（光学工程专业论文）像机链位姿传递摄像测量方法及船体变形测量研究.pdf

国防科学技术大学研究牛院博+ 学位论文 摘要 传统的摄影摄像测量技术的应用基础是摄像机能够直接拍摄到被测物体的 图像，因此对不通视目标三维位置与姿态的测量无能为力。为了解决不通视目标 位姿测量问题，本文提出了“像机链位姿传递摄像测量”的新概念，并将其应用 于船体变形测量问题，该问题一直是海军装备研究和全球造船行业的难点之一。 基于像机链位姿传递摄像测量方法，本文研制了船体变形摄像测量系统，并进行 了海上试验。论文的主要工作及创新点如下： 1 在国际上首次提出了像机链位姿传递摄像测量方法。该方法使用多个摄像 机和标志物组成像机链，将不通视的待测目标和测量基准联系起来，进而传递测 量待测目标相对测量基准的三维位置、姿态及其变化量。本文系统研究了像机链 位姿传递摄像测量方法的原理，探讨了测量传递站的形式，进行了精度分析和实 验验证。像机链位姿传递摄像测量方法解决了传统摄像测量原理和方法无法完成 的两个或多个不通视物体间或超大视角物体间相对位置、姿态及其变化量的测量 问题，能够应用于船体及其它大型结构的变形测量。 像机链位姿传递摄像测量方法在传递测量位置姿态的同时也会传递测量误 差。围绕着提高该方法的测量精度和实用性，本文对摄像机标定、特征标志定位 和多摄像机同步等几个关键技术展开了研究。 2 针对常用摄像机标定方法中存在的参数过度耦合问题，提出了一种基于可 控旋转的摄像机标定方法。控制摄像机围绕光心( 或光心附近) 做旋转运动，能 够将等效焦距与其他参数分离开来，求解精确的等效焦距；并在此基础上提出了 传统标定方法与基于可控旋转方法相结合的摄像机标定技术，用于高精度标定包 含像差系数在内的摄像机内外参数。 3 设计和制作了能够适应全天候测量要求的由多个十字型红外光源组成的合 作目标。针对摄像测量时可能出现的不规则十字丝情况，提出了灰度投影积分和 数字相关相结合的方法，首先利用灰度投影积分得到十字丝两臂的宽度及其与图 像坐标轴之间的夹角，然后据此生成模板进行相关，并利用相关系数拟合极值法 进行亚像素定位。实验证明本方法鲁棒性好，噪声较小的情况下定位精度优于0 0 5 像素。 4 设计了一种基于硬件同步触发和软件同步策略的多摄像机同步采集和处理 系统。通过简单的编程控制将一种即插即用的数字输出模块作为同步信号发生装 置；在硬件同步的基础上，通过一定的同步策略实现多台摄像机拍摄图像的同步 处理。该方案具有通用性，并且操作简便，能够解决连接在一台或多台计算机上 的多个摄像机之间的同步问题。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 5 在原理研究、关键技术研究和方案论证的基础上，设计了基于像机链位姿 传递摄像测量方法的船体变形摄像测量系统，并用于实船变形测量，进行了海上 试验，得到了甲板上某部位与舰船选定基准之间和船体艏艉之间的长时间、连续 的三维位置和姿态变形测量数据。经过更加深入的研究和完善，该方法将在船体 及其他大型结构的变形测量和长期监测领域有广阔的应用前景。 主题词：摄像测量，位姿传递，像机链，不通视，位姿估计，摄像机标定， 摄像机同步，船体变形 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lp h o t o g r a m m e t r y v i d e o m e t r i c sm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa r ei n v a l i dt o m e a s u r et h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t i o n sa n da t t i t u d e so fn o n i n t e r v i s i b l eo b je c t s ，f o rt h e b a s i st h a tt h ec a m e r am u s tc a p t u r ei m a g e so fo b j e c t st ob em e a s u r e d a ni n n o v a t i v e p r i n p l eo f p o s er e l a yv i d e o m e t r i c sw i t hc a m e r a - s e r i e s i sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t or e s o l v et h ep r o b l e mo fp o s em e a s u r e m e n tb e t w e e nn o n i n t e r v i s i b l eo b j e c t s t h en e w m e t h o dh a sb e e na p p l i e di n s h i pd e f o r m a t i o n sm e a s u r e m e n t ，w h i c hh a sb e e no n e d i f f i c u l t yi nn a v ye q u i p m e n tr e s e a r c ha n ds h i pb u i l d i n gi n d u s t r y t h ep r o t o t y p es y s t e m f o rs h i pd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tb a s e do np o s e r a l yv i d e o m e t r i c si sd e v e l o p e d ，a n d t h e ns e at r i a l sa r ec a r d e do n t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： 1 p o s er e l a yv i d e o m e t r i c sw i t hc a m e r a - s e r i e sm e t h o di sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e i n t e m a t i o n a l l y t h em e t h o du s e sas e r i e so fc a m e r a sa n dm a r k e r st ob u i l du p c a m e r a - s e r i e sa n dc o n n e c tt h en o n i n t e r v i s i b l em e a s u r i n gt a r g e ta n dr e f e r e n c e a n dt h e n t h et h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t i o n s ，a t t i t u d e sa n dt h e i rc h a n g e sa r eo b t a i n e db yp o s er e l a y p r i n c i p l e so fp o s er e l a yv i d e o m e t r i c sm e t h o db yc a m e r a - s e r i e sa r es t u d i e ds y s t e m i c l y , a n dt h ef o r m so fr e l a ys t a t i o n sa r ed i s c u s s e d i ns u c c e s s i o n ，p r e c i s i o na n a l y s i sa n d v a l i d a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do n t h em e t h o dc a nr e s o l v et h ep r o b l e mo fp o s ea n d d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to ft w oo rm o r en o n i n t e r v i s i b l eo b j e c t s ，a n dt h o s eo fo b j e c t s w i t hav e r yl a r g ea n g l eo fv i e w , w h i c hc a n n o tb ep r o c e s s e db yc o n v e n t i o n a lp r i n c i p l e s a n dm e t h o d so fv i d e o m e t r i c s s ot h a ti tc a nb ea p p l i e di nd e f o r m a t i o n sm e a s u r e m e n to f s h i p sa n do t h e rl a r g es t r u c t u r e s t h ep o s er e l a yv i d e o m e t r i c sm e t h o dw i t hc a m e r a s e r i e sr e l a y se r r o r sw h i l e r e l a y i n gp o s e s u r r o u n d i n gh o w t oi m p r o v et h ep r e c i s o na n dp r a c t i c a l i t y , s e v e r a lk e y t e c h n i q u e ss u c ha sc a m e r ac a l i b r a t i o i n ，m a r k e rd e t e c t i o na n dc a m e r a ss y n c h r o n i z a t i o n a r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 2 ac a m e r ac a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nc o n t r o l l a b l er o t a t i o ni sp r o p o s e dt o r e s o l v et h ep r o b l e mo fo v e r m u c hc o u p l e dp a r a m e t e r sw i t hm a n yc o m m o n l yu s e d c a l i b r a t i o nm e t h o d s t h ec a m e r ai sc o n t r o l l e dt or o t a t eak n o w na n g l ea r o u n d ( o ra r o u n d n e a r b y ) t h eo p t i c a lc e n t e rt oc a l c u l a t et h ea c c u r a t ee f f i c i e n tf o c u sl e n g t hd e p a r t e df r o m o t h e rp a r a m e t e r s a n dt h e nac a m e r ac a l i b r a t i o nm e t h o dc o m b i n e db yc o n t r o l l a b l e r o t a t i o na n dt r a d i t i o n a lt w os t e p sc a l i b r a t i o ni sp u tf o r w a r dt o g e ta l lp a r a m e t e r s i n c l u d i n gd i s t o r t i o nc o e f f i c i e n t s 3 ac o o p e r a t i v em a r k e rc o m b i n e db ys e v e r a li n f r a r e dc r o s s e si sd e s i g n e dt os u i t t h ea 1 1 c o n d i t i o nm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s a i m i n ga td e t e c t i o no fr a n d o ma n d i r r e g u l a rc r o s s ，an e ws u b - p i x e ld e t e c t i o nm e t h o db a s e do ng r a yp r o j e c t i n gi n t e g r a t i o n ( g p i ，i ns h o r t ) a n dc o r r e l a t i o ni sp u tf o r w a r d g p im e t h o di sa p p l i e dt og e tt h el i n e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 w i d t ha n dt h ea n g l e sb e t w e e ne a c hc r o s s a r l t la n dt h ei m a g eh o r i z o n t a la x i s ，a n dt h e n d i g i t a lc o r r e l a t i o nm o d e li s c r e a t e da c c o r d i n gt ot h ea n g l e s ，a tl a s t ，h i 【g h a c c u r a t e s u b p i x e ll o c a t i o ni so b t a i n e db yf i t t i n gt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dd e t e c t i o nm e t h o di sr o b u s ta n dc a nl o c a t ec r o s sc e n t e rw i t ht h e a c c u r a c yp r i o rt o0 0 5p i x e l s 4 as y n c h r o n o u si m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mf o rm u l t i p l ec a m e r a si s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ag e n e r a ld i g i t a lo u t p u tm o d u l ei sa d o p t e da s t h e s y n c h r o n o u st r i g g e rs i g n a lg e n e r a t o ra n dc o n t r o l l e db yc o m p u t e rp r o g r a m o nt h eb a s i s o fh a r d w a r e l e v e ls y n c h r o n i z a t i o n ，ac e r t a i ns o f t w a r es y n c h r o n o u ss t r a t e g yi sd e s i g n e d t oe n s u r et h es y n c h r o n o u sf r a m e so fe v e r yc a m e r at ob ep r o c e s s e ds y n c h r o n o u s l y t h e m e t h o di su n i v e r s a l ，e a s yt oo p e r a t e ，a n da b l et or e s o l v et h es y n c h r o n o u sp r o b l e mo f m u l t i p l ec a m e r a sc o n n e c t e di no n eo rm o r ec o m p u t e r s 5 o nt h e g r o u n d o fp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n i q u e sr e s e a r c ha n d p r o j e c t d e m o n s t r a t i o n ，ap r o t o t y p ev i d e o m e t r i c ss y s t e mf o rs h i pd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ti s d e v e l o p e da n da p p l i e di ns h i pd e f o r m a t i o n sm e a s u r e m e n t s e at r i a l sa r ec a r r i e do n ，f r o m w h i c hl o n gt i m ea n dc o n t i n u o u sd a t ao fp o s i t i o na n da t t i t u d ed e f o r m a t i o n sb e t w e e n s o m ep o i n to nt h ed e c ka n dt h es h i pr e f e r e n c e ，a n dt h o s eb e t w e e nt h es h i ph e a da n d s t e r n ，a r ea c h i e v e d t h ep r o p o s e dm e t h o dt h e r e f o r eh a st h ep o t e n t i a lt ob ea p p l i e di n d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to fs h i p sa n do t h e rl a r g es t r u c t u r e sa f t e rm o r et h o r o u g h r e s e a r c h e sa n di m p r o v e m e n t s k e yw o r d s ：v i d e o m e t r i c s ，p o s er e l a y ，c a m e r as e r i e s ，n o n i n t e r v i s i b l e ，p o s e e s t i m a t i o n ，c a m e r ac a l i b r a t i o n ，c a m e r as y n c h r o n i z a t i o n ，s h i pd e f o r m a t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 表目录 表2 1像机链位姿传递摄像测量验证实验测量结果的误差均方根2 3 表3 1单摄像机位姿测量精度仿真实验的仿真条件。3 0 表3 2 位姿测量精度与图像定位精度的关系。3 0 表3 3 位姿测量精度与物体坐标精度的关系31 表3 4 位姿测量精度与等效焦距误差的关系3 3 表3 5图像定位精度0 1 像素时位姿测量精度与等效焦距误差的关系3 3 表3 6 位姿测量精度与主点标定误差的关系。3 3 表3 7 等效焦距固定时位姿测量精度与拍摄距离的关系3 4 表3 8 等效焦距变化时位姿测量精度与拍摄距离的关系3 4 表3 9 位姿测量精度与位姿估计算法的关系3 5 表3 1 0 旋转角度测量值与真实值误差的均方根。3 8 表3 1 1 摄像机转过角度与测量结果的比较5 0 表4 1十字臂倾斜角度和十字丝中心坐标6 2 表4 2 十字臂倾斜角度和十字丝中心定位结果及误差6 4 表4 3图像上四个十字丝的中心坐标、臂宽及倾斜角度一6 6 表4 4四种十字丝定位算法的定位结果6 6 表4 5 随机生成姿态角时特征标志空间分布与位姿测量精度的关系。6 8 表4 6 特定姿态角时特征标志空间分布与位姿测量精度的关系6 9 表4 7 特征标志不同空间分布下的位姿测量实验结果标准差一6 9 表6 1 模拟验证实验变形测量数据统计9 0 表6 2 艏艉变形测量数据统计结果9 5 表6 3 系泊状态下姿态角变形测量数据统计结果一9 7 表6 4 航行状态下姿态角变形测量数据统计结果。9 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图目录 图1 1船体变形对探测器和武器精度的影响示意图3 图1 2 本文组织结构图8 图2 1两级位姿传递摄像测量形式1 3 图2 2 三级位姿传递摄像测量形式1 4 图2 3 多级位姿传递摄像测量形式1 5 图2 4 测量传递站的三种组成形式16 图2 5 测量传递站实物图1 7 图2 6 包含有多种传递站的测量传递形式1 7 图2 7 船体变形像机链摄像测量原理。l8 图2 8 误差传递仿真程序流程图2 0 图2 9 姿态角传递误差与相乘旋转矩阵个数的关系2 0 图2 1 0 位置测量误差与相乘矩阵个数的关系2 l 图2 1 1 像机链位姿传递摄像测量验证实验系统示意图2 2 图2 1 2 像机链位姿传递摄像测量验证实验测量值与真值的比较2 3 图3 1正交迭代算法坐标系2 7 图3 2 合作目标上标志点分布图2 9 图3 3图像定位精度为0 1 像素时姿态角误差与特征点个数的关系3 1 图3 4图像定位精度为o 1 像素时位置误差与特征点个数的关系3 1 图3 5 物体坐标标定精度为0 1n l l i l 时姿态角误差与特征点个数的关系3 2 图3 6 物体坐标标定精度为0 1t o n i 时位置误差与特征点个数的关系3 2 图3 7 单摄像机位姿测量验证实验系统3 6 图3 8 验证实验标志物成像3 7 图3 9 单摄像机位姿测量实验测量值与真实值比较3 8 图3 1 0 针孔成像模型4 1 图3 1 1 围绕光心的可控旋转示意图4 l 图3 1 2 围绕云台原点的可控旋转示意图4 2 图3 1 3 三轴安装误差为l 。时摄像机转动角度与云台转动角度的关系4 8 图3 1 4 摄像机与云台固定装置图4 9 图3 1 5 标定板图像4 9 图3 1 6 原始图像坐标与畸变校正后坐标比较图5 0 图4 1 摄像机( g r a s 5 0 s 5 m ) 光谱响应曲线5 4 图4 2中心波长8 5 0 n m 带宽l o n m 的窄带带通滤波片的透射光谱5 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 3十字丝标志排列示意图。5 5 图4 4 十字丝标志设计图5 5 图4 5实际制作的红外十字丝标志5 5 图4 6 实际合作目标1 及其滤光后成像5 6 图4 7 实际合作目标2 及其滤光后成像5 6 图4 8 低质量十字丝成像5 8 图4 9 灰度投影积分进行十字丝定位的原理示意图5 9 图4 1 0 灰度投影积分和数字相关定位算法流程图6 1 图4 1 1 仿真十字丝成像6 2 图4 1 2 仿真十字丝1 加噪图像的g p i 矩阵6 3 图4 1 3 每个投影角度的g p i 最小值曲线6 3 图4 1 4 极值所在投影方向的g p i 向量6 4 图4 1 5 亮十字丝定位结果6 5 图4 1 6 暗十字丝定位结果6 5 图4 17 低质量十字丝定位结果6 5 图4 1 8 包含四个不同参数十字丝的仿真图像6 6 图4 1 9 加入高斯噪声后的图像一6 7 图4 2 0 十字丝定位误差与高斯噪声等级关系一6 7 图4 2 1 特征标志的空间分布形式6 8 图4 2 2 合作目标上特征标志序号图6 9 图5 1 基于s y n cu n i t 的硬件同步方案7 3 图5 2 基于m u l t i s y n c 的软件同步方案7 4 图5 3 像机链位姿传递摄像测量系统同步方案示意图一7 5 图5 4 摄像机同步触发工作时序图7 6 图5 5 u s b 4 7 11 a 接线端子示意图7 7 图5 6同步信号产生控制流程图7 7 图5 7 软件同步策略示意图7 8 图5 8 两路同步信号及其减法操作的波形图8 0 图5 9 像机链位姿传递摄像测量系统同步验证实验结果8 l 图6 1甲板上变形摄像测量系统示意图8 3 图6 2 船体变形摄像测量系统组成框图8 3 图6 3硬件系统连接示意图一8 4 图6 4 软件系统组成框图8 5 图6 5 位姿传递摄像测量程序运行界面一8 6 第v l 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 图6 6 船体变形摄像测量系统实施流程图8 6 图6 7 楼顶模拟实验方案图8 8 图6 8 楼顶模拟实验实物图8 9 图6 9 模拟验证实验结果曲线9 0 图6 1 0 标志物坐标系与船体坐标系关系示意图9 l 图6 1 l 艏艉变形摄像测量系统布置图9 2 图6 1 2 艏艉变形测量试验设备实物图9 3 图6 1 3 艏艉变形姿态角测量数据曲线9 3 图6 1 4 艏艉变形位置测量数据曲线一9 4 图6 1 5 艏艉变形一分钟内的姿态角测量数据曲线9 4 图6 1 6 甲板上下变形测量布置图。9 5 图6 。1 7 甲板上下变形测量系统部分设备实物图。9 6 图6 1 8 系泊状态下姿态角变形测量结果曲线。9 6 图6 1 9 系泊状态下位置变化测量结果曲线9 7 图6 。2 0 系泊状态下一分钟内的姿态角变形测量数据曲线9 7 图6 2 1 航行状态下姿态角变形测量数据曲线9 8 图6 2 2 航行状态下位置变化测量数据曲线9 8 图6 2 3 航行状态下一分钟内姿态角变形测量数据曲线9 9 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：鱼扭鲢焦姿笾递摄熊型量左鎏区整签变型型量盟窒 、2 、 学位论文作者签名：= 垒己z 二l日期：乃7 汐年 f 复争 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：傻狃签焦姿佳遂摄像型量左洼丞墼佳变星趔量叠究 学位论文作者签名：日期：力矽年月手日 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 第一章绪论 传统的摄影( p h o t o g r a m m e t r y ) 摄像测量学【l 】( v i d e o m e t r i c s v i d e o g r a m m e t r y ) 原理和方法对不通视物体间的位姿测量无能为力。针对不通视目标的位置、姿态 及其变形测量问题，本文在国际上首次提出了“像机链位姿传递摄像测量 的概 念和方法，并将其应用于船体变形测量。作为一个具有完全自主知识产权的原创 方法，像机链位姿传递摄像测量方法将传统摄像测量学的应用基础摄像机能 够直接拍摄到物体的图像拓宽至非通视和非稳平台测量领域。 本章首先介绍论文的课题研究背景，然后对国内外相关研究进展进行论述， 最后介绍论文的内容安排。 1 1 课题研究背景 本文的研究工作主要针对不通视物体间位姿及变形测量问题，并基于以下两 项课题任务展开：( 1 ) 国家自然科学基金专项基金项目( 科学仪器基础研究专款) ： 测量不通视目标位置和姿态的折线光路摄像测量仪的研制( 批准号：1 0 7 2 7 2 0 2 ) ； ( 2 ) x x x 工程子课题：船体变形摄像测量系统样机研制与验证试验。其中，船体 变形摄像测量是本文的主要应用背景。 1 1 1 像机链位姿传递摄像测量方法研究背景 摄像测量方法具有精度高、非接触、成本低等重要优点，有着广泛的应用领 域；但传统的摄像测量方法和技术所测量的对象是可通视的物体间的相对位置和 姿态等参数，对于现实工程应用中存在的不通视目标的三维位置、姿态及变形测 量，则无法应用。 本文提出了像机链位姿传递摄像测量方法，使用多个摄像机和标志物组成像 机链，将不通视的待测目标和测量基准联系起来，进而传递测量待测目标相对测 量基准的三维位置、姿态及其变化量。待测目标、像机链和测量基准共同构成了 一个折线光路进行位姿传递测量，因此该方法又称为折线光路摄像测量方法、像 机接力测量方法和折线光路像机链摄像测量方法。 首先，像机链位姿传递摄像测量方法的研究将解决不通视目标三维位置和姿 态的测量问题。 实际工程中，不通视目标三维位置和姿态测量的需求大量存在。以舰船为例， 现代舰载武器系统与观测系统随着射程( 作用距离) 的增大和精度要求的提高， 对精确的姿态基准信息的需求量不断增长。采用集中式姿态基准无法消除船体变 第1 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 形引起的误差。采用分立式姿念基准虽能消除甲板变形引起的误差，但局部基准 之间的时间同步比较困难，不利于舰上分布式指控系统的发展，而且在甲板面上 布置过多的局部基准既困难也很不经济口】。国内外较多使用主从惯导系统传递对准 方法对武器装备的姿态角进行精确对准。该方法有两个不利因素：舰船变形因素 会影响到该方法的精度；高精度的惯导系统价格非常昂贵。采用对船体挠曲变形 建模与补偿提高对准精度的方式，由于建模困难、舰船类型、负载变换等原因有 着较大的应用困难。 像机链位姿传递摄像测量方法的研究将提供一种低成本、高精度、高实时性 的解决方案。舰船上一般存在少量的局部基准，但这些基准与许多舰载武器系统 之间一般不存在直接通视光路。由于像机链位姿传递摄像测量方法能够实时测量 不通视目标间的三维位置、姿态信息，故使用该方法测量舰载武器系统相对局部 基准的位置姿态等信息，据此能够对武器的初始姿态或对准方向进行修正，从而 提高武器的使用效能。一方面解决了基准与待测武备不通视的问题，另一方面解 决了其他对准方式耗时较长的问题。除了舰载武器姿态对准这个关键军事问题外， 该方法还能够解决大量类似的不通视目标三维位置和姿态测量的问题。 第二，像机链位姿传递摄像测量方法的研究将解决大型结构物体的变形及受 力分析问题。 大型结构的变形及受力分析在工程施工及运营监测中具有非常重要的意义。 常规变形测量方法通常只能测量局部变形。用光测方法测量大型结构物体的变形， 是一种原理上可行、经济上实惠的手段。然而，由于大型结构比较复杂，基准平 台与待测结构之间一般不存在通视光路，传统光测手段不能解决这种不通视物体 的变形测量问题。基于像机链位姿传递摄像测量方法研制位姿传递摄像测量系统， 由于能够利用像机链传递的方式绕开障碍物，获取大型结构中待测物体的不同时 刻的图像并传递测量其位置姿态信息，从而分析物体的变形，并通过其变形分析 受力情况，对于提前采取措施预防事故和灾难的发生有着重要的意义。 下面以船体变形测量为例，阐述本文提出的像机链位姿传递摄像测量方法用 于大型结构变形的研究背景。 1 1 2 船体变形测量研究背景 舰船上装备有大量不同类型的设备和系统( 如雷达、光电瞄准设备及火炮、 导弹等攻防武器) ，它们之间的姿态角坐标需要高精度己知【3 1 。当舰船在陆地建造 和安装设备时，把这些设备的物理基准用光学等精确方法加工、检测、匹配到一 定精度，并把设备的基准与舰船物理坐标基准对准到一定精度，使它们之间的综 合失调误差足够小，建立一个全船统一坐标基准。这样各用户设备就可统一使用 第2 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 中心导航系统的各种参数并能保证一定的精度。然而，舰船在海上航行时，受到 自身载荷、海浪冲击、武器发射冲击以及环境温度变化等外部应力和外部环境的 影响，会产生不可忽视的变形。这些变形使得雷达天线、光测系统等外围设备相 对中心基准的姿态角有着较大的变化。 据俄罗斯圣彼得堡电工大学a v m o c h a l o v 等人的研究【3 1 ，货物和燃料分布变 化、船体不同部位不均匀日晒等因素引起的舰船静态变形高达1 1 5 。；船体运 动、海浪冲击、转舵操作等因素会引起动态弹性变形，甲板平面在偏航方向的变 形可能有几个角分，纵摇角变形达几十角分，而横摇角变形为几分之一角分。 英国的d h t i t t e r t o n 等人【4 】曾指出舰船上负载变化和结构老化均将导致船体 变形，在太阳的作用下，船体结构在一天之内会产生较为显著的l 。左右的挠曲角 变化。 实际上，不同舰船或同一舰船不同部位的变形量均不相同【5 】。但船体变形对舰 船有着一些共同的影响，主要表现为： 如图1 1 所示，主惯导系统一般配置于舰船的摇摆中心或附近，而导弹、舰炮 等武器系统或雷达、光电设备等探测器一般配置在甲板上。甲板变形的存在，使 得主惯导所提供的姿态角信息与甲板上武器系统、探测器的姿态角有一定的差异， 影响了武器的打击精度和探测器的测量精度。 t 图1 1船体变形对探测器和武器精度的影响示意图 某些舰船上主炮和跟踪器之间的距离较远，受船体变形的影响，跟踪器所处 位置的姿态角与主炮所处位置的姿态角有较大的差异。如果能够实时测量跟踪器 和主炮之间的相对姿态角，则可以将跟踪器所指示的姿态角信息经过变形修正之 后直接提供给主炮系统，用于消除船体变形的影响。 对船体变形进行测量并修正，除了有助于保证甚至提高舰炮的射击精度之外， 还可以提高中近程反机制导导弹的初始捕获概率，保证其制导精度，进而保证其 杀伤力。 除了对舰载武器和探测器的精度产生影响之外，船体的挠曲变形还会引起舰 船主、从惯导系统的传递对准误差【2 6 】。从理论上讲，挠曲变形角速率可以通过卡 第3 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 尔曼滤波器进行估计，但实际上很难建立足够精确的模型，以消除船体变形的影 响。 科学技术的发展和武器装备对精确姿态角信息要求的日益增长，对船体变形 测量及修正提出了更迫切的要求。另外，除了舰船之外，对于坦克、宇宙飞船、 空间站等大型设备，对姿态角变形的估计和适当补偿也格外重要。例如军用飞机 由于载弹量变化等因素会引起机翼和吊架变形，影响导弹的初始对准姿态，同样 需要进行变形测量1 7 j j 。 1 2 相关研究进展 1 2 1 船体变形测量研究进展 随着科学技术的发展和武器装备精度的r 趋提高，为了提高舰载武器系统的 精度，并为舰船健康监测系统提供数据，迫使人们必须重视船体变形这一问题的 解决。 常用的船体变形测量和校正方法主要包含以下几种：局部航向姿态基准校正、 惯性测量匹配法、应变传感器测量法、光学测量方法、摄影测量法。下面对几种 主要测量方法分别进行介绍。 ( 1 ) 局部航向姿态基准校正 目前，国际上通常采用局部捷联式航向姿态基准( a t t i t u d e & h e a d i n gr e f e r e n c e s y s t e m ，a h r s ) 进行船体动态变形校正，如德国l i t e f 公司提出的l s r 8 5 d t c 型动态校正装置，用来测量和比较装备安装点相对于舰船中央基准系统的姿态角 与运动，动态校正精度为1 i i l r a d 【2 】。但a h r s 存在以下几个问题：第一，初始对准 时问较长，影响战时反应能力：第二，保精度工作时间较短，测量误差随时间积 累而增加，经过一定的工作时间之后需要重新对准，会对作战产生一定的影响； 第三，随着舰载武器和探测器的精度和准确性要求不断提高，使得a h r s 的数量 增多，成本较高，并使各局部基准之间的时间同步困难1 2 ，圳。 ( 2 ) 惯性测量匹配法 俄罗斯圣彼得堡电工大学a vm o c h a l o v 等人提出了采用两套三轴激光陀螺 组件( l a s e rg y r ou n i t ，l g u ) 测量船体变形的方法【3 j 。一套l g u 布置在基准附近， 与船体主坐标系对准，另一套l g u 布置在外设附近。如果变形角度足够小，则与 l g u 输出信号成线性关系，可以使用卡尔曼滤波来处理，但实际上很难建立足够 精确的模型。卡尔曼滤波器的灵敏度和变形量的估计是该方法的研究难点。 基于惯性测量匹配法的船体变形测量方法引起了国内多家单位的重视，并取 得了一定的研究进展。天津大学、天津航海仪器研究所、北京理工大学、海军航 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 空工程学院等多家单位联合或分别开展了使用惯性测量单元( i n e r t i a lm e a s u r i n g u n i t ，i m u ) 测量船体变形的研究【9 。引。 ( 3 ) 应变传感器测量方法 应变传感器包含电阻式应变仪、光纤布拉格光栅( f b g ) 等应变测量仪器。 f b g 具有分辨率高、耐高温、抗电磁干扰、动态范围宽、可靠性高等优点， 在大型结构应力应变测量中迅速推广。2 0 世纪9 0 年代以来，美、英、日、挪威等 国，先后采用f b g 1 3 5 j 对各种军民船体结构关键部位的应力和应变进行测量、结 构试验和健康监测。2 0 0 2 年，c b a l d w i n 等人在美国海军研究办公室和英国国防 科技实验室等单位的支持下，在英国“t r i t o n ”考察船上敷设了1