CN110095089A - 一种飞行器旋转角度的测量方法及*** - Google Patents

一种飞行器旋转角度的测量方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种飞行器旋转角度的测量方法及***，方法包括：待测飞行器舵面上贴附编码标志点贴纸；标定采集设备；通过标定好的采集设备采集编码标志点贴纸的编码标志点的图像并重建编码标志点的三维点云模型，计算所述飞行器舵面的旋转轴；分别采集起始位置和旋转后终点位置的所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并分别重建三维点云模型结合和旋转轴建立目标坐标系；在目标坐标系中，通过计算起始位置的三维点云模型和旋转后终点位置的三维点云模型中各个相同的编码标志点之间的夹角得到待测飞行器舵面的旋转角度。采用光学测量方法，相比传统手工测量方法不会对飞行器舵面产生机械性破坏；方法操作简单，测量结果准确。

Description

一种飞行器旋转角度的测量方法及***
技术领域
本发明涉及测试测量技术领域，尤其涉及一种飞行器旋转角度的测量方法及***。
背景技术
飞行器舵面角测量是飞行器地面总装测试中的一个重要测试项目，通过控制指令发出的飞行器舵面的旋转角度与舵面实际的旋转角度的对比，可以测试飞行器电子控制***和机械传动***之间的匹配性是否合格。目前在飞行器旋转角度测量领域主要有以下三种测量方案：1、基于量角器的测量方法；2、基于倾角传感器的测量方法；3、基于单目视觉***的测量方法。基于量角器的测量方法为是在舵面旋转后，通过量角器测量舵面与固定机翼之间的夹角来得到舵面的旋转角度。基于倾角传感器的测量方法是将倾角传感器利用夹具等工装固定在舵面上，通过角度传感器测量舵面的旋转角度。单目视觉***通过拍摄贴附于舵面表面的圆的图像，经数字图像处理后确定特征圆的坐标，利用针孔成像和射影变换原理建立物像空间坐标解算模型，计算出特征圆的法线相对方向和圆心的相对位置，舵面角位移由该圆的法线方向偏转得到旋转角度。
量角器的测量方法操作流程繁琐复杂，精度低，在舵面非平面的情况下难以进行测量。传感器安装在飞行器舵面上的固定方式主要有捆绑和夹紧两种，无论哪种方式都存在着很难确定传感器测量轴与舵面转轴之间的空间位置关系的难题，同时固定传感器的工装安装在飞行器舵面上存在着过夹紧导致伤害飞行器舵面、欠夹紧导致工装脱落的风险，舵面旋转时，无法实时监测工装的夹紧状态。单目视觉可测量角度范围小，通过特征圆圆心法向计算角度的方法精度低。
现有技术中缺乏一种精确的飞行器旋转角度的测量方法及***。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供了一种飞行器旋转角度的测量方法及***。
本发明采用的技术方案如下所述：
一种飞行器旋转角度的测量方法，包括如下步骤：S1：待测飞行器舵面上贴附编码标志点贴纸；S2：标定采集设备；S3：通过标定好的所述采集设备采集所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并重建所述编码标志点的三维点云模型，通过所述三维点云模型计算所述飞行器舵面的旋转轴；S4：通过所述采集设备分别采集起始位置和旋转后终点位置的所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并分别重建三维点云模型，根据两个所述三维点云模型和所述旋转轴建立目标坐标系；S5：在所述目标坐标系中，通过计算所述起始位置的三维点云模型和所述旋转后终点位置的三维点云模型中各个相同的所述编码标志点之间的夹角得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
优选地，粘贴至少5个不同的所述编码标志点贴纸。
优选地，通过获取带有编码标志点的标定板在至少8个不同位置和姿态的图像标定所述采集设备。
优选地，所述步骤S3包括：S31：通过所述编码标志点的编码值找到不同角度下的所述三维点云模型中相同的所述编码标志点，得到所述编码标志点的三维坐标点；S32：对每个所述编码标志点对应的所述三维坐标点进行空间圆拟合运算，得到每个所述编码标志点对应的空间圆圆心的三维坐标点；S33：对每个所述编码标志点对应所述空间圆圆心的三维坐标点进行直线拟合运算，得到目标向量，其中，所述目标向量为所述旋转轴。
优选地，所述不同角度至少包括5个角度。
优选地，所述步骤S5包括：S51：将所述起始位置和所述终点位置的所述三维点云模型转换到所述目标坐标系中并计算相同的所述编码标志点之间的夹角，得到夹角集合；S52：通过所述夹角集合计算所述夹角的平均值，得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
优选地，所述编码标志点贴纸上的编码标志点包括圆形特征和环形特征。
优选地，所述采集设备包括两台相机。
本发明还提供一种飞行器旋转角度的测量***，包括：采集单元，用于采集编码标志点贴纸的编码标志点的图像数据；处理单元；用于实现如权利要求1-8任一所述的方法。
优选地，所述采集单元包括两台相机。
本发明的有益效果为：提供一种飞行器旋转角度的测量方法，采用光学测量方法，只需要在飞行器舵面贴附编码标志点贴纸，相比传统手工测量方法不会对飞行器舵面产生机械性破坏；更进一步的，可以通过两次拍摄操作在极短时间内(毫秒级)计算出飞行器舵面旋转角度，方法操作简单，测量结果准确。
附图说明
图1是本发明实施例中一种飞行器旋转角度的测量方法示意图。
图2是本发明实施例中一种标定旋转轴的方法示意图。
图3是本发明实施例中一种计算飞行器舵面的旋转角度的方法示意图。
图4是本发明实施例中一种飞行器旋转角度的测量***示意图。
图5是本发明实施例中一种飞行器旋转角度的采集单元示意图。
图6是本发明实施例中又一种飞行器旋转角度的采集单元示意图。
图7是本发明实施例中粘贴有编码标志点贴纸的飞行器舵面示意图。
图8(a)是本发明实施例中一种编码标志点贴纸的示意图。
图8(b)是本发明实施例中又一种编码标志点贴纸的示意图。
图8(c)是本发明实施例中再一种编码标志点贴纸的示意图。
图9是本发明实施例中对一个编码标志点进行空间圆拟合的示意图。
图10是本发明实施例中对多个编码标志点进行空间圆拟合的示意图。
其中，1、2-相机，3-控制盒，4-计算机，5-采集单元，6-相机，7-相机，8-光源，9-飞行器舵面，10-编码标志点贴纸，11-编码标志点组成的空间圆圆心，12-编码标志点在30°位置，13-编码标志点在50°位置，14-编码标志点在80°位置，15-编码标志点在120°位置，16-编码标志点在140°位置。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，一种飞行器旋转角度的测量方法，包括如下步骤：
S1：待测飞行器舵面上贴附编码标志点贴纸；
编码标志点具有独特的特征信息，编码标志点包括圆形特征和环形特征。通过数字图像处理技术，可以对图像进行编码特征点的识别，计算出编码特征点在图像中的图像坐标。在一种具体的实施例中，粘贴5个不同的编码标志点贴纸，可以理解的是，也可以粘多于5个的编码标志点贴纸。
S2：标定采集设备；
在一种实施例中，采集设备包括两台相机。将带有编码点的标定板放置于相机的视场下，通过移动标定板获取标定板在不同位置和姿态的相机图像，过数字图像处理技术，识别出十组图像中编码点的图像坐标和编码点对应的编码值；通过双目立体视觉原理计算出两个测量头相机间的内外参数。
在一种具体的实施例中，通过移动标定板，一共从至少8个角度拍摄8租照片，这样才能解算出包括外方位元素和相机内参数等至少6个的未知数的相机模型方程。
S3：通过标定好的所述采集设备采集所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并重建所述编码标志点的三维点云模型，通过所述三维点云模型计算所述飞行器舵面的旋转轴；
已经标定好内外参数的采集设备对已经贴好编码标志点贴纸的飞行器舵面进行拍照，通过数字图像处理技术得到编码标志点的编码值和图像坐标，重建出编码标志点的三维点云模型。
S4：通过所述采集设备分别采集起始位置和旋转后终点位置的所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并分别重建三维点云模型，根据两个所述三维点云模型和所述旋转轴建立目标坐标系；
S5：在所述目标坐标系中，通过计算所述起始位置的三维点云模型和所述旋转后终点位置的三维点云模型中各个相同的所述编码标志点之间的夹角得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
如图2所示，在一种具体的实施例中，上述步骤S3包括：
S31：通过所述编码标志点的编码值找到不同角度下的所述三维点云模型中相同的所述编码标志点，得到所述编码标志点的三维坐标点；
在一种具体的实施例中，不同角度至少包括5个角度。
S32：对每个所述编码标志点对应的所述三维坐标点进行空间圆拟合运算，得到每个所述编码标志点对应的空间圆圆心的三维坐标点；
S33：对每个所述编码标志点对应所述空间圆圆心的三维坐标点进行直线拟合运算，得到目标向量，其中，所述目标向量为所述旋转轴。
如图3所示，在一种具体的实施例中，上述步骤S5包括：
S51：将所述起始位置和所述终点位置的所述三维点云模型转换到所述目标坐标系中并计算相同的所述编码标志点之间的夹角，得到夹角集合；
S52：通过所述夹角集合计算所述夹角的平均值，得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
实施例2
本发明提供一种飞行器旋转角度的测量***，包括：采集单元和处理单元，其中，采集单元用于采集编码标志点贴纸的编码标志点的图像数据；处理单元用于控制所述采集单元；处理所述图像数据；计算待测飞行器舵面的旋转角度，实现如实施例1中所述的方法。
如图4所示，在一种具体的实施例中，采集单元包括相机1和相机2，还包括一个控制盒3，两台相机分别与控制盒3相连接，共同组成采集单元5；处理单元是具有处理能力的计算机4，控制盒3与计算机4相连接。处理单元通过发送指令控制相机1和相机2，相机1和相机2采集到的图像数据通过控制盒3传回计算机4，计算机4得到数据后可以对图像进行分析与处理。
可以理解的是，为了使硬件设备更简单，本发明的***可以没有控制盒，其功能由计算机取代，即仅包括两个相机和计算机。
如图5和图6所示，本发明的采集单元还可以是相机6和相机7及光源8组成。
可以理解的是，本发明的计算机包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如飞行器旋转角度的测量程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个飞行器旋转角度的测量方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S1-S5。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如采集单元和处理单元。
可以理解的是，本发明实施例提供的飞行器旋转角度的测量***的示意图。该实施例的飞行器旋转角度的处理单元包括：示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个单元，所述一个或者多个单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述飞行器旋转角度的测量中的执行过程。
所述处理单元可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述处理单元可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是处理单元的示例，并不构成对处理单元的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述处理单元还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是处理单元的控制中心，利用各种接口和线路连接整个处理单元的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述处理单元的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
所述飞行器旋转角度的测量***中的采集单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
实施例3
下面通过一种更具体的示例来说明本发明的方法。
1.在待测飞行器舵面9上粘贴编码标志点贴纸10；
如图7所示，将5个不同的编码标志点贴纸10贴附于飞行器待测飞行器舵面9表面。
如图8(a)～图8(c)所示，编码标志点贴纸10具有特征信息，特征信息含有：圆形特征，环型特征。通过数字图像处理技术可以对特征进行识别，得到标志点的编码。
2.布置采集设备并对采集设备进行标定；在本实施例中采集设备是两个相机和测量盒；处理单元是计算机。
将带有编码标志点的标定板放置于相机的视场内，调整相机的焦距与光圈使之可以清楚地拍摄到标定板上的编码标志点，通过调整标定板角度与姿态，计算机控制测头拍摄标定板在每个位置的图像，并将图像传回计算机。
计算机将根据相机图像中编码点的编码值和图像坐标解得两个相机的内参数和外部参数。
在本实施例中，通过移动标定板，一共从8个角度拍摄8租照片，这样才能解算出包括外方位元素和相机内参数等6个的未知数的相机模型方程。可以理解的是，在变形实施例中，未知数可以大于6个。
3.通过标定好的采集设备采集编码标志点贴纸的编码标志点的图像并重建编码标志点的三维点云模型，通过三维点云模型计算所述飞行器舵面的旋转轴；根据数字图像处理得到编码标志点的图像坐标，根据双目立体视觉原理，利用标定解得的相机内外参数，可以得到编码标志点在以基准相机为坐标原点的三维空间的三维点云模型。
旋转飞行器舵面并利用相机进行图像采集，可以得到5个不同角度下编码标志点的三维点云模型。
因飞行器舵面绕固定旋转轴旋转，因此所有三维点云模型中相同的编码标志点一定在一个以旋转轴上以点为圆心且垂直于旋转轴的空间圆上。
如图9和图10所示，选取每个模型中相同的编码标志点进行空间圆拟合得到几组空间圆圆心。再对所有空间圆圆心进行拟合，所得直线即为飞行器舵面的旋转轴，并建立坐标系。
具体的，通过计算机采集5个不同角度下的三维点云，通过编码标志点的编码值找到不同三维点云中的相同标志点，编码标志点在30°位置12的坐标点编码标志点在50°位置13的坐标点、编码标志点在80°位置14、编码标志点在120°位置、编码标志点在140°位置16的坐标点分别为P0～P4。
对P0～P4进行空间圆拟合运算，得到空间圆圆心的编码标志点组成的空间圆圆心11，其三维坐标点PC0。
对其他的编码标志点进行上述操作得到空间圆圆心的三维坐标点PC0～PCn,对PC0～PCn进行直线拟合运算，得到向量VECAxis即为旋转轴。
4.通过所述采集设备分别采集起始位置和旋转后终点位置的所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并分别重建三维点云模型，根据两个所述三维点云模型和所述旋转轴建立目标坐标系；
得到旋转轴后要构建目标坐标系，具体的，先采集起始位置的编码标志点的图像并重建三维点云模型；调整飞行器舵面至0°角度位置，即起始位置，控制相对对飞行器舵面进行图像采集。
然后，获取旋转后终点位置的编码标志点的图像并重建三维点云模型；调整飞行器舵面旋转到需要测量固定角度下，通过相机对舵面上的编码标志点进行图像采集并重建三维点云模型，并将点云模型转换到坐标系coord下。
坐标系coord是选取旋转轴的正方向为Z轴正方向，起始位置和终点位置的三维点云模型下一个同一特征点与Z轴正方向垂直的平面为XoY平面，求得XoY平面与Z轴交点即坐标原点，为X轴正方向，得到向量为Y轴正方向，建立坐标系coord。
5.在所述目标坐标系中，通过计算所述起始位置的三维点云模型和所述旋转后终点位置的三维点云模型中各个相同的所述编码标志点之间的夹角得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
因为飞行器舵面是绕固定轴旋转的，所以每个角度下相同的特征点一定在一个平面上，且每个特征点所在的平面互相平行。
根据旋转轴计算得到的坐标系coord，将起始位置的三维点云模型转换到转轴坐标系下得到最终模型Model1；将终点位置的三维点云模型转换到坐标系coord下得到最终模型Medel2。
飞行器舵面绕轴旋转角度即为两个坐标点在XOY平面的投影点与坐标原点组成的向量之间的夹角，计算两个三维点云模型中所有对应坐标点之间的夹角，平均值即是飞行器舵面绕轴旋转角度。
在坐标系coord下，分别从Medol1与Medel2中选取特征号相同的两点P1与P2，求两点与坐标系coord下在XY平面的的投影点P1`与P2`，得到两个向量OP1`和OP2`；求两个向量夹角得到∠A1。按照此方法，依次求得每个对应点的角度∠A2、∠A3、∠A4、∠A5，求得5个特征点得到角度的平均值即为旋转角度。
按照此方法，做了5组实验。结果得到的测量数数据如表所示：
表1测量数据
序号 舵面实际旋转角度 测量角度 偏差
0 20 19.99 0.01
1 15 15.01 0.01
2 15 14.99 0.01
3 20 20.00 0.0
4 10 9.98 0.02
由上表可知，采用本发明的飞行器旋转角度的测量方法，精度可以达到0.02；本发明的方法采用光学测量方法，只需要在飞行器舵面贴附编码标志点贴纸，相比传统手工测量方法不会对飞行器舵面产生机械性破坏；更进一步的，可以通过两次拍摄操作在极短时间内(毫秒级)计算出飞行器舵面旋转角度，方法操作简单，测量结果准确。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：待测飞行器舵面上贴附编码标志点贴纸；
S2：标定采集设备；
S3：通过标定好的所述采集设备采集所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并重建所述编码标志点的三维点云模型，通过所述三维点云模型计算所述飞行器舵面的旋转轴；
S4：通过所述采集设备分别采集起始位置和旋转后终点位置的所述编码标志点贴纸的编码标志点的图像并分别重建三维点云模型，根据两个所述三维点云模型和所述旋转轴建立目标坐标系；
S5：在所述目标坐标系中，通过计算所述起始位置的三维点云模型和所述旋转后终点位置的三维点云模型中各个相同的所述编码标志点之间的夹角得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
2.如权利要求1所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，粘贴至少5个不同的所述编码标志点贴纸。
3.如权利要求1所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，通过获取带有编码标志点的标定板在至少8个不同位置和姿态的图像标定所述采集设备。
4.如权利要求1所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31：通过所述编码标志点的编码值找到不同角度下的所述三维点云模型中相同的所述编码标志点，得到所述编码标志点的三维坐标点；
S32：对每个所述编码标志点对应的所述三维坐标点进行空间圆拟合运算，得到每个所述编码标志点对应的空间圆圆心的三维坐标点；
S33：对每个所述编码标志点对应所述空间圆圆心的三维坐标点进行直线拟合运算，得到目标向量，其中，所述目标向量为所述旋转轴。
5.如权利要求4所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，所述不同角度至少包括5个角度。
6.如权利要求1所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51：将所述起始位置和所述终点位置的所述三维点云模型转换到所述目标坐标系中并计算相同的所述编码标志点之间的夹角，得到夹角集合；
S52：通过所述夹角集合计算所述夹角的平均值，得到所述待测飞行器舵面的旋转角度。
7.如权利要求1-6任一所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，所述编码标志点贴纸上的编码标志点包括圆形特征和环形特征。
8.如权利要求1-6任一所述的一种飞行器旋转角度的测量方法，其特征在于，所述采集设备包括两台相机。
9.一种飞行器旋转角度的测量***，其特征在于，包括：
采集单元，用于采集编码标志点贴纸的编码标志点的图像数据；
处理单元；用于实现如权利要求1-8任一所述的方法。
10.如权利要求9所述的飞行器旋转角度的测量***，其特征在于，所述采集单元包括两台相机。
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