基于線陣CCD的空間目標(biāo)外姿態(tài)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、姿態(tài)測(cè)量廣泛的應(yīng)用于航空、航天、軍工及民用的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于具體應(yīng)用的不同，對(duì)姿態(tài)的描述也不盡相同，主要的方式有兩種。一種是用其縱軸相對(duì)于某固定參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角來進(jìn)行描述，是一種絕對(duì)意義上的姿態(tài)，另一種則是用本體坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)變換的一組歐拉姿態(tài)角作描述，是相對(duì)意義上的姿態(tài)。姿態(tài)測(cè)量也就是對(duì)姿態(tài)角的測(cè)量。針對(duì)傳統(tǒng)的基于面陣圖像傳感器的姿態(tài)測(cè)量方法多存在著速度和精度的矛盾，不利于滿足實(shí)時(shí)性測(cè)量的要求，我們提出了一種多線陣CCD

2、組合的姿態(tài)測(cè)量方法。
　　三個(gè)捕捉不同方向信息的線陣CCD和柱面透鏡構(gòu)成的一維成像單元的組合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間點(diǎn)目標(biāo)的三維坐標(biāo)重構(gòu)，我們把這樣的系統(tǒng)稱之為點(diǎn)目標(biāo)三維坐標(biāo)重構(gòu)子系統(tǒng)，采用3套點(diǎn)目標(biāo)三維坐標(biāo)重構(gòu)子系統(tǒng)分別實(shí)時(shí)捕捉分放于被測(cè)物體兩端面上的3個(gè)點(diǎn)合作目標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同意義上的姿態(tài)角的測(cè)量。采用可見光內(nèi)不同波段的 LED作為點(diǎn)合作目標(biāo)，分別與點(diǎn)目標(biāo)重構(gòu)光學(xué)子系統(tǒng)中相應(yīng)波段的濾光片相呼應(yīng)，解決了多攝像機(jī)與多點(diǎn)合作目標(biāo)一一對(duì)

3、應(yīng)時(shí)的干擾問題。設(shè)計(jì)了新的光學(xué)構(gòu)架，有利于測(cè)量精度的提高并節(jié)省了測(cè)量空間。采用多DSP并行處理和ARM-Linux為主控單元的嵌入式控制平臺(tái)，易于實(shí)時(shí)處理的同時(shí)還有利于向商品化轉(zhuǎn)型。對(duì)于不同物理意義上的兩種姿態(tài)角，分別建立了它們的數(shù)學(xué)模型，并給出了合作目標(biāo)的布置準(zhǔn)則。
　　基于三個(gè)捕捉不同方向信息的線陣CCD和柱面透鏡構(gòu)成的一維成像單元的組合用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空間點(diǎn)目標(biāo)的三維坐標(biāo)定位的相關(guān)技術(shù)研究，我們稱之為三線陣CCD定位技術(shù)。針對(duì)現(xiàn)有

4、研究成果中尚存的一些問題，我們進(jìn)行了細(xì)致而深入的研究。對(duì)于柱面透鏡及組合柱面鏡頭，針對(duì)其畸變表達(dá)式并沒有像基于球透鏡像差理論那樣的經(jīng)典公式可以借鑒，提出了一種確定結(jié)構(gòu)已知的復(fù)雜（非球面）鏡頭畸變表達(dá)式的新方法；針對(duì)其垂直子午面內(nèi)同平透鏡的成像關(guān)系亦沒有像描述球透鏡物像關(guān)系的高斯公式可以作借鑒，確定了其在水平子午面內(nèi)成像的畸變與垂直子午面方向上經(jīng)同焦距、視場(chǎng)的球透鏡的理想像點(diǎn)位置間的關(guān)系表達(dá)式。
　　采用非線性畸變系數(shù)和攝像機(jī)參數(shù)分

5、開的兩步法進(jìn)行校準(zhǔn)。由于構(gòu)成點(diǎn)目標(biāo)三維坐標(biāo)重構(gòu)子系統(tǒng)各一維成像單元非線性成像模型中含有在與線陣CCD垂直方向上經(jīng)同焦距、視場(chǎng)的球透鏡所獲得的理想像點(diǎn)的位置信息，為此，我們構(gòu)建了該方向上的線性DLT成像模型，以實(shí)現(xiàn)在校準(zhǔn)和測(cè)量過程中對(duì)非線性畸變參數(shù)的修正。7個(gè)l系數(shù)的DLT方程可以確定攝像機(jī)在參考坐標(biāo)系下的8個(gè)內(nèi)外參數(shù)，其中的一個(gè)位置分量是任意的，因此在進(jìn)行坐標(biāo)重構(gòu)時(shí)，該位置的不確定性有時(shí)會(huì)導(dǎo)致解的發(fā)散，引入重構(gòu)子系統(tǒng)各一維像機(jī)間的相互位

6、置關(guān)系，可以獲得三維坐標(biāo)重構(gòu)的穩(wěn)定解。采用基于非線性補(bǔ)償?shù)?DLT成像模型實(shí)現(xiàn)了多視覺傳感器測(cè)量時(shí)局部校準(zhǔn)和全局校準(zhǔn)的統(tǒng)一?？紤]到合作目標(biāo)在線陣CCD上的成像特性，加權(quán)質(zhì)心的定位方法被采用。
　　參照國(guó)外同類產(chǎn)品，對(duì)各坐標(biāo)重構(gòu)子系統(tǒng)中3個(gè)一維攝像機(jī)間的相互擺放位置與測(cè)量空間的關(guān)系、測(cè)量空間內(nèi)總體參考坐標(biāo)系下被重構(gòu)點(diǎn)目標(biāo)在各坐標(biāo)軸方向上所對(duì)應(yīng)空間分辨率的關(guān)系進(jìn)行了研究，為設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了依據(jù)。參照用于校準(zhǔn)二維攝像機(jī) DLT成像模型參