和旋轉(zhuǎn)角。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，其特征 是，所述合作標(biāo)志為圓形、十字絲或?qū)斀切螤钪腥我?-種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，其特征 是，所述合作標(biāo)志采用發(fā)光光源制作。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，其特征 是，所述亞像素圖像定位方法可采用自適應(yīng)模板相關(guān)濾波法、自適應(yīng)閾值重心法、 灰度圖擬合法中任意一種。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l-5之一所述基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法， 其特征是，攝相機(jī)采用數(shù)字?jǐn)z像裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙相機(jī)的不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量方法，包括在待測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)上剛性固定兩臺(tái)呈夾角a的攝相機(jī)，在攝相機(jī)前設(shè)置合作標(biāo)志；準(zhǔn)確標(biāo)定基準(zhǔn)平臺(tái)上攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)；應(yīng)用亞像素定位方法跟蹤合作標(biāo)志圖像，解算出對(duì)應(yīng)的姿態(tài)角；將雙相機(jī)的測(cè)量結(jié)果綜合，高精度地給出被測(cè)基準(zhǔn)平臺(tái)的姿態(tài)信息。本發(fā)明在發(fā)揮光測(cè)圖像技術(shù)精度高、非接觸、成本低等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，解決了不穩(wěn)定基準(zhǔn)平臺(tái)姿態(tài)高精度測(cè)量的實(shí)際問題，有著廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01B11/26GK101655361SQ20091004422
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者于起峰, 劍 周, 孫祥一, 張小虎, 李玉廣, 穎 王, 昕 高 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)