（航空宇航科学与技术专业论文）基于双像机的不稳定测量平台静基准转换技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 测量设备中的基座是支撑其上测量仪器的基础，在多种因素的综合作用下容 易产生俯仰、横滚、偏航等姿态的随机变化，从而成为不稳定测量平台。由于这 种测量平台不稳定性的存在，使得其上仪器的测量结果加入了平台晃动引起的误 差，降低了测量精度，制约了这类测量设备的广泛应用。针对在不稳定测量平台 上进行高精度测量这一类问题，本文提出了一种基于双像机的不稳定测量平台静 基准转换方法，其基本原理是将双摄像机固连在不稳定测量平台上，拍摄地面上 作为静态基准的参考标志物，分析得到测量平台相对于基准的位置姿态变化，据 此对其上仪器的测量结果进行误差修正，从而消除测量平台的不稳定误差，达到 高精度测量的目的；设计了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换系统方案； 分析了像机初始对准角度误差的影响；重点研究了系统实现所涉及的关键技术一 一参考标志物的制作以及图像特征点亚像素跟踪定位技术、基于g p so e m 板时间 码的数据误差修正系统时统方法研究；最后验证了系统设计方案的可行性和正确 性。 论文的主要工作包括： 1 、分析了目前精密测量工程领域对不稳定测量平台静基准转换技术的需求现 状，介绍了常见的姿态测量方法。 2 、研究了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换的方法，分析了像机初始 对准角度误差的影响，与基于单像机的不稳定测量平台静基准转换方法进行了比 较。 3 、根据基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法原理，设计了系统的总 体方案，分别从软件和硬件两方面对系统做了详细的介绍，分析了系统实现所涉 及的关键技术。 4 、分析了光源设计所要考虑的四个要素，制作了基于l e d 的十字丝参考标 志物并实现了参考标志物图像特征点的亚像素跟踪定位。 5 、提出了基于g p so e m 板时间码数据误差修正系统时统方法，研究了g p s o e m 板授时原理，实现了g p so e m 板与计算机的串口通信，研究了c p u 高精度 计时原理。 实验数据验证了本文提出的基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法的 可行性、稳定性和精确性，可应用于工程领域。 主题词：测量平台静基准g p so e m 板参考标志物误差 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t p a c t 1 1 1 ep l a t f o r mo fm e a s u r e m e n te q u i p m e n ti st h eu n d e r p r o po ft h ei n s t r u m e n ta n di t w i l lr o c ko nt h es t o c h a s t i cp o s et r a n s f o r m a t i o no fp i t c h i n ga n dr o l l i n ga n dy a w i n gi nt h e a c t i o no fv a r i o u sf a c t o r s s oi tb e c o m e st h eu n s t a b l ep l a t f o r m b e c a u s eo ft h ei n s t a b i l i t y o ft h ep l a t f 0 1 t f l t h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti sr e d u c e dt h a tr e s t r i c t st h e f a r g o i n ga p p l i c a t i o no ft h em e a s u r e m e n te q u i p m e n t s p e c i f i ct ot h i st y p eo fp r o b l e mo f c a r r y i n go nh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t so nt h eu n s t a b l em e a s u r e m e n tp l a t f o r m ，t h i s p a p e rp r e s e n t sam e t h o do fs t a t i cb a s e l i n ec o n v e r s i o no ft h eu n s t a b l ep l a t f o r mb a s e do n d o u b l ec a m e r a s f i r s t l yt h ed o u b l ec a m e r a sw h i c hc a p t u r eas t a t i cr e f e r e n c eo b je c t sa r e f i x e do nt h eu n s t a b l em e a s u r e m e n tp l a t f o r n l ，t h e nt h ea n a l y s i si sc a r r i e do u tt oo b t a i nt h e a t t i t u d ec h a n g er e l a t i v i t yt ot h eb a s ep l a t f o r m ，f i n a l l yt h er e s u l t so ft h em e a s u r e m e n ta r e c o r r e c t e dt h r o u g he l i m i n a t i n gt h ei n s t a b i l i t ye r r o ro fm e a s u r e m e n tp l a t f o r mt h a tc a n a c h i e v et h ep u r p o s eo fh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ；t h es y s t e mp r o g r a mi sd e s i g n e da n d a c h i e v e d ；t h ek e yt e c h n i q u e sw h i c ha r et h ef a c t u r eo ft h es y m b o la n dt h es u b p i x e l o r i e n t a t i o no ft h ei m a g e sa n dt h et i m eu n i f i c a t i o no fe r r o r - c o r r e c e ds y s t e r mb a s e do nt h e g p so e mb o a r dt h a ta r er e l a t et ot h ea c h i e v e m e n to ft h es y s t e r mi ss t u d i e d ；t h e f e a s i b i l i t ya n d c o r r e c t n e s so ft h es y s t e md e s i g n i n ga r ev e r i f y e d t h em a i nt h e s i si n c l u d e s5s e c t i o n s ： 1 t h ec u r r e n tn e e d i n gs t a t eo ft h es t a t i cb a s e l i n ec o n v e r s i o nt e c h n o l o g yo ft h e u n s t a b l em e a s u r e m e n tp l a t f o r mt h ei np r e c i s i o nm e a s u r e m e n te n g i n e e r i n gf i e l di s a n a l y z e d ；t h ec o m m o na t t i t u d em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h ec a r r i e r si si n t r o d u c e d 2 t h em e t h o do fs t a t i cb a s e l i n ec o n v e r s i o no ft h eu n s t a b l ep l a t f o r mb a s e do n d o u b l ec a m e r a si s p r e s e n t e d ；t h ei m p a c to ft h ei n i t i a la l i g n m e n ta n g l ee r r o ro nt h e m e a s u r e m e n te r r o rc o r r e c t i o ni sa n a l y z e d ；t h em e t h o do fs t a t i cb a s e l i n ec o n v e r s i o no f t h eu n s t a b l ep l a t f 0 1 1 1 1b a s e do ns i n g l ec a m e r ai ss c o m p a r e dt ot h ea n t e r i o rm e t h o d 3 a c c o r d i n gt op r i n c i p l eo ft h em e t h o do fs t a t i cb a s e l i n ec o n v e r s i o no ft h e u n s t a b l ep l a t f o r mb a s e do nd o u b l ec a m e r a s ，t h eo v e r a l lp r o g r a mo ft h e s y s t e mi s d e s i g n e d ；ad e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e mi s m a d e ；t h ek e yt e c h n o l o g i e st oa c h i e v es y s t e ma r ep r e s e n t e d 4 n l ef o u re l e m e n t so fl i g h ts o u r c ed e s i g na r ea n a j y z e d ；t h eh i g h - p r e c i s i o n c r o s s - m a r kb a s e do nl e di sm a d ea n dt h es u b - p i x e lo r i e n t a t i o no ft h es p e c i f i cp o i n to f t h ei m a g ei sc a r r i e do u t 5 am e t h o do fs i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n tb a s e do ng p so e mb o a r di s p r e s e n t e d ；t h et i m i n gp r i n c i p l eo fg p so e mb o a r di ss t u d i e d ；t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h eg p so e mb o a r da n dt h ec o m p u t e r ss e r i a li sr e a l i z e d ，t h eh i g h - p r e c i s i o n t i m i n gp r i n c i p l ei ss t u d i e db a s e do nc p u 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h ee x p e r i m e n t a ld a t a sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dt h es t a b i l i t ya n dt h ea c c u r a c yo f t h em e t h o do fs t a t i cb a s e l i n ec o n v e r s i o no ft h eu n s t a b l ep l a t f o r i l lb a s e do nd o u b l e c a m e r a st h a tc a nb ea p p l i e dt ot h ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n tp i a 怕r m ：s t a t i cb a s e l i n e ；g p s o e mb o a r d ；m a r k ； e r r o r 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 字母符号物理含义表( 一) 1 2 表2 2 字母符号物理含义表( 二) 1 3 表2 3 字母符号物理含义表( 三) 17 表2 4 初始对准角误差影响实验结果1 8 表3 1 系统技术指标。2 0 表4 1 成像系统参数表。3 4 表4 2 十字丝中心点定位实验结果( 单位：像素) 3 8 表5 1 时统误差实验结果4 4 表6 1 实验器材表4 5 表6 2 像机及支架参数表4 8 表6 3 光电经纬仪方位角变化系统误差对照表5 1 表6 4 静态修正误差实验结果表5 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1c c d 自准仪原理图5 图1 2 论文结构图7 图2 1平台坐标系与地理坐标系示意图9 图2 2 像机坐标系示意图1 0 图2 3不稳定测量平台静基准转换原理示意图l l 图2 4 像机平移运动示意图1 2 图2 5像机旋转运动示意图13 图2 6 初始对准角度误差模型图17 图2 7 单像机静基准转换原理示意图1 9 图3 1系统总体技术方案2 1 图3 2 软件系统工作流程图2 3 图3 3数字图像离散化示意图2 4 图3 4 亚像素定位算法总结示意图2 6 图3 5小孔成像模型示意图2 7 图4 1直射光与散射光示意图2 9 图4 2 前景光与背景光示意图3 0 图4 3 光学成像系统的等效模型3 2 图4 4 常见人工参考标志物示意图3 4 图4 5参考标志物实物图3 6 图4 6 十字丝拍摄图3 6 图4 7 直线截面灰度分布示意图3 7 图5 1g p so e m 板输出示意图3 9 图5 2g p so e m 板输出示意图4 0 图5 3串口通信示意图4 1 图5 4串口针脚示意图4 1 图5 5 程序流程图4 3 图6 1实验装置图4 6 图6 2 像机安装示意图4 6 图6 3两梁衔接处受力分析图4 7 图6 4 随机误差随时间变化图5 l 图6 5 经纬仪方位角变化量与像机偏航角变化量比较图5 3 图6 6 经纬仪高低角变化量与像机俯仰角变化量比较图5 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图6 7 修正后经纬仪方位角误差图5 4 图6 8修正后经纬仪高低角误差图5 4 第v l 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：基王丞篮扭数丕整定型量壬鱼整基造莹垫技盎珏究 学位论文作者签名： 奎垂主日期：二哆年1 1 月彩日 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：基王区鱼狃的丕煎度趔量壬金整基壅莹垫技苤盈窀 学位论文作者签名： 奎垂主日期：2 刃7 年，月日 作者指导教师签名：圣竖! 二鱼日期：旧9 年，月巧日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本章介绍了课题的研究背景，分析了常见的姿态测量方法，提出了一种基于 双像机的不稳定测量平台静基准转换方法，概述了全文的主要内容。 1 1 课题背景 测量设备中的基座是支撑测量仪器的基础，在静力、动力及振动等负荷以及 路面的不平整等因素的综合作用下，容易产生俯仰、横滚、偏航等姿态的随机变 化，从而成为不稳定测量平台。由于这种测量平台不稳定性的存在，使得其上仪 器的测量结果加入了平台晃动引起的误差，大大降低了仪器的测量精度，制约了 基于这类测量设备的广泛应用。如能高精度地修正测量平台的不稳定性对仪器测 量结果造成的误差，则可使测量设备获得较高的测量精度，从而满足精密测量工 程领域的需求。下面以实际工程为背景进行阐述。 光电经纬仪在现代靶场中是获取飞行目标弹道数据和飞行状态的最基本的跟 踪测量设备，也是实施评估打击效果和评价精确制导武器研制的最有效手段之一。 它具有测量精度高、获取的飞行目标影像直观性强、不受“黑障区 和地面杂波 干扰的影响、性能稳定可靠等优点，因而成为导弹、运载火箭的动力段和弹头的 再入段精密弹道的测量、无线电外测系统的精密鉴定以及发射段事件的实况记录 的主要设备之一【l 】，广泛应用于航空、航天、武器试验等科研和军事领域。 现代靶场上广泛装备的光电经纬仪主要有两种工作模式，一种是固定塔台式， 一种是车载移动式。目前，国内靶场装备的光电经纬仪大都采用固定塔台式，即 把经纬仪安装在固定的地基座上，这种地基是根据靶场布站的要求，按照一定的 地理坐标而专门设置的。由于地基多采用钢筋混凝土的结构，光电经纬仪借助于 地基固定在地面上，可使测量仪器平稳地工作，因此测量精度很高。但由于其作 用范围固定，随着现代武器装备机动性要求越来越高，固定塔台式光电经纬仪的 应用受到了很大的限制，而车载移动式将经纬仪直接安装在车载平台上，经纬仪 可直接在车载平台上工作，可以满足不同地点，不同时间实时对目标进行跟踪测 量的要求，机动性强，弥补了固定塔台式经纬仪的缺点，适应了部队的快速反应 能力。但经纬仪直接在车载平台准动基准下工作，由于没有固定的基准，加上载 车平台可能停在各种路况的地面上，在工作尤其是在高速跟踪测量状态下，基准 平台很容易发生晃动，如果不消除这种平台晃动的影响，则测量结果将加入由此 造成的误差，大大降低车载移动式光电经纬仪的测量精度。 因此，对于车载移动式光电经纬仪，如果能够高精度地测量基座平台的晃动 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 并修正由此带来的经纬仪测量结果的误差，则可以使车载移动式光电经纬仪获得 高精度的测量结果，能够有效提高目前靶场光学测量的机动灵活性，满足大范围 测量的要求，这将是靶场光测手段的新变革。 雷达在军事和民用领域都具有极其重要的作用，尤其在军事领域，它是探测 敌目标进行防空侦查的重要装备。随着现代科学技术的不断发展，电磁干扰日趋 复杂化，这就对雷达的跟踪侦查能力提出了更高的要求，因此必须进一步提高其 探测目标的精度。 天线座是雷达正常工作的动力支撑基础，其传动精度尤为重要，直接引起雷 达的探测误差，对雷达中常见的方位一俯仰型天线座来说，支撑传动装置中轴系 的旋转精度和轴系之间的相互位置精度是其中的关键。轴系的旋转精度，通常是 指轴本身的制造误差，主要在雷达设计及制造过程中加以限制，而轴系之间的相 互位置精度中的方位轴垂直精度除了与设计制造工艺水平有关外，还与安装基础 的稳定性密切相关，它决定了雷达的标定、测量的精度。由于车载雷达装备没有 固定的安装基础，雷达天线扫描过程中，转台及其承受的载荷较大，转动惯量较 大，安装基础会发生晃动，使得天线座存在水平误差，当天线发射体在进行零度 仰角扫描时，天线纵轴的回转平面不在水平面上，从而产生雷达的标定误差【2 】，同 时安装基础的这种晃动也会影响雷达工作时的扫描精度。如果不消除这种由安装 基础的姿态变化而产生的天线座水平误差的影响，则车载雷达侦查跟踪结果将加 入由此造成的误差，大大影响其目标的探测精度。 因此，对于车载雷达，如果能够高精度地测量安装基础的晃动并修正雷达探 测结果的误差，则可以使车载雷达获得高精度的探测结果，从而提高目标的捕获 概率。 综上所述，对不稳定测量平台姿态进行实时高精度测量并修正其带来的测量 误差在军事领域具有极其重要的意义，如能解决这一问题，将会带来军事装备的 新变革，大大提高现有军事装备的战斗力。 1 2 课题研究现状 在不稳定测量平台进行高精度测量这一类问题的核心是对不稳定测量平台的 姿态变化进行高精度测量并修正其造成的仪器的测量误差。目前，用来测量姿态 的常见方法有陀螺仪测角、g p s 载波相位差分法、c c d 激光自准直仪。 1 2 1 陀螺仪测角 陀螺仪是传统的姿态测量设备，其主要功能是测量动载体的角位移，在飞机、 舰船、导弹、空间飞行器上已经得到了广泛的应用【3 1 1 4 1 。例如，在航空上，陀螺仪 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的基本用途是测量飞机的姿态角( 俯仰角、倾斜角和航向角) ，成为飞机航行驾 驶的重要仪表；在舰船上，陀螺仪用于测量航向、纵摆与横摆；在导弹、人造卫 星和宇宙飞船的控制系统中，陀螺仪用于测量姿态及其变化。此外，陀螺仪还可 以应用于矿山开采和石油钻井的定向、铁轨倾斜度和汽车性能的测量以及制造精 密的称重衡器等等【5 】。 但是陀螺仪在实际的应用中，总是不可避免地存在有干扰力矩使之产生章动 和漂移，从而引起自转轴相对于惯性空间方位的改变。在这两种形式的运动中， 章动引起的方位改变极为微小，可以忽略不计；而飘移所引起的方位的改变比较 显著，成为影响陀螺仪精度的主要因素。陀螺仪漂移率的计算如式( 1 1 ) 所示【6 j ： 其中m 。为陀螺仪上的干扰力矩，日为陀螺仪角动量。 = 鲁 ( 1 1 ) 由式( 1 1 ) 可知，漂移率与干扰力矩成正比。实际应用中经常碰到干扰力矩 如：摩擦力矩、不平衡力矩、非等弹性力矩、弹性力矩及阻尼力矩等等，且随着 使用时间的不断增加，漂移误差也会不断积累，从而使得陀螺仪测角精度随时间 的积累而逐渐降低，大大影响了它的使用效率。因此陀螺仪不适宜应用于不稳定 测量平台姿态的高精度测量上。 1 2 2g p s 载波相位差分法 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 即全球定位系统作为新一代卫星导航与定位 系统，具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力。文献【7 】提出了二 种利用g p s 载波相位信号测姿的方法，开辟了一个新的g p s 应用研究领域。g p s 载波相位信号测姿方法的基本原理是对g p s 基线两端的天线分别测定其接受到的 g p s 载波信号的瞬时相位，并比较相位差，依靠同一组基线矢量在载体坐标系和本 地坐标系中的旋转关系来估算载体的姿态。 首先利用线性跟踪理论建立动态方程，如式( 1 2 ) 所示，其中x ( k ) 是以角度， 角速度及角加速度为参数的状态变量，v ( 后) 为零均值的高斯白噪声。 x ( k + 1 ) = ( 7 ) x ( 尼) + v ( 七)( 1 2 ) 接着基于积分角速率参数i r p t 8 】【9 】( i n t e g r a t e dr a t ep a r a m e t e r s ) 的概念，通过解 决姿态矩阵的递推过程，建立载波相位的观测方程，如式( 1 3 ) 所示。 占z f ，( 尼+ 1 ) = ( 七+ 1 ) 6 x ( 尼+ 1 ) + n o ( k + 1 ) ( 1 3 ) 最后借助于扩展的卡尔曼滤波( e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r i n g ) 算法进行载体的姿 态及姿态变化率的估计。 g p s 载波相位差分法测姿的测量装置具有重量轻、价格便宜、无需经过长时 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 间的初始校准、连续稳定工作时间长、高可靠性等优点【l0 | ，已经广泛应用于陆地、 海洋、空间等多个领域【1 1 1 。该方法测量精度直接与天线之间的空间距离密切相关， 理论上，基线( 两个天线组成一个基线) 越长，姿态测量精度就越高。但由于测 量平台尺寸一般较小，可布置的基线长度也较短( 如2 m ) ，利用g p s 载波差分法 对其进行姿态测量则要求定位精度达到m m 级，而这种精度需要建立差分g p s 站 才能达到；且该方法的测角精度在0 r 一0 2 。范围之内【l2 1 ，从而使g p s 载波相位差 分法在不稳定测量平台姿态高精度测量上的应用受到很大的限制。 1 2 3c c d 激光自准直仪 c c d 激光自准直仪是一种应用广泛的高精度瞄准及小角度测量仪器，可以作 为测角仪、光学比较仪应用于角度测量、导轨的平直度和平行度测量、台面的平 整度测量、精密定位、自动角度定位等方面，是机械制造、计量测试、航空航天 仪器装调和军用飞行器姿态测量的常规仪器，特别在精密、超精密定位方面，更 有不可替代的作用。 c c d 激光自准直仪是根据光学自准直原理，以线阵c c d 为传感器，利用c c d 器件本身的像素扫描测量自准值像的位置，采用a d 变换器对目标信号进行采集， 并用d s p 芯片实时处理采集的大量数据，同时输出结果。其基本原理如图1 1 所 示。将线阵c c d 器件放在自准仪物镜的焦面上，光源发出的光经过分光棱镜和物 镜后形成一束平行光束照射在平面反射镜上，如果平面反射镜垂至于物镜光轴， 则发射光线按原路返回，经过物镜后，成像于c c d 器件上，根据这一位置确定点 的零位；如果平面反射镜与物镜光轴之间夹角为口，则反射线与物镜光轴之间的夹 角为2 秒，相应的发射回来的像的位置将与零位相差崩【1 3 】。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 光濮 ? j 一 ! ： | | | 目 7 j 1 、2 0 j 、 址 1 j， 1 1 f 反射镜 物镜 图1 1c c d 自准仪原理图 由几何关系可得： p ：上 2 日 ( 1 4 ) 由于在自准仪中常用的定位算法均存在定位精度低、重复性差、计算效率不 高等缺点，使得c c d 激光自准仪的测量精度和实用性受到了影响f 1 4 】，制约了其在 不稳定测量平台姿态测量上的应用。 1 2 4 其它方法 国外研制的接触式传感器测量基准平台姿态的设备，需要在平台上布置几十 个姿态传感器。这种方法安装复杂、造价高，实用价值和推广价值都不高。 另外，国外已研究出先进的方法，对车载平台进行实时测量，提供反馈数据， 实现精密的跟踪测量。例如，美国生产的超级数字式自动跟踪记录仪能探测和跟 踪斜距为一千公里的再入目标，测角精度为一角秒；其生产的地面电光深空监视 系统能探测到四千公里高的足球大小目标，测角精度为十角秒l ”j 。 1 3 摄像测量方法 近年来，基于图像的测量系统在较多领域得到广泛的应用【16 1 ，其核心就是摄 像测量技术。摄像测量技术1 7 1 是利用摄像机、照像机等对动态、静态景物或物体 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 进行拍摄得到序列或单帧数字图像，再应用数字图像处理分析等技术结合各种目 标三维信息的求解和分析算法，对目标结构参数或运动参数进行测量和估计的理 论和技术，具有以下优点： l 、摄像测量技术是通过分析目标图像事项测量目的，属于非接触测量，因而 不会对目标的结构特性和运动特性带来任何干扰，测量结果客观、可视、可信。 2 、摄像测量技术具有场( 面) 目标测量精度高的优点，除了完备的光束平差 法保证了三维解算的高精度性，数字图像分析中各种亚像素方法也使得目标的图 像定位精度能够达到十分之一甚至百分之一像素的量级，有效保证了测量结果的 精度。 3 、摄像测量技术除了对单幅图像进行分析定位，通常还将考虑运动约束，对 物体进行运动参数测量，既测量得到物体对象的静态三维信息，也能够测量物体 对象在时空中的变化( 运动、变形) 信息。 正是由于具有高精度、非接触、运动和动态测量等优势，摄像测量技术已经 广泛应用于各种精密测量和运动测量，涉及航空航天、国防实验、勘察勘测、交 通运输、建筑施工、体育运动等各个领域，例如：零部件加工质量检测、三维表 面重建、工业反求工程、建筑工程测量、铁路公路质量检测、飞行器弹道姿态测 量等运动参数测量等等。 另外，摄像测量技术随着计算机硬件的飞速发展以及各种先进的图像处理、 分析算法软件的大量涌现和人工智能技术的发展，已经可以进行动态实时测量， 例如：实时检测、视觉导航、工业质量实时检测和监控等等。 基于课题研究现状，结合摄像测量技术，本文提出一种基于双像机的不稳定 测量平台静基准转换方法，其基本原理是将双摄像机固连在不稳定测量平台上， 拍摄地面上作为静态基准的参考标志物，实时分析得到该不稳定测量平台相对于 静态基准的位置姿态变化，从而修正测量平台晃动带来的仪器测量结果的误差， 最终提高测量平台上仪器的测量精度。目前，该方法理论成熟，系统数字化程度、 测量精度高，可解决在不稳定测量平台进行高精度测量这一类问题。 1 4 1 论文主要结构 1 4 论文主要结构及内容安排 论文采用的技术路线为理论和实践相结合的方法：广泛查阅国内外相关文献 资料，了解相关研究内容的最新动态，提出解决问题的新方法，设计了系统总体 方案，通过实验验证方法的正确性。文章的体系结构安排如图1 2 所示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 厂_ j l l 第六章实验数据分析| 【一 r - 卫 i 结论与展望| ij 图1 2 论文结构图 论文共分六章进行论述，第一章为绪论，主要说明课题的研究背景与意义、 国内外研究现状、以及论文的主要研究内容，是论文的综述部分；第二章研究了 基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法原理，是论文的创新部分；第三 第五章对第二章提出的方法进行系统方案设计，对涉及到的关键技术进行了深入 的研究，是论文的核心部分；第六章对系统进行实验验证，是论文的支撑部分； 最后给出了论文的结论与展望。 1 4 2 论文主要内容 测量仪器直接安装在不稳定测量平台上，执行任务时存在的各种因素使得测 量平台发生晃动，从而降低了测量仪器的测量精度，因此对不稳定测量平台姿态 进行实时测量并修正由平台晃动带来的测量仪器的测量误差至关重要。本文研究 的具体内容如下： 第一章分析了目前精密测量工程领域对不稳定测量平台静基准转换技术的需 求现状，介绍了常见的姿态测量方法，并对论文的主要结构及内容安排做了详细 的介绍。 第二章研究了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法，分析了像机初 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 始对准角度误差的影响，与基于单像机的不稳定测量平台静基准转换方法进行了 比较。 第三章针对基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法设计了系统的总体 方案，并分别从软件和硬件两方面对系统做了详细的介绍，分析了实际工程中需 要解决的几项关键技术。 第四章简单介绍了光源的基本知识，着重分析了光源设计所要考虑的四个要 素，高精度制作了基于l e d 的十字丝参考标志物，实现了十字丝中心点的亚像素 跟踪定位。 第五章提出了一种基于g p so e m 板时间码的数据误差修正系统时统方法，深 入研究了g p so e m 板授时以及c p u 时间戳高精度计时原理，实现了g p so e m 板与计算机的串口通信。 第六章通过实验验证了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法的可行 性、稳定性和精确性。 最后为论文的结论及今后的基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法的 几个发展方向。 1 5 小结 本章简述了目前精密测量工程领域对不稳定测量平台静基准转换技术的需求 现状，分析了常见的姿态测量方法，概述了本文方法，列出了论文的主要结构和 研究内容。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学伊论文 第二章基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法 本章研究了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法原理，分析了像机 初始对准角度误差的影响，与基于单像机的不稳定测量平台静基准转换方法进行 了比较。 2 1 1 坐标基准 2 1 方法概述 研究基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法，首先需要明确各测量诸 元的基准定义，建立解算坐标系。方法中所涉及到的坐标系包括地理坐标系、平 台坐标系、像机坐标系。 地理坐标系o x y z 和平台坐标吼m 毛系均为右手坐标系，如图2 1 所示。 6 ( x ) ( y ) 图2 1平台坐标系与地理坐标系示意图 平台坐标系o h x h y h z 。原点为平台的中心，轴为正北方向，z h 轴垂直于平台向上， 且随平台一起运动；地理坐标系o x y z 原点也为平台的中心，x 轴指向北，z 轴 沿垂线方向指向天，即与初始时刻( 指平台上测量设备每次开始工作的时刻) 的 平台坐标系o h x h y h z h 重合。 像机坐标系为右手坐标系，如图2 2 所示。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 像机坐标系示意图 摄像机坐标系d ，一”z ，建立在摄像机上，并随摄像机一起运动，坐标系的原点为摄 像机光心，只轴与摄像机光轴重合， 轴垂至于平台向上。 所谓物体( 这里指平台和像机) 的姿态，指的是物体坐标系相对于地理坐标 系的方位关系，由偏航角、滚转角、俯仰角三个姿态角来定义。偏航角定义为物 体坐标系绕地理坐标系z 轴旋转的角度，顺时针方向为正，逆时针方向为负；俯仰 角定义为物体坐标系绕地理坐标系y 轴的旋转的角度，向上为正，向下为负；滚转 角定义为物体坐标系绕地理坐标系x 轴旋转的角度，左边向上为正。 2 1 2 原理介绍 基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法的基本原理是将双摄像机固连 在不稳定测量平台上，拍摄地面上作为静态基准的参考标志物，分析得到该不稳 定测量平台相对于静态基准的位置姿态变化，从而消除测量平台的不稳定误差， 达到高精度测量的目的。该方法原理包含两层含义： 第一层，求解不稳定测量平台的位置姿态变化。如图2 3 所示，在不稳定测量 平台上刚性固定两台有一定夹角的像机c 1 和c ，像机光轴通过测量平台的原点， 且测量过程中像机与平台不发生相对运动；两像机前方分别固定参考标志物；通 过亚像素定位技术实时跟踪两像机拍摄的参考标志物特征点，实时解算出像机姿 态角的变化，即通过跟踪定位像机c 1 拍摄的参考标志物特征点可以测量出0 3 角和 缈角，通过跟踪定位像机c 拍摄的参考标志物特征点可以测量出k 角和够角；由 于像机和平台之间是固定连接的，所以综合两像机姿态角的测量结果，可以解算 出不稳定测量平台的姿态参数。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 3 不稳定测量平台静基准转换原理示意图 第二层，修正不稳定测量平台上测量仪器c 0 由于平台的晃动而产生的测量误 差。由于平台的晃动是造成其上仪器测量误差的根本原因，所以误差修正的基本 思路是用测得的某时刻平台坐标系到地理坐标系的姿态变化( 旋转矩阵) 修正此 时刻测量仪器的测量结果。 2 2 像机姿态测量 由刚体运动学理论可知，像机随平台的运动可分解为平移运动和旋转运动， 因此可以将摄像机随测量平台运动而产生的姿态变化的求解过程同样分以上两步 进行。 2 2 1 像机平移运动 如图2 4 所示，安装在测量平台上的像机由初始位置c 竖直向上平移到位置 c ，保持摄像机的光轴方向不变。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 4 像机平移运动示意图 其中，图中各字母符号代表的物理含义如表2 1 所示： 表2 1 字母符号物理含义表( 一) 字母物理含义 p参考标志物点 摄像机焦距 皖。 像机竖直平移的距离 岛 像机平移前参考标志物的像点 p l l 像机平移后参考标志物的像点 y o像点p 。到像机光轴的竖直距离 一平移后像点p ：到光轴的距离 三平移前像机光心到平台原点的距离 h标志点p 到平移前像机光轴的距离 d像机平移前标志点p 在光轴上的投影点与光心的距离 由三角几何关系可得： 疋l = l t a n 缈 y o f = h | d 奠s = ( 日一唾。) d 联立式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 可得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 厂 只= y o 一妥l t a n ( 2 4 ) u 至此，摄像机随平台做平移运动时像机姿态角与参考标志物特征像点位移的 关系式已建立，如式( 2 4 ) 所示。接下来建立像机随平台做旋转运动时像机姿态 角与参考标志物特征像点位移的关系式。 2 2 2 像机旋转运动 如图2 5 所示，摄像机做旋转运动，其光轴在竖直面内旋转一角度缈。 图2 5 像机旋转运动示意图 其中，图中各字母符号代表的物理含义如表2 2 所示： 表2 2 字母符号物理含义表( 二) 字母物理含义 像机光轴在竖直平面内旋转的角度( 俯仰角) p t 参考标志物中心的实际像点 y t 像点b 到光轴的距离 由三角几何关系可得： y t = 虻一f t a n c o 联立式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可得： ( 2 5 ) 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一万y z - y o 一码y t - y o 亿6 ， 上+ 7 r厂( 1 + 兰) 、。”7 d 、d 。 进一步可得： 拈缸1 ( 一码y , - y o ) _ t a i l - l ( 一南 亿7 ， 们+ 云)厂( 1 + 云) 峥“7 其中， y = 弘一y o( 2 8 ) 至此像机的姿态角与参考标志物特征点的位置关系已建立，如式( 2 7 ) 所示。 以上公式的推导过程是以单参考标志物即每个像机前面都固有一个参考标志 物为静态基准，对于双参考标志物基准即每个像机前面都固有两个参考标志物， 则有如下关系式： a m 一 y 2 -二-一=一们+ 寺们+ 刍 q 9 由式( 2 9 ) 可得： 三= 瓦d 1 d 万2 ( y 酉l - 石y 2 ) ( 2 1 。) 厶一一 izii ，- d 2 儿一d l m r 7 联立式( 2 7 ) 与式( 2 1 0 ) 可得： 舻觚飞一南 像机的偏航角的求解过程和俯仰角求解过程是一样，其表达式与式( 2 11 ) 具 有相同的形式，这里就不再推导。 式( 2 11 ) 中等效焦距厂、距离d l 、d 2 的数值分别可由像机标定和钢尺测量 精确获得；而m 、奶测量精度由图像特征点的亚像素跟踪定位算法决定，目前 常用图像亚像素定位算法的精度为o 1 到0 3 个像素，有些算法在理想的情况下可 以达到0 0 1 个像素的定位精度。因此，理论上平台姿态的测量结果可以达到较高 的精度。 2 3 测量误差修正 基于双像机的不稳定测