（机械电子工程专业论文）运动物体位置姿态测量系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 线路几何尺寸是表征轨道交通皋础设施安伞状态最为。重要的参数，这类参数 的高精度检测足确保轨道交通安全的基础，对围家经济和人民生活有着重要的意 义。目自i 车载式动态检测已经成为铁路和城市快轨的t 要安全检测手段，但在检 测过程巾检测设备 “于振动会产牛六个自由度的f i 确定性，这严重影响了测量的 精度，因此检测运动列车的位置姿态、弥补测量误差至关罩要。本文在研究国内 外相关技术的基础上，结合列车检测设备的特点，设计了列车运动位置姿念定点 测量系统。 本文的设计基于双目立体视觉原理和以i 尔莎坐标转换模型，系统具有结构简 单、安装方便、精度高等优点。为了满足系统高速测量的要求，本文选用f p g a 来完成图像采集的功能；利用p c 机强大的处理功能完成图像的后期处理。图像处 理中采用形态学对图像进行杂点去除，实现特征点的精确定位；采用重心法获得 特征点的亚像素级图像坐标。本文采用神经网络对像机进行参数标定，根据立体 摄影原理和特征点的图像坐标狭得特征点的三维坐标，最后根据毕标转换模型得 到列车的六个自由度。根据系统测量方案，在现有实验条件的基础上搭建了测量 平台，并进行了相关实验，实验数据表明系统精度满足精度要求。 关键词：位置姿态；立体视觉；坐标转换模型；f p g a ；图像处理 分类号：u 2 1 6 3 a b s t r a c t a b s t r a c t l i n eg e o m e t r i e sa r et h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a tc h a r a c t e r i z et h es a f e t y s t a t u so fr a i l w a yi n f r a s t r u c t u r e t h e r e f o r e ，h i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ft h e s e p a r a m e t e r si sk e y t oe n s u r er a i l w a ys a f e t y ，a n dh a sa ni m p o r t a n tb e a r i n go nt h en a t i o n a l e c o n o m ya n dp e o p l e sl i v e s a tp r e s e n t ，t h ed y n a m i cv e h i c u l a rm e a s u r e m e n th a s b e c o m et h em a i nm e a n so fm o n i t o r i n gt h es a f e t yo fr a i l w a ya n dr a i lt r a n s i t h o w e v e r , i n t h ep r o c e s so fm e a s u r e m e n t ，a sar e s u l to fv i b r a t i o n ，t e s t i n ge q u i p m e n tw i l lh a v e u n c e r t a i n t yo fs i xd e g r e e so ff r e e d o m ，s e r i o u s l ya f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t s s oi t sc r u c i a lt od e t e c tt h ep o s i t i o na n dp o s eo ft h em o v i n gv e h i c l et o c o m p e n s a t e m e a s u r e m e n te r r o r s i nt h i st h e s i s ，b a s e do ns t u d i e so nr e l a t e dt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d ，a n do na c c o u n to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a i nd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，w ed e s i g n e d f i x e d p o i n tm e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h ep o s i t i o na n dp o s eo fm o v i n gv e h i c l e i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g nw a sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fb i n o c u l a rs t e r e ov i s i o na n d b u r s ac o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm o d e l t h ep r o p o s e ds y s t e mh a das i m p l es t r u c t u r e ， h i g hp r e c i s i o n a n dw a se a s yt oi n s t a l l i no r d e rt om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t so f h i g h - s p e e dm e a s u r e m e n t t h et h e s i su t i l i z e df p g at oc o m p l e t et h ef u n c t i o n so fi m a g e a c q u i s i t i o n ，a n dm a d eu s eo fp ci np r o c e s s i n gf u n c t i o n st oc o m p l e t ep o s t - p r o c e s s i n go f i m a g e s i nt h ei m a g ep r o c e s s i n g ，w eu s e dm o r p h o l o g i c a lt h e o r yt or e m o v en o i s eo f i m a g e sa n da c h i e v ep r e c i s ep o s i t i o n i n go ft h ef e a t u r ep o i n t s t h e nw eu s e dg r a v i t y c e n t e rm e t h o dt oo b t a i nt h es u b p i x e li m a g ec o o r d i n a t e so ft h ef o c u sp o i n t s i nt h i s t h e s i s ，w eu s e dn e u r a ln e t w o r kf o rc a m e r ac a l i b r a t i o n i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e o ft h r e e d i m e n s i o n a lp h o t o g r a p h y , t h r e e - - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e so ff e a t u r ep o i n t sc o u l d b eo b t a i n e db yu s i n gi m a g ec o o r d i n a t e so ft h ep o i n t s f i n a l l y , a c c o r d i n gt oac o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o nm o d e lw ec o u l dg e ts i xd e g r e e so ff r e e d o mo fv e h i c l e s o nt h eb a s i so f t h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa n da c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n ，w ee s t a b l i s h e d t h em e a s u r e m e n tp l a t f o r ma n dd i dt h er e l a t e de x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a ld a t as h o w e d t h a tt h ea c c u r a c yo f s y s t e mm e tt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：p o s i t i o na n dp o s e ；s t e r e ov i s i o n ；c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm o d e l ； f p g a ；i m a g ep r o c e s s i n g c l a s s n o ：u 2 1 6 3 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：卫研衙 签字同期： 加。7 年6 月心同 7 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通人学自关保留、使用学位论义的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有天数据库进行检索， 提l j t n 览服务，并采用影印、缩印或手1 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁衙。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：卫行葡 新虢奔雌 签字同期：二0 0 1 年6 月i j 同签字日期：知o 7 年6 月心同 致谢 奉论文的i ：作是在我的导师余祖俊教授的悉心指导下完成的，余祖俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 余祖俊老师对我的关心和指导。 朱力强老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很人的关心和帮助，在此向朱力强老师表示衷心的谢意。 史红梅老师对于我的科研工作和论文都提出了许多宝贵的意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，微机测控实验室的全体同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 铁路是我国主要的运输方式，其安全运营对国民经济有着十分重要的意义， 因此对铁路基础设施的检测尤为必要。目自订多采用牟载式动念检测列车来检测铁 路设施的几何尺寸，但是这种柃测存在基准偏移的缺点，凶此需要枪测运动列车 的位置姿念来补偿基准偏移。本文针对这种需求，在研究国内外运动物体位置姿 态检测技术的基础上，提出了适合列车位置姿态检测的方法，并进行了相关实验。 本课题的研究意义在于弥补车载式检测车的检测误差，提高检测精度，保障列车 运行安全。 1 1 课题背景和意义 作为国家的基础运输设施，轨道交通的安全运营对国家经济和人民生活有着 重要的意义。由于地质变形、自然灾害、运行车辆的动力冲击、落物、以及设施 的非正常突出和缺失等，轨道、隧道、桥梁等基础设施经常发生变形、侵限等现 象，严重威胁到轨道交通的畅通和安全。在地质条件恶劣的地区，如极易发生沉 降的青藏铁路，这种威胁更为严重，如不能及时掌握基础设施的全断面尺寸，就 有可能危及行车安全，酿成重大事故。因此，及时掌握基础设施的全断面尺寸及 其发展趋势是确保轨道交通安全的基础。 历史数据也表明，线路几何尺寸是表征轨道交通安全状态最为重要的参数。 因此，实现这类参数的高精度检测是确保轨道交通安全的基础。随着轨道交通向 高运行速度、高行车密度的方向发展，轨道交通运营安全保障工作变得越来越艰 巨，相应的基础设施安全检测也由传统人工巡检方式向现代车载式高速动态检测 方式转变。由于对正常运营影响小、效率高、速度快，车载式动态检测方式已经 成为铁路和城市快轨的主要安全检测手段。 这种动态测量的难点是：测量设备在运动中由于振动会产生六个自由度的不 确定性，即点头、摇头、侧滚、伸缩、沉浮、横摆。测量设备与测量基准之间的 不确定性严重影响了测量的精度。因此，动态测量设备必须能够自动校准其运动 过程中的位置姿态，即通过对六个自由度的准确测量，也就是动态基准的测量， 来补偿偏差，以实现准确测量。为此，一般需将动态测量设备安装在独立于车体 振动的惯性平台上，以确保测量精度。这种方式的缺点是惯性平台体积大、造价 高。另一种相对经济可行的方法是通过高精度的惯性陀螺对动态测量设备的位置 姿态进行准确测量来校正测量基准的偏差，即所谓的捷联式惯性基准测量，这是 北京交通人学颂十论文 目 j 技术发展的主要方向。机械陀螺、激光陀螺、或光纤陀螺可以测景运动物体 绕三维坐标轴旋转的角度变化率，加速度传感器可以测量物体直线运动加速度， 通过积分可以问接算出物体位置姿态，即六个自卜h 度的绝对变化量，这种方式又 被称为惯性导航。由于陀螺仪和加速度计存在随机测量误差和零点飘移等系统误 差，在积分过程中，这些误差被累积在测帚结果中，造成测量误差随管时间的推 移而逐渐变大，所以这种方法不适合长距离的测最任纠2 | 。 为克服惯性导航的这一缺点，一方面需要采用复杂的数据处理算法提高皋于 陀螺仪和加速度计的惯性基准系统的测量精度；另一方面，需要一种能够与惯性 基准系统配合、可直接测量运动物体六个自由度绝对值的方法，这种方法的输出 频率不需要很高，只需在惯性基准系统累计误差超出允i , q - 值以前，重新校准惯性 基准系统即可。由于轨道交通的特殊性，现有的技术无法同时满足量程、精度、 探测距离、车载安装等要求，例如，测量机床工作台多自由度偏差的激光测量系 统虽然可以达到微米级测量精度，但其量程通常非常小；基于立体视觉的目标姿 态测量系统利用双目融合原理和计算机视觉技术，一般只能达到毫米级测量精度； g p s 卫星导航与惯性系统( i n s ) 融合技术可以实现高速运动物体的远距离位置姿 态测量，但精度较低，目自i 借助差分和现代数据处理算法仅可实现厘米级精度的 线位移动态测量，尽管角度测量精度较高，优于0 1 。，但也只能实现航向角的测 量，而且在隧道、楼群等无法接收g p s 卫星信号的环境下应用受到限制【3 】。 为此，本文旨在研究运动物体位置姿态检测技术的基础上，采用新的测量原 理和处理算法，研制满足车载线路全断面动态基准测量系统中精度和安装环境的 要求、安装操作简单、可移植性好的动态基准测量系统，与惯性导航系统相配合， 解决车载式动态测量中存在的问题，获得精确的运动车辆瞬时位置姿念，从而实 现高精度的检测铁路基础设施的目的。这对于车载式动态测量的发展和进一步推 广、运动物体位置姿态测量方法实用性的提高、轨道车辆运营的安全检测具有重 要意义。 1 2 运动物体位置姿态测量技术的现状与发展 任何一个物体在空间都具有六个自由度，即3 个方向的平动和绕3 个方向轴 的转动，运动物体位置姿念检测也就是检测运动中的物体在某一特定位置的六个 自由度【钔。运动物体位置姿态测量的研究最初主要出现在飞行器控制领域，以及对 地观测卫星姿态测量系统中，目前也渗透到车辆自动驾驶、智能机器人等新兴领 域。 物体位置姿态检测方法有多种形式，具有各自的优势和局限性，也有不同的 2 绪论 应用条件和背景。鉴于以后的工作重点，下面对物体f 移置姿念测量的主要方法进 行较为系统的分析和总结。 1 2 1基于g p s 技术的位置姿态测量方法 g p s 广泛应用于导航、测量等领域，它能为用户提供高精度的位置、速度和 时i i l j 信息。利用g p s 测黾运动物体的f 移置姿态也足基于它能提供精确的具有时间 标志的相位测量能力。g p s 测吊位置姿态的方法可分为伪距差法和载波相位差法 1 5 1 。g p s 测姿系统的关键问题有：模糊度、星座选择、坐标转换等，它们与测量精 度密切相关。其主要误差来源有基线长度、多径影响、卫星儿何分布以及接收机 性能等【6 】【7 】。 随着技术的不断发展，精确确定物体的位置姿念在舰船、航空航天、精密工 程测量等方面变得同益重要，例如空f b j 飞行器的飞行和对接取决于现代惯性导航 系统测得的姿念精度，又如地面卫星或卫星卫星通信线路的好坏取决于天线定向 精度等。8 0 年代初期国外就已经丌始利用g p s 进行载体位置姿态的研究。目前， 对位置姿态测量的一些关键技术的研究已趋于成熟。美国t r i m b l en a v i g a t i o n 公司 已推出了t a n sv e c t e r 三天线姿态测量系统；a s h t e c h 公司推出了3 d f 三维测 相系统：法国s e r c e l 公司生产了一种姿态测定的差分g p s 接收机；美国t i 公 司推出的a d r 也特别适用于姿态的测量。以上这些位置姿态测定系统的测量精度 都在l 毫弧度左右。在我国，许多单位也已开展了大量的有关位置姿态测量的技术 研究【7 】【8 】。 g p s 位置姿态测量系统具有初始化时间短、无漂移、体积小、重量轻、功耗 低的优点。但是g p s 硬件发展相对缓慢，价格昂贵，且g p s 位置姿态测量系统受 天线距离和测试环境影响和制约较大，缺乏灵活性【8 】。因此g p s 位置姿态测量系 统在一般性行业的推广和应用受到了很大限制。 1 2 2基于传统传感器的多自由度测量方法 传统的多自由度测量方法是在测量的实施现场密布大量的传感器件，采用粗 测和精测相结合的测量方式【4 】。常用的传感器有位移传感器、角加速度传感器和陀 螺仪等，通过这些传感器直接或间接获得物体的六个自由度。 该方法比较普遍的应用是激光陀螺捷联式位置姿态测量系统【9 】【1 0 】。系统主要由 两大部分组成：传感器电路和角姿态信号处理电路。其中传感器电路由三个激光 陀螺及其外围电路组成；角姿态信号处理电路由激光陀螺输出信号处理电路、计 北京交通人学硕十论文 算机、系统控制电路和角姿态模拟信号输出电路组成。在载体工作时，三个相互 垂直安装的激光陀螺将载体在三个方向上的角度变化量以频率信号的方式输出。 经过激光陀螺输m 信号处理电路的处理后输出与三个角姿态信息成j f 比的数字信 号。系统对此数字信号进行求解得到载体的三个角姿态信息，经数模转换后输出 三个角姿态的模拟量。 也有人将该方法用于风洞天平静态校准系统中【1 1 】。例如，1 9 9 5 年未，沈阳空 气动力研究所研制的b a c s l 5 0 0 风涧天平自动校准系统，其线位移和角位移测量 子系统为六自由度非接触式光电转换测量装置。该系统主要由自准直平行光管、 位置检测传感器、激光位移计以及应变式角位移传感器等组成。 基于传统传感器的多自由度测量方法具有较大的测量范围，测量准确度比较 高，但是作为密前i 式系统，控制比较复杂，不易扩展，系统精度受传感器数量和 精度影响较大，且系统误差随着时问有累积效应f 4 1 。 1 2 3基于干涉技术的多自由度测量方法 这种方法采用典型的干涉方法进行定位和测量，只是在成熟的、先进的光学 测试技术基础上，加强了数据采集和处理功能，测量步骤相对简单，精度较高。 但是其基本的干涉测量过程并没有改变，多是单参数测量，无法进行多参数的动 态测量【4 】，且检测过程繁琐。最常用的数控机床实时检测系统采用的就是激光干涉 仪，著名的如h p 5 5 2 7 a 动态校正装置和r e n i s h a w ，z y g o 激光测量系统。 1 2 4基于衍射技术的多自由度测量方法 这种方法是利用全息技术分光，达到一束基准光同时测量多个自由度的目的， 分为利用全息反射和全息透射两种【1 2 】【1 3 】，多与激光测量技术相结合【1 4 】。 韩国k i mj o n g - a h n ( k o r e aa d v a n c e di n s to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 等人设计 了全息反射型多自由度测量系统【幅】【1 6 】，如图1 1 所示。该系统利用圆光栅作为目 标靶，通过测量其0 级和i 级衍射光的偏转角计算出六自由度的偏差。最初的测量 不确定度较低( 线位移2 0 5 l a i n ，角位移2 2 ”) 。经过分析不同方向和坐标轴测量数 据的关系，利用雅可比矩阵分析性能参数关系和优化过程，提高了测量精度( 线 位移o 5 ll a i n ，角位移2 。、) 【4 1 【r 7 1 。 4 绪论 非反射表面 图1 1 全息反射型多自由度测带系统 f i g 1 1r e f l e c t i v eh o l o g r a p h i cm u l t i d e g r e eo ff r e e d o mm e a s u r e m e n ts y s t e m 1 2 5多c c d 的视觉测量技术 这种方法利用现代的光电器件，通过对目标物体或者固定在目标物体上的特 定标靶成像，经过相应的数据处理，实现对物体的多自由度测量【1 8 】【1 9 】。该方法可 以实现对大范围内动态物体的测量，但需要准确定位各个光电器件的相对位置。 该方法中一大类是利用c c d 作为接收器，对一特定制作的置于被测物体上的模型 进行扫描，以获得模型上特征点的视觉信号，经过一定的计算而获得被测物体的 各个自由度的信息【2 0 】【2 1 l 。 台湾宇航研究所研制的位置姿态测量系统是基于面阵c c d 原理【4 】，如图1 2 所示。该系统中两个互相正交放置的面阵c c d 从不同方向对飞机模型上的特征点 进行扫描，通过硬件控制系统可以获得模型上相应特征点的位置姿态信息。该系 统对滚转角的测量精度较低，可以通过使用三个c c d 的方法提高其测量精度，但 要保证三个c c d 互相垂直，需要对三个c c d 进行标定。 参考点 八句e 5 北京交通人学硕十论文 国内的阮晓东等人提出了一种用立体视觉测量多自由度机械装置姿态的方法 伫2 1 。其基本的原理是利用两台位置固定的摄像机，从不同的角度同h 、j 获取同一景 物的两幅图像，通过计算窄间点在两幅图像中的位置差获得窄| 、日j 点的 维坐标值。 在立体视觉测量系统中，由于两摄像机的空间位置、耿向及倾角等具有不确定性， 所以在摄像以前要对摄像机的参数进行标定。另外，从平而图像中获取精确的三 维信息还需建立空间坐标系与像平面牮标系之间的关系。冈此立体视觉的测量包 括两个部分：摄像机系统的参数确定和i 维空| u j 的重构。这种方法的测罩精度受 图像处理精度影响较大。 1 2 6多种技术混合使用的多自由度测量方法 国内的赵转萍等人利用激光干涉和c c d 结合的方法测量靶标( 逆反射镜) 的 位置，实现对运动目标空间位置的激光跟踪测型2 3 1 。测量系统的工作原理如图1 3 所示。 、 麓鬻孝全 反射镜【二蚀砌博 l c c 。卜一l 彬分光镜 l l 。 激光干涉i 肚u 1 y l - j 系统 图1 - 3 激光干涉与c c d 结合的测鼍系统 f i g 1 - 3l a s e ri n t e r f e r o m e t e rc o m b i n e dw i t ht h ec c dm e a s u r i n gs y s t e m 双频激光干涉仪发出的单束激光经跟踪平面镜反射到固定于运动物体上的一 个侧面带有十字线的角锥棱镜上，经三个反射面相继反射后，出射光线再次反射 回平面镜上，当物体运动时，棱镜中心及十字位置发生变化，导致反射光斑的位 置( 光斑中心) 及光斑形状( 十字交角与位置) 发生变化，由棱镜的性质可知入 射光线和出射光线在沿光线的方向看去，其投影与棱镜的顶点q 呈中心对称。c c d 上测量的光斑的中心位置只反映了q 点的移动，这样棱镜( 目标) 的运动就可以 分解为q 点的移动和绕q 点的转动并分别求出。通过提取c c d 图像携带的目标 位置与姿态变化信息，结合激光干涉仪测得的光臂长度的变化量，可以计算出物 体的六个自由度的变化量。由计算机对跟踪镜发出控制信号，调整光束方向，可 达到连续跟踪测量的目的。该方法测量范围大，但在测量前需要标定三组跟踪系 6 绪论 统的相刈位置，结构复杂，装调困难，测罩精度也不高。 台湾大学的研究人员使用两套激光多普勒测长仪和【j u 象限光电接收器组成了 六自山度测量系统【2 4 】【2 5 1 。该系统包括两部分，活动部分固定在运动的工作台上， 出i 个反射镜组合而成；固定部分安装在一个参考平台上，包括一个能够发出三 束平j j ：光的激光头单元、一个分光镜和两个叫象限探测器。该方法使用三条平行 光线，其平行性误羞给角度测量带来一定的误差。上述方法在测量前，要精确调 整以保证三束光平行，这是非常复杂且不易补偿的，受环境影响严重；且两套干 涉仪增加了系统的成本和复杂性，测量系统体积大，实际应用中安装和调整困难， 应用上受到很大限制。 1 2 7物体位置姿态测量技术的发展趋势 由以上介绍的物体位置姿态测量技术的研究概况可以看出，其发展方向主要 有以下几个方面： 1 非接触式测量、高速度、高精度 非接触式测量因其对被测物体没有影响，已经成为人们首选的测量方式；其 次对于运动物体位置姿态测量，高的测量速度也是必须的；再次测量精度是评价 测量系统的重要指标，也是系统设计的首要目标。 2 可移植性 为了使研究成果能多次使用，避免相同技术再开发中人力和物力的浪费，可 移植性也成为物体位置姿态测量技术的一个发展趋势。 3 高效率的数据处理 物体位置姿态测量的各种方法中一般都需要做很多数据处理，如坐标变换、 c c d 图像处理等，因此高效率的数据处理将是此类系统的普遍要求。 由上述可知，非接触、高速度、高精度、可移植性好，操作灵活方便是物体 位置姿态检测技术发展的主要方向，而且实现这一目标的技术条件也越来越成熟。 借助当今高速发展的计算机技术、虚拟仪器技术、激光测量技术、c c d 传感技术， 物体的位置姿态测量技术也会得到长足的发展和广泛的应用。 1 3 本文研究的主要内容 由于轨道交通的特殊性，现有的技术无法同时满足量程、精度、探测距离、 车载安装等要求，因此需要研究新的测量方法和测量系统，来满足车载式线路全 断面动态基准测量系统的要求。 7 北京交通人学硕十论文 本文基于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 专题课题“轨道交通基础设施 全断曲动态枪测技术研究”。在轨道线路全断面动态检测时，测黾设备在运动中由 予振动会产生六个自由度的不确定性( 如图1 4 ) ，这严晕影响了测量的精度。拟 采用捷联式惯性基准测量( 目自订技术发展的主要方向) 来检测动态测量设备在运 动过稗中的姿念，补偿偏筹，实现全断面的准确测量。但足捷联式惯性基准的测 量误筹随着时问的推移会逐渐变大，所以需要一种能够与惯性基准系统配合、可 直接测嚣运动物体六个自由度绝刈值的方法，这种方法的输出频率不需要很高， 只需在惯性基准系统累计误差超出允许值以自l ，重新校准惯性基准系统即可。 z 轴 y 轴 摇头 俯仰广 伸缩 l 、一 。 x 轴 侧滚 未太横摆 士 图1 - 4 测鼙发备六自由皮振动不意图 f i g i - 4s i xd e g r e e so ff r e e d o mv i b r a t i o nd i a g r a mo fm e a s u r i n ge q u i p m e n t 本文的研究内容为：运动轨道车辆瞬时位置姿态的非接触式测量方法，通过 融合惯性基准系统，为轨道交通线路安全状态动态检测建立长时间稳定的高精度 动态测量基准。研究的重点在于适合轨道交通的高精度六自由度姿态测量方法。 根据项目的具体要求，本论文的研究目标( 精度要求) 为： 1 测量方法可获得高精度的运动车辆瞬时位置姿态，角度测量范围达到士5 。， 测量精度优于士0 0 5 。，线位移测量范围达蛩j 士5 0 m m ，测量精度优于士1 m m 。 2 适合轨道交通应用环境，包括既有线铁路、高速铁路、地铁、城市轻轨等， 测量设备方便车载安装。 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计 在研究和分析了物体位置姿念测量的各种方法和发展趋势后，奉义根据课题 需要选择了合适的测量原理，并设计了测量方案。本章主要介绍系统方案所依据 的理论基础和系统的总体设计。 2 1 系统测量方案的理论依据 运动物体位置姿态测量有很多相关的方法和理沦，下面主要介绍本系统测量 方案中所选用的技术和相关理论依据。 2 1 1物体六自由度数学模型 根据刚体动力学，刚体的六自由度运动由沿三个坐标轴的移动和绕三个坐标 轴的转动构成，上述六自由度运动总能够等效为刚体上一个固定点沿三个坐标轴 的平动和绕该点的定点转动【2 6 1 。该原理提供了将姿态归划到指定的坐标系上的理 论依据，从而空问物体的六自由度测量是可行的。 首先要确定一种空问直角坐标系的转换模型，这类模型有很多，目的广泛应 用的是布尔莎( m b u r s a ) 模型、莫洛金斯基( m o l o d e m s k y ) 模型、武测模型等【2 7 】【2 8 】。 因为本课题所要测量的角度都比较小，基于计算简单的目的，选择布尔莎模型。 x s 图2 1 布尔莎模型 f i g 2 1b u r s am o d e l 如图2 - l 所示，两空间直角坐标系为d s 一墨誓z s 和q 一k z t 。图中为d t 相 对于g 的位置向量，s ，乞为三个轴不平行而产生的尤拉角，m 为尺度比不 一致而产生的尺度比，它们之问存在如下关系。 ( ) 2 饧+ ( 1 + 胁) 色( 气) 尺y ( s y ) ( 乞) ( 乇) r ( 2 - 1 ) 9 北京交通人学硕十论文 吼= 翻a y o + ( 1 + m ) r x ( s x ) r r ( c r ) r z ( 占z ) 阻y 滔2 ， 月_c占x，=畦0一co。s三sin。耋1，?c占，=c。0s三。18i00 s i nc o ss i n 0 c o s 薹” ， 尺( 占x ) = l g r s ，l ，毋( 占，) = li ， i一占js i 。 i占r占ii 跳乒盖c甄ons童。00 0 1 亿3 ， r ( 占= ) = l _ s i n ttl ( 2 - 3 i 阱料”肌，睢碉r ， i 卜料a y o 睢调r 陆5 ， 式( 2 5 ) 中，本系统设定 x ，y ，z 】s 为特征点在大地坐标系中的坐标，【x ，y ，z 】r 为特征点在车体坐标系中的坐标，a x 0 ，a t 0 ，吆，& ，s ，o o 为车体相对于大 2 1 2立体摄影的测量原理 从不同的位置观察同一物体，我们就能用三角计算方法测量摄像机到该物体 o g l e 离，从而对被测物体进行三维重构，这种方法称为立体视觉或立体摄影( s t e r e o ) 3 h 。立体视觉可经受各种干扰，在各种光照条件和光度学及几何学畸变的条件下 l o 系统总体方案设计 仍能可靠地提供立体信息；可经受对比度的变化，在一幅图相对于另一幅图有明 显的模糊或扩展时仍能工作良好；且立体视觉的处王里是快速的，能很好地处理物 体运动的情况，对深度信息检测的分辨牢很高【3 2 】【33 1 。 非接触性测量是运动物体位置姿念测量的发展趋势，立体摄影具有非接触性 的优点，凶此存物体位胃姿态测量方面得到广泛的应用，下而简单介绍立体摄影 测量的原理【3 4 】【3 5 1 。 z c t ， 一， x cr 稿c 图2 - 2 像机成像坐枥i 系 f i g 2 2c a m e r ai m a g i n gc o o r d i n a t es y s t e m 如图2 - 2 所示，将物体所在的空问设定为世界坐标系( x w ，y 。，乙) ，c c d 图像平 面定义为像素坐标系，坐标原点在c c d 图像平面的左上角，u ，轴平行于c c d 平 面的两边，用( “，v ) 表示，该坐标值为整数值。 像机拍摄的原理是将世界坐标系( k ，y 。，乙) 中的物体转化成像素坐标系( “，v ) 中的图像，转换过程可以通过建立两个中间坐标系来实现。先将物体从世界坐标 系转换至像机光轴上，需要建立一个光心坐标系( t ，y 。，z 。) ，以像机光心o 。为原点， t 、虬轴平行于c c d 平面的两边，z ，轴与光轴重合。物体从世界坐标系转换到光 心坐标系时，可以用3 3 的正交单位旋转矩阵尺和平移向量t ( t ，t ，f ) 一来描述。 再将物体转换到c c d 平面上。建立一个图像坐标系( x o ，y o ) ，以c c d 图像平 面哦为中心，x o 、y 。轴平行于c c d 平面的两边；物体从光心坐标系转换到这个 坐标系是依据光学成像原则，只与焦距厂有关，这次转换中物体丢失了深度信息。 最后将物体转至像素坐标系中，即将浮点坐标系平移到整型坐标系。经过4 个坐标系的3 次转换，可以得到如下关系式： 北京交通人学硕十论文 ra 。0 2 0 口， 00 l 。北。：)01dy 0 f 0000 0 m ： v 。i i o | i ，、，| l1 lj i v i 。0 孔i r 10 x y 。 g ， l =nh x n y 。 z ， l z 少 z l ( 2 6 ) 其中：( x w , y 。，z 。) 一被测点的世界坐标；( u ，v ) 一被测点在图像上的像素坐标； 一像机的内部参数矩阼；一像机的外部参数矩阵。 确定了和日中的各个参数，再利用同一物体不同角度的两张照片就丁以通 过从像素坐标系剑世界坐标系的逆转换，达到立体摄影测量的目的。这里需要两 张照片是冈为转换中丢失了物体深度信息，通过不同角度的两张照片就可以联立 方程，求出深度值【3 6 】【3 7 1 。 2 1 3双目视觉测量法 根据立体摄影中采用像机的多少可分为单目视觉法、双目视觉法和多目视觉 法。单目视觉法只采用一个摄像机，结构简单，摄像机的标定也较为简单，但是 单目视觉法处理的数据量较小，识别时间短，测量范罔受到一定的限制；多目视 觉法增加了几何约束条件，减小了双目视觉中立体匹配的困难，但结构上的复杂 性也引入了测量误差，降低了测量效率，所以在实际测量中应用较少【3 8 】。 双目视觉法中两个像机从不同角度获取同一场景的两幅图像，如同人的双眼 观察景物一样。计算机通过对同一物点在两幅图像上两个像点的检测和匹配，得 到物体该点的深度信息。图2 3 是一个典型的双目视觉测量系统。 图2 3 双目立体成像原理 f i g 2 3b i n o c u l a rs t e r e oi m a g i n gp r i n c i p l e 其中基线距b = 两摄像机的投影中心连线的距离；像机焦距为 1 2 xm o o l。，。_一 f 1，-1 ” v l 。l z ，j f i 系统总体方案没汁 设两摄像机在同4 时刻观看窄| 目j 物体的同一特征点p ( x ，y c ，z c ) ，分别在“左 眼”和“右眼”上获耿了点p 的图像，它们的图像坐标分别为= ( ，) ， p r i g h ，= ( 如”耵) 。 图2 3 中两摄像机的图像在同一个平面上，则特征点p 的图像坐标y 坐标相 同，即y , e j , = k 。，= y ，则由三角几何关系得到： k ：篮 z c x 谢h f ：螋( 2 - 7 )a 呶h t 一 厶c 】，：业 z c 则视差为：d i s p a r i t y = 一胪由此可计算出特征点p 在像机坐标系下的 三维坐标为： 一 。d i s p a r i t y ，。：旦(2-8)v = 一 7 。d i s p a r i t y z = = 二一 一。d i s p a r i t y 因此，左摄像机像面上的任意一点只要能在右像机像面上找到对应的匹配点， 就可以确定出该点的三维坐标。这种方法是完全的点对点运算，像面上的点只要 存在相应的匹配点，就可以参与上述运算，从而获取其对应的三维坐标。 双目视觉法直接模拟了人类视觉利用双眼处理景物的方式，该方法利用两台 摄像机获取同一视场的两幅图像，根据视差恢复被测物的三维信息，原理简单， 对材质、颜色等物面性质及背景光等环境因素要求较低，因而得到广泛应用【3 8 1 。 2 1 4 摄像机参数的标定方法 摄像机参数的标定主要是通过标定获得摄像机成像的内部参数n 和外部参数 h ，它是实现三维重构的主要依据，标定的方法和精度对三维重构的实现及过程 有着非常重要的影响。 像机参数分为内部参数和外部参数，其中像机的内部参数矩阵包括焦距厂， 像素点间距出、妙，图像的中心点坐标、等5 个参数，它们只和像机的结构 和设置有关而与图像的内容无关，所以内部参数只需标定一次。像机的外部参数h 为3 4 的矩阵，共有1 2 个参数，并且不同的像机具有不同的外部参数 3 4 】。 1 3 北京交通人学硕l ：论文 臼自，j 标定方法很多，按其求解算法大致可分为线性法、非线性优化法。传统 的线性法没考虑镜头畸变，准确度欠佳；基于自标定的线性法需要控制摄像机做 严格的运动，实验要求比较高，稳定性较差；非线性优化法可以得到比较高的标 定精度，但其算法比较繁琐，速度慢，而且非线性优化对噪声和初值选择较敏感， 如果初值选择不当，很可能得不到真正解【3 9 】【4 0 】。 最近随着神经网络的发展成熟，越来越多的研究人员将神经网络用于像机参 数的标定，通过人：i ：神经网络来直接学习图像信息与j 维信息之间的关系【4 i 】【4 2 1 。 利用神经网络来进行像机参数的标定不需要确定摄像机具体的内部参数和外部参 数，不需要建立双目立体视觉系统的数学模型，从而能减少凶数学模型的不完善 而带来的系统误差，有利于提高特征点的三维世界坐标测量精度。 2 2 系统测量方案 在学习和研究物体六自由度数学模型、立体摄影的原理和像机参数标定等理 论的基础上，本文提出了适合本课题要求的测量方案。 2 2 1前期测量方案 在系统设计前期曾提出一种车体运动位置姿态测量的方法，系统包括地面定 点固定的反射镜组和车载成像及检测设备( 如图2 4 ) ，3 个车载激光器发射的光线 通过幕布上的小孔后在平面镜或者棱镜上产生反射，反射光在幕布上形成3 个亮 点，其在幕布的位置可以通过摄像机来测量。当列车的姿态发生变化时，就会引 起3 个亮点位置的变化。 根据坐标转换模型和光线反射的相关特点，可推导出3 个亮点在幕布的位置 坐标与车体位置姿态即六个自由度的关系，为一个非线性多项式方程组f 。解此非 线性多项式方程组即可得到车体位置姿态，但由于f 是非线性方程组，无法得到 f 1 的解析式，所以我们采用人工神经元网络a n n 来近似f 。 该测量方法应用三角形测量原理和神经元网络数据处理算法，通过分析3 个 激光器在幕布的成像位置来测量车体相对于地面基准点的六自由度偏差。反射镜 组可沿轨道以一定间隔安装( 如每个车站) ，对车载式惯性基准测量系统进行定点 修正。 1 4 系统总体方案设计 图2 - 4 基- 】三角形测量原理的系统方案 f i g 2 - 4m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t r i a n g u l a t i o n 然而，由于三角形测量原理要求被测物的物距固定，而动态测量时车体与地 面基准点间的位置关系不定，因此必须在车载摄像机前一定距离设置成像幕布， 例如当地面反射镜与成像幕布距离为5 0 0 m m 、角度测量范围士5 。、线位移测量范 围士5 0 m m 时，幕布大小至少为5 0 0 3 7 5 ( r a m 2 ) ，像机到幕布的距离为5 0 0 m m 。幕 布的尺寸以及摄像机到幕布的距离随着安装距离和测量范围的增大而急剧增大， 给车载安装带来极大困难；另外幕布上的点与物体位置姿态之间的关系是以激光 器入射位置固定为前提的，镜面与激光器的安装精度、棱镜的夹角精度会对系统 产生很大影响，系统设计和安装较有难度。上述原因使得这种测量方案失去了实 用价值。 2 2 2论文测量方案 由前期方案可知，需要采用对物距无固定要求，对安装无特定要求的测量方 案，消除成像幕布，减少安装繁琐性，满足安装空间的要求。 1 系统方案 本文拟采用基于双目融合原理的立体摄影测量，用测量板来替代棱镜装置， 如图2 5 所示。其中，摄像机放在车载设备上，随车运行；测量板则固定在轨道线 路一旁。 1 5 北京交通人学硕+ 论文 ： j ： j