CN102426007A - 三轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置。三轴气浮台台面底部四周安装导轨和遮光帘，人工照明***安装在可升降平台上，三轴气浮台台面底部导轨用于安装遮光帘，标志器固定在三轴气浮台台面的底部平面上，数字CCD摄像机安装在可升降平台上。测量方法步骤包括对数字CCD摄像机进行标定；数字CCD摄像机采集标志器的图像并传输到负责图像处理的计算机；对标志器上的标记点进行亚像素定位，获取标记点在图像中的精确坐标；计算标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。本发明测量设备安装简单、测量精度高，可以完成气浮台的高精度姿态测量。本发明也用于单轴转台姿态角的精确测量。

Description

三轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及空间技术，具体说就是一种三轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置。

(二)背景技术

三轴气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星等空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，三轴气浮台进行卫星控制***全物理仿真实验检验***的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

三轴气浮台在试验过程中需要通过姿态测量***动态地给出气浮台的角度、角速度等姿态信息，以便完成控制闭环，由于三轴气浮台的特殊结构，以往用于转台测量的装置(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用与三轴气浮台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。并且在目前实际应用中，测量***测量精度的高低直接关系到仿真试验的效果。

经检索文献发现，中国发明专利申请号：200610010260.2，专利名称为三轴气浮台姿态角测量装置及其测量方法，该专利在三轴气浮台上方安装有CCD摄像机，在气浮台台面上安装有测量LED光标***，利用计算机视觉理论结合测量光标点件的距离信息，计算出气浮台台面相对于摄像机的相对运动参数，但由于***构建上的缺陷，测量精度受到限制，从而影响其实际使用范围。

中国发明专利申请号：200410009086.7，专利名称为：刚体空间位姿测量装置及其测量方法，该专利采用拉线式编码器实现一种接触式的刚体空间位置姿态的测量，但由于三轴气浮台不能允许外接触式测量方式，因为接触给气浮台带来了干扰，因此该方法不适用于三轴气浮台的姿态信息测量。

在文献“三轴气浮台单框伺服测角***的研究”(发表于宇航学报.1996，17(4)：71-74)中，哈尔滨工业大学的张晓友、刘敦和北京控制工程研究所的李继苏等提出了一种单框伺服测量方案，该***在气浮台底座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的姿态信息。当该***需要增加复杂的机械***和敏感器***，机构复杂，并且其精度受到机械装置和敏感器的限制，只能达到0.01°，很难达到高精度。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴气浮台高精度姿态角测量方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：一种三轴气浮台高精度姿态角测量装置，它是由三轴气浮台台面、三轴气浮台球面气浮轴承、三轴气浮台轴承基座、标志器、数字CCD摄像机、人工照明***、遮光帘、导轨和用于安装摄像机和人工光源的可升降平台组成的，三轴气浮台台面底部四周安装导轨和遮光帘，人工照明***安装在可升降平台上，三轴气浮台台面底部导轨用于安装遮光帘，遮光帘用于在测量时形成封闭的视觉测量空间，标志器固定在三轴气浮台台面的底部平面上，两者的角运动完全相同，用于安装摄像机和人工光源的可升降平台安装在三轴气浮台轴承基座上，数字CCD摄像机安装在可升降平台上。

本发明一种由所述的三轴气浮台高精度姿态角测量装置实现的测量方法，步骤如下：

步骤一：对数字CCD摄像机进行标定；

步骤二：关闭遮光帘形成封闭图像采集环境，打开人工光源；

步骤三：数字CCD摄像机采集标志器的图像并传输到负责图像处理的计算机；

步骤四：计算机处理标志器的图像信息，对标志器上的标记点进行亚像素定位，获取标记点在图像中的精确坐标；

步骤五：根据计算机视觉原理，计算标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。

本发明提供一种能够动态测量三轴气浮台的姿态角信息，并且不会对气浮台产生干扰的三轴气浮台高精度姿态角测量装置及测量方法。在三轴气浮台的台面底端安装标志器，并且在三轴气浮台台面底部四周安装导轨和遮光帘；在三轴气浮台基座上安装可升降平台，并在该平台上安装数字CCD摄像机和光源，摄像机通过数据线与计算机中的图像采集卡连接。本发明所用摄像机安装于三轴气浮台台体上，标志器安装于三轴气浮台台面底部，摄像机与标志器之间的空间距离缩短。增加了人工光源，人工光源特征点和遮光帘，建立了一个封闭的图像采集环境，、消除了外界光源干扰。本发明采用了标定模板式的测量特征装置，与发光二极管构成的测量光标***相比，精度更高。摄像机镜头使用了物方远心镜头，适用于精密视觉测量。

本发明三轴气浮台高精度姿态测量方法，测量设备安装简单、测量精度高，可以测量气浮台的高精度姿态测量。本发明也用于单轴转台姿态角的精确测量。

(四)附图说明

图1为三轴气浮台姿态角测量***组成示意图；

图2为测量特征标志与摄像机位置示意图；

图3为三轴气浮台测角流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种三轴气浮台高精度姿态角测量装置，它是由三轴气浮台台面(1)、三轴气浮台球面气浮轴承(2)、三轴气浮台轴承基座(3)、标志器(4)、数字CCD摄像机(5)、人工照明***(6)、遮光帘、导轨(7)和用于安装摄像机和人工光源的可升降平台(8)组成的，三轴气浮台台面(1)底部四周安装导轨和遮光帘，人工照明***安装在可升降平台上，三轴气浮台台面底部导轨用于安装遮光帘，遮光帘用于在测量时形成封闭的视觉测量空间，标志器(4)固定在三轴气浮台台面(1)的底部平面上，两者的角运动完全相同，用于安装摄像机和人工光源的可升降平台(8)安装在三轴气浮台轴承基座(3)上，数字CCD摄像机(5)安装在可升降平台(8)上。

本发明一种三轴气浮台高精度姿态角测量方法，步骤如下：

步骤一：对数字CCD摄像机进行标定；

步骤二：关闭遮光帘形成封闭图像采集环境，打开人工光源；

步骤三：数字CCD摄像机采集标志器的图像并传输到负责图像处理的计算机；

步骤四：计算机处理标志器的图像信息，对标志器上的标记点进行亚像素定位，获取标记点在图像中的精确坐标；

步骤五：根据计算机视觉原理，计算标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。

实施例2：结合图1-图3，本发明主要由以下部分组成：三轴气浮台台面(1)、三轴气浮台球面气浮轴承(2)、三轴气浮台轴承基座(3)、标志器(4)、数字CCD摄像机(5)、人工光源(6)、遮光帘导轨(7)、，用于安装摄像机和人工光源的可升降平台(8)。标志器(4)固定在三轴气浮台台面(1)的底部平面上，两者的角运动完全相同。可升降平台(8)安装在三轴气浮台轴承基座(3)上，可根据需要上下移动至合适的位置固定。摄像机(5)安装在可升降平台(8)上，采集标志器(4)上各标记的图像信息，人工光源(6)为图像采集提供恒定、可靠的照明。摄像机选用黑白数字CCD摄像机，使用CameraLink与计算机相连，抗干扰。摄像机分辨率结合标志器尺寸考虑。镜头选用物方远心镜头；标志器的几何结构和数目由***测量精度和所选算法等确定，一种实施方式是三个特征点排成一条直线安装，在高度方向上构成等腰三角形；图2为摄像机与特征点位置示意图。模板的材料可以使用玻璃、金属、铝基材等材质，精度可达到0.0005微米。

实施例3：本发明的基本工作流程如图3所示，具体处理方法为：

1.对摄像机进行标定：采集标定板图像，作为标定图像以对摄像机进行标定，数量在4副以上；提取标定图像中，确定标定板上各标定点的图像坐标；根据标定板的物理尺寸，确定标定板上各标定点的世界坐标；针对摄像机理想中心透视成像模型，根据以上数据，使用最小二乘法求得单应矩阵H，反映了世界坐标系与图像坐标系之间的关系；由单应矩阵H，可解得摄像机内部参数，从而得到摄像机的理想透视模型各参数；在摄像机理想中心透视成像模型的基础上，使用最大似然法可求得畸变参数，从而建立摄像机实际成像模型，完成标定过程。

2.关闭遮光帘形成封闭图像采集环境，打开人工光源；

3.采集测量特征装置(即标志器)的图像；

4.计算机处理标志器的图像信息，对标志器上的标记点进行亚像素定位，获取标记点在图像中的精确坐标。标志器中标记点的图像坐标由其中心表征，对各个标记点的中心进行精确定位，需要进行以下几步：

(1)图像预处理，去除图像噪声。

(2)图像分割，统计图像所有像素点像素值，确定分割阈值，比照阈值将各像素二值化归类。由于图像中存在噪声，二值化后光标的边缘会存在一些毛刺，为了消除这些毛刺的影响，进行形态学滤波处理。

(3)提取光标特征。根据图像分割结果，采用8邻域区域生长法确定光标特征像素。

(4)光标亚像素定位。亚像素定位需要两个基本条件：第一，目标是由多个点组成，并具有一定的几何和灰度分布特性；第二，必须明确目标定位基准点在目标上的具***置。本发明中满足这两个条件，使用形心法可以对光标进行亚像素级高精度定位。光标特征为圆形，定位时适合采用形心法确定光标中心坐标。根据形心公式，计算光标特征的形心。当光标特征面积大小适中时，形心法的精度可达到0.2～0.5个像素。

5.根据计算机视觉原理，计算标志器与摄像机之间的相对姿态角。

利用摄像机实现三轴气浮台姿态角测量的过程，是从标记点的二维图像反向恢复其三维结构的逆过程，在这个过程中涉及到以下坐标系：

(1)气浮台基座坐标系

(2)气浮台台面坐标系

(3)摄像机坐标系

(4)像平面坐标系

(5)测量特征装置坐标系

由于气浮台台面坐标系与测量特征装置坐标系之间的转换关系是可以预先测定的具体的量，并且摄像机坐标系与气浮台基座坐标系之间也具有确定的转换关系，所以气浮台台面坐标系与气浮台基座坐标系之间的相对旋转运动参数可以通过计算摄像机坐标系与测量特征坐标系之间的相对旋转参数获取。

本发明视觉测量三轴气浮台姿态角的基本原理如下所示：

如图2所示，其中AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直线L过点A且垂直于平面ABC，直线L和射线AK构成平面α，直线L和射线AJ构成平面β，平面α和平面β所夹的空间区域称为V。当摄像机在空间V或者W时，可以唯一解得特征点A、B、C三点在摄像机坐标系中的坐标。

特征点A、B、C三点在测量装置坐标系中的坐标是已知的，假设特征点A、B、C在摄像机坐标系中的坐标为X_A，c＝x_A，c，y_A，c，z_A，c)^T、X_B，c＝x_B，c，y_B，c，z_B，c)^T、X_c＝x_C，c ，y_C，c，z_C，c)^T，在测量装置坐标系中的坐标为x_A，m＝(x_A，m，y_A，m，z_A，m)^T、X_B，m＝(x_B，m，y_B，m，z_B，m)^T、X_C，m＝(x_C，m，y_C，m，z_C，m)^T，那么摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c与测量特征装置坐标系O_mx_my_mz_m之间具有如下关系旋转矩阵R

[x_A，cX_B，cX_C，c]＝R[x_A，mX_B，mX_C，m]    (1)

由X_A，c、X_B，c、X_C，c和X_A，m、X_B，m、X_C，m可计算得到单位列向量n_A，c、n_B，c、n_C，c和n_A，m、n_B，m、n_C，m，则旋转矩阵R：

R＝[n_A，cn_B，cn_C，c][n_A，mn_B，mn_C，m]^-1  (2)

由旋转矩阵R可分解出摄像机坐标系与测量特征坐标系之间的三轴旋转角度，具体推导如下：

$R(\mathrm{\γ},\mathrm{\β},\mathrm{\α})=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]---\left(3\right)$

则在cosβ≠0时，可得各欧拉角的计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}=-\arctan \frac{r_{31}}{\sqrt{{r_{11}}^2+{r_{21}}^2}}\\ \mathrm{\α}=\arctan \frac{r_{32}}{r_{33}}\\ \mathrm{\γ}=\arctan \frac{r_{21}}{r_{11}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

实施例4：结合图1，本发明在三轴气浮台的台面底端安装标志器，并且在三轴气浮台台面底部四周安装导轨和遮光帘；在三轴气浮台基座上安装可升降平台，并在该平台上安装数字CCD摄像机和光源，摄像机通过数据线与计算机中的图像采集卡连接。数字CCD摄像机安装于三轴气浮台台体上，标志器安装于三轴气浮台台面底部，摄像机与标志器之间的空间距离缩短。增加了人工光源，人工光源特征点和遮光帘，建立了一个封闭的图像采集环境，、消除了外界光源干扰。本发明采用了标定模板式的测量特征装置，与发光二极管构成的测量光标***相比，精度更高。摄像机镜头使用了物方远心镜头，适用于精密视觉测量。标志器安装在三轴气浮台台面底部，模板上有测量所需的标记，标记的几何形状、几何结构和数目根据需要而不同。

人工照明***安装在可升降平台上，人工照明***的选择需要根据镜头的视场，照明***与光标***的距离，光标的外形条件及颜色，成像物镜等4个基本要素，确定选择相应的照明装置。其可升降平台安装在三轴气浮台基座上，三轴气浮台台面底部滑轨用于安装遮光帘，遮光帘用于在测量时形成封闭的视觉测量空间。

Claims (2)

1.一种三轴气浮台高精度姿态角测量装置，它是由三轴气浮台台面(1)、三轴气浮台球面气浮轴承(2)、三轴气浮台轴承基座(3)、标志器(4)、数字CCD摄像机(5)、人工照明***(6)、遮光帘、导轨(7)和用于安装摄像机和人工光源的可升降平台(8)组成的，其特征在于：三轴气浮台台面(1)底部四周安装导轨和遮光帘，人工照明***安装在可升降平台上，三轴气浮台台面底部导轨用于安装遮光帘，遮光帘用于在测量时形成封闭的视觉测量空间，标志器(4)固定在三轴气浮台台面(1)的底部平面上，两者的角运动完全相同，用于安装摄像机和人工光源的可升降平台(8)安装在三轴气浮台轴承基座(3)上，数字CCD摄像机(5)安装在可升降平台(8)上。

2.一种由权利要求1所述的三轴气浮台高精度姿态角测量装置实现的三轴气浮台高精度姿态角测量方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：对数字CCD摄像机进行标定；

步骤二：关闭遮光帘形成封闭图像采集环境，打开人工光源；

步骤三：数字CCD摄像机采集标志器的图像并传输到负责图像处理的计算机；

步骤四：计算机处理标志器的图像信息，对标志器上的标记点进行亚像素定位，获取标记点在图像中的精确坐标；

步骤五：根据计算机视觉原理，计算标志器与数字CCD摄像机之间的相对姿态角。

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