高速運動目標多維姿態(tài)視覺測量關鍵技術研究.pdf

1、航空領域中的核心作業(yè)裝備大多要求具有高速運動能力，為了使這些核心作業(yè)裝備在高速、失重、強流場干擾等復雜環(huán)境下仍能保證高加速度、高機動、多維運動可控等良好性能，需對這些運動目標位置和姿態(tài)進行高精度、高魯棒性的測量。例如為了提升新一代高速飛行器的掛載能力，中國展開了高速飛行器載荷穩(wěn)定懸掛與安全投放等研究工作。但載荷與飛行器分離過程中由于高速流場的擾動干擾，投放后的載荷可能出現無法脫離，甚至分離后直接撞向母機的危險。所以為了優(yōu)化高速飛行器投放

2、系統(tǒng)的結構與性能，降低安全事故的風險，風洞模擬實驗成為了一種尤為重要的手段。在風洞模擬實驗中為了獲取飛行器投放載荷的分離特性，需在風洞復雜環(huán)境中實現分離后高速運動目標的六維位姿信息的高精度測量。視覺測量以其環(huán)境適應性強、測量非接觸、測量頻響高等優(yōu)點被廣泛應用于風洞實驗位姿測量當中，但是由于風洞環(huán)境具有強流場干擾、低照度、空間狹小、強振動等特點，被測目標具有體積小、運動速度快、運動空間大等特點，導致風洞復雜環(huán)境下高速運動目標位姿信息的高速

3、、高精度、大范圍、多維度視覺測量十分困難，嚴重制約了中國高速飛行器掛載與作戰(zhàn)能力的提升。針對以上難題，展開的具體內容如下:
　　(1)由于復雜風洞環(huán)境具有漆黑狹小、振動強烈、強氣流擾動等特點，所以在復雜風洞環(huán)境下很難獲取高速運動目標的高質量圖像信息。針對以上問題提出一種蘊含目標位姿信息的復雜環(huán)境高速序列圖像采集方法，揭示入射光線角度對微玻璃珠混合材料成像質量的影響規(guī)律，實現了強振動、狹小空間下小型高速運動目標圖像的高速采集;提出了

4、探測目標表面的微玻璃珠混合材料標記點附著與定位技術，實現了特征圖案在被測目標表面的準確定位與附著，且特征圖案厚度僅為60微米，對被測目標周圍的流場分布影響較小;采用基于圖像信噪比的三維空間高速序列圖像質量評價方法，對基于滾動印刷逆反光材料的圖像采集方法進行圖像質量評價，結果表明:此方法在風洞環(huán)境下超高速采集序列圖像的信噪比均高于3，滿足后期測量要求，為復雜環(huán)境高速目標的動態(tài)測量奠定了基礎。
　　(2)針對復雜環(huán)境測量光路多介質導致

5、的目標成像畸變大、嚴重影響測量精度的難題，建立復雜跨介質環(huán)境下攝像機多折射成像模型，提出跨介質環(huán)境下雙目立體視覺測量理論，并研究跨介質模型下兩相機成像的空間約束關系。以此為基礎，提出了基于平面靶標的跨介質環(huán)境下視覺傳感器的分步標定技術，實現了視覺傳感器現場高精度標定，實驗結果表明:相較現有視覺線性成像模型，應用跨介質多折射成像模型在風洞現場對視覺系統(tǒng)進行標定，精度有明顯提高。
　　(3)針對高速多維目標成像序列圖像數據量大、圖像特

6、征不明顯導致的圖像處理準確性低、難度大等問題，研究高速運動目標六維位姿信息圖像還原方法。首先針對高速運動目標感興趣特征成像面積小、形狀以及灰度特征不明顯等問題，提出基于運動軌跡的圖像特征匹配方法，該方法匹配精度高、匹配速度快;針對被測物體自身滾轉造成的目標圖像形式多變等問題，并提出基于空間編碼的合作標記點識別方法;針對高速運動目標位姿測量過程中被測目標表面特征點形變量大、鏡頭畸變大、超高速相機分辨率低等因素所導致的位姿測量系統(tǒng)精度低的問

7、題，提出了基于先驗知識模型的高速運動目標位姿參數優(yōu)化方法，實驗室內測量系統(tǒng)的精度驗證結果表明:優(yōu)化后的位姿測量精度比未優(yōu)化前測量精度提高了33％，確保了高速運動目標位姿測量系統(tǒng)的測量精度與穩(wěn)定性。
　　最后，以上述關鍵技術為基礎搭建高速目標多維位姿信息動態(tài)高精度視覺測量系統(tǒng)，此視覺系統(tǒng)的位置測量RMS（均方根）誤差小于0.103mm，俯仰、偏航角度測量RMS誤差小于0.107°，滾轉角度測量RMS誤差小于0.65°，測量頻率可達5