[發明專利]立體視覺結合陀螺儀風洞模型位姿測量方法

有效

• 申請號: 201410446062.5
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104165750B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 劉巍;李肖;賈振元;馬鑫;尚志亮;王爭取;魯文博
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于計算機視覺測量領域，涉及一種立體視覺與陀螺儀相結合的投放物模型在風洞測量環境中，進行高速位姿測量的方法。

背景技術

隨著航空工業的不斷發展，飛行器的設計對風洞環境的實驗模擬以及測量精度要求不斷增加。并且用于風洞試驗物體其位姿參數的精確測量精度將直接影響該投放物模型設計及其氣動力分析。針對風洞等惡劣狹小環境，模型體積小、運動范圍廣、運動速度快、測試角度有限等因素，很難到達其位姿的高精度測量。機器視覺作為新興技術具有非接觸性、靈敏度高、精度高等特點，針對高速物的高精度位姿測量有著十分廣闊的應用前景。而在惡劣環境下的基于視覺測量的高速高精度運動位姿測量系統設計將有助于提升航天航空技術的發展。

上海儀表廠的張宇等人發明的專利號為CN?1023528571?A“單目立體視覺相對位姿測量方法”發明了基于單目視覺求取運動目標位姿的測量方法。通過變換單目攝像機的位置在不同角度獲取含有目標的圖像序列。在進行目標檢測和場景分析的基礎上對相鄰兩幅圖像進行特征匹配，進而進行攝像機自運動的估計和相對位姿的計算。該方法需要攝像機作相對運動，高速運動物體響應速度慢，并且在復雜的風洞環境中，測量背景不斷變化進行目標檢測困難較大。南京航空航天大學的王云舒等人發明的專利號為CN?103791889?A的“一種利用結構光輔助的單目視覺位姿測量方法”發明了一種單目視覺結合結構光的位姿測量方法。采用十字形結構光與相機同向布置的方式，合理調整測量裝置所處位置，使得投射的結構光與物體表面的一條直線有兩個交點，后經圖像處理求解物體的姿態信息。該方法雖能實現非合作目標的位姿測量，但僅適用于靜態或者微位移測量，無法完成物體的高速測量。

發明內容

本發明要解決的技術難題是克服現有技術的缺陷，發明了立體視覺結合陀螺儀風洞模型的位姿測量方法。以陀螺儀輸出滾轉信息進行編碼標志點的編碼，通過雙目視覺測量系統進行運動目標標記點序列圖像采集。經圖像處理結合直線擬合手段求取風洞模型俯仰、偏航以及位置參數，并且利用左、右高速攝像機對滾轉信息進行解碼，最終完成風洞模型位姿六參數的求解。本發明視覺與陀螺儀相結合的風洞環境投放物模型位姿測量方法，由于陀螺儀測量滾轉角度精度較高，彌補了直接通過視覺系統測量滾轉信息的不足。同時因采用的自發光標記點亮度大，有效的抑制了噪聲的影響。標記點形狀簡單，特征信息提取、匹配、重建速度快、方法簡單，實現風洞復雜環境投放模型位姿的高精度快速求取。

本發明所采用的技術方案是立體視覺結合陀螺儀風洞模型位姿測量方法，其特征是，該測量方法采用立體視覺與陀螺儀相結合的方式實現風洞環境投放物模型位姿的高精度測量；采用陀螺儀測量模型滾轉角度信息，利用編碼標記點直接顯示二進制滾轉角度值，左、右高速攝像機進行運動視場內投放物模型編碼標記點序列圖像采集；經圖像處理后，根據各編碼標記點位置信息求取投放物模型俯仰、滾轉和位置信息，通過編碼標志點二進制解碼獲得模型滾轉參數；投放物模型位姿參數求解具體步驟如下：

1.投放物模型及標志點布局

在投放物模型2上布置標志點，根據投放物模型直徑大小，標志點設有數組，每一組含有相同數量的標志點；每組標志點等距按行分布于待測類圓投放物模型圓周表面上，并且各標志點中心連線與投放物模型的軸線平行；標志點分為編碼標志點4和常亮標志點5，編碼標志點4用于滾轉角的編碼，常亮標志點5保證在每一滾轉角度下都可以進行位姿求解；編碼標志點4由安裝于投放物模型內部的單軸角速率陀螺儀3控制，利用單軸角速率陀螺儀3測量的滾轉角度參數控制各編碼標志點4的亮暗以完成編碼；編碼時，編碼標志點4亮記為1，不亮記為0；

2.高速序列圖像采集與圖像處理

采用已標定好的左、右高速攝像機1、1’進行高速序列圖像采集，通過像素坐標系下的坐標與三維空間點的坐標的誤差最小化函數對相機參數進行迭代求精；最小化函數方程為：