專利名稱：基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法
技術領域：
本發明涉及高精度獲得被測基準平臺姿態信息的方法。
背景技術：
不穩定基準平臺姿態的精密測量在軍事以及民用領域都有重大意義。在軍事 領域，坦克、裝甲戰車、自行火炮等地面作戰平臺，軍艦、征用民船、各種艦艇等 海上作戰平臺，要具備運動間穩瞄、跟蹤、射擊能力和對位置的即時感知能力，這 種作戰樣式要求作戰平臺具有穩定、跟蹤和導航能力，即能不斷測量位置的變化， 準確確定當前的位置，精確保持動態姿態基準。而且，在許多軍事裝備上，機載合 成孔徑雷達的運動補償，車載和艦載衛星通信天線的穩定，艦載雷達波束的穩定等
也需要精確的平臺姿態信息。在民用領域，大型輪船和豪華客車的移動電視接收、 新聞采訪車運動時節目實時轉播等移動衛星通訊系統的關鍵技術同樣在于天線平
臺的穩定和跟蹤能力，如能很好的測量天線平臺因載體(汽車、火車、輪船)的運動
c高低速、緊急啟動、停止、轉彎等)產生的姿態變化，并在各種氣象、環境條件下
保證天線始終高精度地對準衛星，就能實現連續衛星通訊。
實際工程中，基準平臺姿態精密測量的需求大量存在，目前車載光電經緯儀在 準動基座下的測量誤差修正問題是研究的熱點之一。光電經緯儀的測量精度一般要 求達到角秒量級，但是由于車載光電經緯儀在運輸時基座的不穩定性而產生的系統 誤差就遠遠超過角秒量級，因此要提高光電經緯儀的測量精度必須要對基座姿態進 行實時測量。
陀螺儀是傳統的姿態測量設備，在飛機、艦船、導彈、空間飛行器已經得到了廣泛的應用，但是常用的中等精度的陀螺儀其角度精度只有0.01°，高精度的陀螺 儀造價昂貴，而且其漂移誤差會隨時間積累，設備體積較大，不適宜在基準平臺上使用。
GPS (Global Positioning System)即全球定位系統作為新一代衛星導航與定位 系統，具有全球性、全天候、連續的精密三維導航與定位能力，利用GPS載波相 位進行姿態測量也是GPS應用的一個重要領域。由于基準平臺尺寸一般較小，可 布置的基線長度也較短(如2m)，利用GPS對其進行姿態測量則要求定位精度達 到mm級，而這種精度需要建立差分GPS站才能達到，從而使GPS技術在基準平 臺姿態測量上的應用受到很大限制。
最近國外研制的接觸式傳感器測量平臺姿態的設備，需要在平臺上布置幾十個 傳感器，安裝復雜，造價高，實用價值和推廣價值都不高。
利用光測方法測量姿態，是一種原理上可行、經濟上實惠的手段，然而這種方 法不能解決高精度的姿態測量問題。而攝像測量方法理論成熟，測量精度高，能客 服傳統方法的不足，可以滿足不穩定基準平臺姿態的精密測量要求。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有姿態測量技術中存在的缺陷，結合攝 像測量方法，提出一種基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，它將攝像測量 運用于對被測基準平臺姿態的測量中，系統數字化程度高，可滿足軍事和民用領域 中對基準平臺姿態進行高精度、非接觸、實時測量的需要，從而大大提高不穩定基 準平臺的姿態測量水平。
本發明采取的技術方案是，所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態攝像測量
方法包括歩驟a. 在基準平臺上剛性固定有兩臺呈夾角a (0° <a<180° )設置的攝像機； 且在攝像機前方分別固定有對應的合作標志，該合作標志在測量時始終在相機的視 場內并且相對地面保持靜止不動；
b. 準確標定攝像機的內外參數。
C.攝相機對合作標志進行攝像測量，利用亞像素圖像定位方法進行圖像處理， 跟蹤所得圖像中合作標志點的位置變化；
d.把圖像標志點的位置變化轉換成攝像機的偏轉角，即得出固定放置了該攝 像機的被測基準平臺的姿態信息。
所述b步驟所述內外參數中內部參數是指攝像機本身的特性，包括光心和等 效焦距；外部參數是攝像機坐標系與世界坐標系間的相對位置、姿態關系，包括平
移向量、旋轉矩陣和旋轉角。
根據實施例的優選方案，為了便于實現后處理的數字化、自動化，攝像機采 用數字攝像裝置(攝像機)。
同時，合作標志P可以是圓形，也可以是對角形，或十字絲或其它易于識別 的形狀。如果用于夜間作業，合作標志P可采用發光光源制作。
本發明的工作原理為所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態攝像測量方法
首先需在基準平臺上剛性固定有兩臺呈夾角設置的攝像機，以保證測量過程中攝像 機與平臺不發生相對運動；分別在攝像機前方固定合作標志，該合作標志在測量時
始終在相機的視場內并且相對地面保持靜止不動；再準確標定攝像機的內外參數， 包括攝像機的光心、等效焦距與像機坐標系與世界坐標系間轉換的平移向量、旋轉 角、旋轉矩陣；攝相機對合作標志進行攝像測量，將測量數據與攝像機的內外參數
相結合，利用亞像素圖像定位技術進行圖像處理，跟蹤所得圖像中合作標志點的位置變化；再將圖像標志點的位置變化轉換成攝像機的偏轉角。同時由于相機和平臺 之間是固定連接，所以相機的運動即為平臺的運動，如此便最終得到被測基準平臺 的姿態信息。
所述亞像素圖像定位技術可以是以下已有亞像素定位技術之一
1、 使用自適應模板相關濾波法制作參數可以調整的模板，對每個粗定位點， 首先確定應選模板的參數，選擇最合適的模板，用所選模板對粗定位點及其鄰域點 進行相關運算，用所得相關系數擬合曲面，確定最大相關位置；
2、 自適應閾值重心法對于有些目標，可以通過多種圖像處理的方法提取具 有一定面積的目標區域，并考慮到目標的灰度分布特征，采用灰度重心法，在目標 區域內以灰度為權值求出目標區域的灰度重心作為目標位置，同時采用帶自適應閾 值的高斯分布模板對特征目標進行跟蹤定位。
3、 灰度圖擬合法對于有些目標，還可直接根據目標圖像的特征，選用合適 的解析曲面，對灰度圖進行曲面擬合，再求出解析曲面的極值位置，從而實現目標 的亞像素精度定位。
綜上所述，本發明為一種基于雙相機的不穩定基準平臺姿態攝像測量方法， 屬于精密光學測量方法，系統數字化程度高，可滿足軍事和民用領域中對平臺維姿 態進行高精度、非接觸、實時測量的需要。
以下結合附圖和實施例對本發明做出進一步說明。
圖1本發明所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態攝像測量方法的原理示意
圖2平移運動像位置變化關系圖；圖3旋轉運動像位置變化關系圖；圖4為實施例中合作標志的樣式舉例圖，其中(a)為圓形，(b)為十字絲， (C)為對頂角。
具體實施方式
參見圖1，本發明所述不穩定基準平臺姿態的攝像測量方法的步驟詳細描述如下a. 建立平臺右手坐標系，其中原點為轉動平臺的中心，x軸為正北方向。在平臺上分別沿:c軸和z軸方向安裝像機G和q，兩臺像機光軸通過平臺原點。兩相 機分別拍攝固定于地面的合作標志，通過對相機中合作標志成像的位置變化進行處 理，就可以測量出攝像機姿態變化，由于相機和平臺之間是固定連接，所以相機的 運動即為平臺的運動，即像機G可以測量出w角和P角，像機q可以測量出^角和^ 角。綜合兩相機的所測量的角度可以得出平臺姿態角r、 ^、"。b. 以相機c'測量平臺俯仰角w為例詳細說明相機測角原理。由剛體運動學理論可知，相機隨平臺的運動可分解為平移運動和旋轉運動，即相機保持光軸方向不變沿y軸做平移運動，之后其光軸在^炒平面內旋轉"角。下面通過分解相機的運動即先平移后旋轉，推導"角。如圖2所示，相機做平移運動，即相機由初始位置C,。豎直向上平移到《，其光軸方向保持不變。丄為平移前相機光心到原點O的距離，尸為標志點，/為相機焦距，P。、 A'分別為相機平移前后像點，^為像點A到相機光軸的距離，H為標志點？到光軸的距離，D為標志點在光軸上的投影與相機的光心的距離，《'為相機豎直平移的距離，由三角幾何關系可得<formula>formula see original document page 7</formula>相機平移后像點P;到相機光軸的距離為，則
式3
如圖3所示，相機做平移運動后，其光軸在豎直平面內旋轉"角，其中A為 實際像點。
由三角幾何關系，結合式l、式2、式3可得
" 式4
式5
y,' = yn —丄丄tan ,,"d
由式4、式5兩式相減得:
即:
丄+ / /(1+二) " y y v "乂
^tan一1(— )
/(1 +丄)
式6
式7
對于雙合作標志物系統即每臺相機前面安裝兩個合作標志物，有關系式:
w = JiZL^) = tan—'(—_
八d 八
式8
因為
厶>^— 厶少2
/(1 +丄)/(1 +丄)
7、a d2
式9
所以:
￡)2厶少2 — 厶y
式]0
由式8和式10，進一步得:攝像裝置的選擇與安裝數字攝像裝置速度快、存儲方便，易于實現后處理 的數字化、自動化，因此采用數字攝像裝置(攝像機)比模擬攝像裝置更合適。
合作標志P可以是圓形，也可以是對角形，或十字絲等，如圖4所示，或其 它易于識別的形狀。如果用于夜間作業，合作標志P可采用發光光源制作。
處理器選擇設計方案在平臺姿態測量中，可以采用PC計算機或DSP處理 器，作為圖像存儲、數據處理設備。由于DSP處理器速度快、操作簡便，因此更 適合用在實際裝置中。在攝像裝置選定，可以根據攝像裝置的接口方案設計DSP
處理器。
在被測基準平臺上安裝攝像機，可以利用陀螺儀、傾角儀等少量設備測量出 相機與平臺坐標系坐標軸夾角。
權利要求
1、一種基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，其特征是，包括步驟a.在基準平臺上剛性固定有兩臺呈夾角a設置的攝像機；且在攝像機前方分別固定有對應的合作標志，該合作標志在測量時始終在相機的視場內并且相對地面保持靜止不動，其中0°＜a＜180°；b.準確標定攝攝像機的內外參數；c.攝相機對合作標志進行攝像測量，利用亞像素圖像定位方法進行圖像處理，跟蹤所得圖像中合作標志點的位置變化；d.把圖像標志點的位置變化轉換成攝像機的偏轉角，即得出固定放置了該攝像機的被測基準平臺的姿態信息。
2、 根據權利要求1所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，其特征 是，所述b步驟所述內外參數中，內部參數包括攝像機的光心和等效焦距；外部參 數是包括攝像機的平移向量、旋轉矩陣和旋轉角。
3、 根據權利要求1所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，其特征 是，所述合作標志為圓形、十字絲或對頂角形狀中任意 -種。
4、 根據權利要求1所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，其特征 是，所述合作標志采用發光光源制作。
5、 根據權利要求1所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，其特征 是，所述亞像素圖像定位方法可采用自適應模板相關濾波法、自適應閾值重心法、 灰度圖擬合法中任意一種。
6、 根據權利要求l-5之一所述基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法， 其特征是，攝相機采用數字攝像裝置。
全文摘要
本發明公開了一種基于雙相機的不穩定基準平臺姿態測量方法，包括在待測基準平臺上剛性固定兩臺呈夾角a的攝相機，在攝相機前設置合作標志；準確標定基準平臺上攝像機內外參數；應用亞像素定位方法跟蹤合作標志圖像，解算出對應的姿態角；將雙相機的測量結果綜合，高精度地給出被測基準平臺的姿態信息。本發明在發揮光測圖像技術精度高、非接觸、成本低等優勢的同時，解決了不穩定基準平臺姿態高精度測量的實際問題，有著廣泛的應用前景。
文檔編號G01B11/26GK101655361SQ20091004422
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月31日 優先權日2009年8月31日
發明者于起峰, 劍 周, 孫祥一, 張小虎, 李玉廣, 穎 王, 昕 高 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學