高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多維姿態(tài)視覺測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、航空領(lǐng)域中的核心作業(yè)裝備大多要求具有高速運(yùn)動(dòng)能力，為了使這些核心作業(yè)裝備在高速、失重、強(qiáng)流場(chǎng)干擾等復(fù)雜環(huán)境下仍能保證高加速度、高機(jī)動(dòng)、多維運(yùn)動(dòng)可控等良好性能，需對(duì)這些運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置和姿態(tài)進(jìn)行高精度、高魯棒性的測(cè)量。例如為了提升新一代高速飛行器的掛載能力，中國(guó)展開了高速飛行器載荷穩(wěn)定懸掛與安全投放等研究工作。但載荷與飛行器分離過程中由于高速流場(chǎng)的擾動(dòng)干擾，投放后的載荷可能出現(xiàn)無法脫離，甚至分離后直接撞向母機(jī)的危險(xiǎn)。所以為了優(yōu)化高速飛行器投放

2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能，降低安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)成為了一種尤為重要的手段。在風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)中為了獲取飛行器投放載荷的分離特性，需在風(fēng)洞復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)分離后高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的六維位姿信息的高精度測(cè)量。視覺測(cè)量以其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、測(cè)量非接觸、測(cè)量頻響高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)位姿測(cè)量當(dāng)中，但是由于風(fēng)洞環(huán)境具有強(qiáng)流場(chǎng)干擾、低照度、空間狹小、強(qiáng)振動(dòng)等特點(diǎn)，被測(cè)目標(biāo)具有體積小、運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)空間大等特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)洞復(fù)雜環(huán)境下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位姿信息的高速

3、、高精度、大范圍、多維度視覺測(cè)量十分困難，嚴(yán)重制約了中國(guó)高速飛行器掛載與作戰(zhàn)能力的提升。針對(duì)以上難題，展開的具體內(nèi)容如下:
　　(1)由于復(fù)雜風(fēng)洞環(huán)境具有漆黑狹小、振動(dòng)強(qiáng)烈、強(qiáng)氣流擾動(dòng)等特點(diǎn)，所以在復(fù)雜風(fēng)洞環(huán)境下很難獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高質(zhì)量圖像信息。針對(duì)以上問題提出一種蘊(yùn)含目標(biāo)位姿信息的復(fù)雜環(huán)境高速序列圖像采集方法，揭示入射光線角度對(duì)微玻璃珠混合材料成像質(zhì)量的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)振動(dòng)、狹小空間下小型高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像的高速采集;提出了

4、探測(cè)目標(biāo)表面的微玻璃珠混合材料標(biāo)記點(diǎn)附著與定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了特征圖案在被測(cè)目標(biāo)表面的準(zhǔn)確定位與附著，且特征圖案厚度僅為60微米，對(duì)被測(cè)目標(biāo)周圍的流場(chǎng)分布影響較小;采用基于圖像信噪比的三維空間高速序列圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，對(duì)基于滾動(dòng)印刷逆反光材料的圖像采集方法進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果表明:此方法在風(fēng)洞環(huán)境下超高速采集序列圖像的信噪比均高于3，滿足后期測(cè)量要求，為復(fù)雜環(huán)境高速目標(biāo)的動(dòng)態(tài)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)針對(duì)復(fù)雜環(huán)境測(cè)量光路多介質(zhì)導(dǎo)致

5、的目標(biāo)成像畸變大、嚴(yán)重影響測(cè)量精度的難題，建立復(fù)雜跨介質(zhì)環(huán)境下攝像機(jī)多折射成像模型，提出跨介質(zhì)環(huán)境下雙目立體視覺測(cè)量理論，并研究跨介質(zhì)模型下兩相機(jī)成像的空間約束關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，提出了基于平面靶標(biāo)的跨介質(zhì)環(huán)境下視覺傳感器的分步標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了視覺傳感器現(xiàn)場(chǎng)高精度標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相較現(xiàn)有視覺線性成像模型，應(yīng)用跨介質(zhì)多折射成像模型在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)對(duì)視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，精度有明顯提高。
　　(3)針對(duì)高速多維目標(biāo)成像序列圖像數(shù)據(jù)量大、圖像特

6、征不明顯導(dǎo)致的圖像處理準(zhǔn)確性低、難度大等問題，研究高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)六維位姿信息圖像還原方法。首先針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)感興趣特征成像面積小、形狀以及灰度特征不明顯等問題，提出基于運(yùn)動(dòng)軌跡的圖像特征匹配方法，該方法匹配精度高、匹配速度快;針對(duì)被測(cè)物體自身滾轉(zhuǎn)造成的目標(biāo)圖像形式多變等問題，并提出基于空間編碼的合作標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別方法;針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位姿測(cè)量過程中被測(cè)目標(biāo)表面特征點(diǎn)形變量大、鏡頭畸變大、超高速相機(jī)分辨率低等因素所導(dǎo)致的位姿測(cè)量系統(tǒng)精度低的問

7、題，提出了基于先驗(yàn)知識(shí)模型的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位姿參數(shù)優(yōu)化方法，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)的精度驗(yàn)證結(jié)果表明:優(yōu)化后的位姿測(cè)量精度比未優(yōu)化前測(cè)量精度提高了33％，確保了高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位姿測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度與穩(wěn)定性。
　　最后，以上述關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)搭建高速目標(biāo)多維位姿信息動(dòng)態(tài)高精度視覺測(cè)量系統(tǒng)，此視覺系統(tǒng)的位置測(cè)量RMS（均方根）誤差小于0.103mm，俯仰、偏航角度測(cè)量RMS誤差小于0.107°，滾轉(zhuǎn)角度測(cè)量RMS誤差小于0.65°，測(cè)量頻率可達(dá)5