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        無人機(jī)機(jī)載載荷安裝位姿實(shí)時測量系統(tǒng)設(shè)計

        2015-12-22 12:53:49孫雨李寶安馬驪群
        計測技術(shù) 2015年5期

        孫雨,李寶安,馬驪群

        (1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京100095;2.北京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究所,北京100091)

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        無人機(jī)機(jī)載載荷安裝位姿實(shí)時測量系統(tǒng)設(shè)計

        孫雨1,李寶安2,馬驪群1

        (1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京100095;2.北京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究所,北京100091)

        摘要:主要描述了一種快速6自由度測量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計,該測量系統(tǒng)能夠?qū)o人機(jī)遙測平臺上機(jī)載載荷進(jìn)行實(shí)時安裝檢測,確保所有搭載的載荷都能實(shí)時調(diào)整到預(yù)定位置上。系統(tǒng)基于視覺測量原理,利用固定式多目標(biāo)光學(xué)靶的空間坐標(biāo)將物體的空間位置姿態(tài)的變化反演出來,實(shí)現(xiàn)物體的6D快速測量,其中角度測量重復(fù)性為0.05°,位置測量重復(fù)性為0.05 mm。

        關(guān)鍵詞:機(jī)載載荷;多目標(biāo);單目視覺

        0引言

        隨著機(jī)載平臺在測繪、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,無人機(jī)平臺以其體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動性高、續(xù)航時間長等優(yōu)點(diǎn)成為對地觀測、遙感數(shù)據(jù)采集的重要手段。機(jī)載載荷是無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行單元,主要包括光電傳感器(CCD相機(jī)、紅外相機(jī)、激光測距儀等)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、慣性姿態(tài)測量器件(IMU)、位置控制單元(PCS)與全球定位系統(tǒng)(GPS),其中IMU和PCS與GPS天線構(gòu)成位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(POS)。機(jī)載載荷的安裝調(diào)整精度直接決定多種觀測數(shù)據(jù)融合的精度,即遙測結(jié)果的精度。然而,目前國內(nèi)對于外場環(huán)境下無人機(jī)機(jī)載載荷安裝測量方法大多是傳統(tǒng)的靜態(tài)方法,測量效率低下,尚無合適的測量儀器能夠適用于無人機(jī)外場環(huán)境下對機(jī)載載荷的位置、姿態(tài)進(jìn)行快速在線測量。

        為此,本文提出了一種基于機(jī)器視覺原理的無人機(jī)機(jī)載載荷多目標(biāo)測量系統(tǒng),該系統(tǒng)利用自主研發(fā)的固定式多目標(biāo)光學(xué)靶通過主動視覺的方式實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)機(jī)載載荷位姿的在線動態(tài)測量,以保證機(jī)載載荷的安裝精度,提高無人機(jī)對地觀測數(shù)據(jù)精度。

        1系統(tǒng)原理

        本系統(tǒng)以攝像機(jī)透視投影模型為基本理論基礎(chǔ),利用POSIT算法[1]求解出光學(xué)目標(biāo)靶所在空間坐標(biāo)系相對于攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移向量,進(jìn)而得到光學(xué)目標(biāo)靶的位置與姿態(tài)量。

        有關(guān)攝像機(jī)透視投影模型國內(nèi)外已經(jīng)有大量文獻(xiàn)可供參考[2-6],本文中不再做具體推導(dǎo),對算法所涉及的公式直接引用。為便于描述,對常用坐標(biāo)系進(jìn)行了如下定義(見圖1),設(shè)OcXcYcZc為攝像機(jī)坐標(biāo)系,OoXoYoZo為物體坐標(biāo)系,Oixy為像平面坐標(biāo)系,Oiuv為計算機(jī)圖像坐標(biāo)系,OcOi的距離為攝像機(jī)成像鏡頭的有效焦距f。需要說明的是,以毫米為單位的像平面坐標(biāo)系與以像素為單位的計算機(jī)圖像坐標(biāo)系滿足以相機(jī)內(nèi)參數(shù)為參數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系,詳見文獻(xiàn)[7] ,文中為了便于直觀地表達(dá)投影透視關(guān)系,對于像平面中的投影點(diǎn)選用其像面坐標(biāo)系的坐標(biāo)值,省略了描述轉(zhuǎn)化成計算機(jī)像面坐標(biāo)的步驟。

        圖1 針孔攝像機(jī)模型

        待求的位姿數(shù)據(jù)中包括物體坐標(biāo)系相對于攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。

        由透視投影比例關(guān)系可得

        (1)

        設(shè)物體坐標(biāo)系中的一點(diǎn)為P(Xo,Yo,Zo),則由攝像機(jī)透視投影模型,可得

        兩邊同時除以Tz,得到

        (2)

        為便于線性計算,將(2)式前兩行轉(zhuǎn)化成線性方程組形式,得迭代方程為

        (3)

        其中,迭代系數(shù)

        (4)

        POSIT算法的初始循環(huán)是假設(shè)目標(biāo)上的所有點(diǎn)在攝像機(jī)光軸方向的同一深度,即Zc=Tz,則初始循環(huán)中迭代系數(shù)w0=1。

        令 K1=(sR11,sR12,sR13,sTx)T

        K2=(sR21,sR22,sR23,sTy)T

        方程組(3)中存在8個未知數(shù),現(xiàn)若已知目標(biāo)上4個非共面點(diǎn),即可求出K1,K2中的8個未知量。則sR1,sR2模長可求,由于R1,R2均為單位向量,則有

        攝像機(jī)焦距f為已知量,則有

        Tz=f/s

        又由于R為正交矩陣,則

        R3=R1×R2

        至此,旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T求出,完成初始循環(huán)運(yùn)算。

        將初始循環(huán)所求的R3及Tz值代入方程(4)中,即可得到每個特征點(diǎn)新的迭代系數(shù),記為wi,將其代入迭代方程組(3),即可得到新的的向量K1,K2,進(jìn)而得到新的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri和平移向量Ti。如此循環(huán)4~5次即可收斂到一個精確的位置姿態(tài)量。

        2系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 技術(shù)要求

        根據(jù)無人機(jī)機(jī)載載荷平臺的安裝精度要求,本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下:

        x,y,z軸方向位置測量重復(fù)性:0.05mm;

        角度測量重復(fù)性:0.05°;

        適用測量距離:3~5m。

        2.2 系統(tǒng)組成

        本系統(tǒng)由三大部分組成,即CCD攝像機(jī)、光學(xué)目標(biāo)靶和計算機(jī)圖像處理系統(tǒng),見圖2。

        圖2 系統(tǒng)組成示意圖

        需要指出的是,理論上無人機(jī)中的IMU是所有任務(wù)載荷的安裝基準(zhǔn),無人機(jī)工作之前,需要將光電傳感器零位、SAR雷達(dá)反射面法向以及其他機(jī)載載荷安裝面調(diào)整到與IMU基準(zhǔn)相對應(yīng)的設(shè)計位置上。為了適應(yīng)不同機(jī)載載荷外形結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)圖像識別速度,本系統(tǒng)采用了自主設(shè)計的主動視覺立體目標(biāo)光學(xué)靶作為統(tǒng)一測量目標(biāo),通過目標(biāo)光學(xué)靶的位姿數(shù)據(jù)直接反應(yīng)所固連的機(jī)載載荷的位置姿態(tài)。

        2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        光學(xué)目標(biāo)靶(以下簡稱目標(biāo)靶)是本系統(tǒng)硬件重要的組成部分,相較于其他主動視覺目標(biāo),該目標(biāo)靶為L型空間立體結(jié)構(gòu),由于6個發(fā)光點(diǎn)為非共面位置關(guān)系,因此能夠有效保證在攝像機(jī)光軸方向(z軸方向)的測量精度。同時,為了具備目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量合適、抗噪性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便于安裝等特點(diǎn),從如下4個方面進(jìn)行設(shè)計分析。

        1)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量

        由前文系統(tǒng)原理部分可知,光學(xué)目標(biāo)靶必須存在至少4個非公面點(diǎn)才能保證求解出正確的位姿值。此外,為了保證適當(dāng)?shù)娜哂帱c(diǎn)個數(shù),增加非共面點(diǎn)的個數(shù)并提高運(yùn)算精度,系統(tǒng)采用了6個目標(biāo)點(diǎn)。

        2)目標(biāo)點(diǎn)的分布

        目標(biāo)點(diǎn)分布依據(jù)的原則是3點(diǎn)不共線、4點(diǎn)不共面、點(diǎn)的包絡(luò)空間在平面和縱深方向比例一致。確??臻g目標(biāo)點(diǎn)在各個坐標(biāo)方向上的不確定度水平一致。

        若采用一般工業(yè)相機(jī),在測量距離2~5m范圍內(nèi),相機(jī)的成像尺寸約為200mm×200mm,因此所設(shè)計的目標(biāo)靶中目標(biāo)點(diǎn)的間隔應(yīng)大于成像尺寸的2/3,即目標(biāo)點(diǎn)包絡(luò)立體空間應(yīng)不小于120mm×120mm×120mm。結(jié)合前文目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量的選取原則,最終設(shè)計了L型立體光學(xué)目標(biāo)靶,如圖3所示。

        圖3 L型立體光學(xué)目標(biāo)靶

        3)目標(biāo)點(diǎn)的感光及抗噪特性

        理想的目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)該明暗對比強(qiáng)烈,不同的視角下光斑形狀變化小,受背景光干擾小。為配合系統(tǒng)選用的紅外CCD相機(jī),系統(tǒng)選用了抗噪能力較強(qiáng)的紅外LED發(fā)光點(diǎn)。

        2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件主要功能包括如下4個方面:

        1)人機(jī)交互功能。為操作者提供簡單快捷的工作界面,以提高操作效率。

        2)自動識別功能。圖片中的亮點(diǎn)粗識別,提取出圖片中6個亮點(diǎn)所在的40×40個像素格范圍內(nèi)坐標(biāo)位置。

        3)光斑中心提取功能。基于上一步粗識別出的亮點(diǎn)位置進(jìn)行精確中心位置計算。

        4)圖像實(shí)時顯示功能。實(shí)時顯示光學(xué)目標(biāo)靶的位置姿態(tài)數(shù)據(jù),以作為動態(tài)調(diào)整的依據(jù)。

        根據(jù)系統(tǒng)功能要求,本系統(tǒng)軟件工作流程圖見圖4。

        圖4 系統(tǒng)流程圖

        3光斑中心提取方法

        3.1 精度仿真

        根據(jù)前述機(jī)器視覺基本原理以及POSIT算法模型可知,攝像機(jī)經(jīng)標(biāo)定后,若已知其拍攝的單個物體上多目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值矩陣,即可求解出該物體相對于攝像機(jī)坐標(biāo)系的空間位置與姿態(tài)關(guān)系。且該模型引入的位置及角度偏差具有規(guī)律性,可以通過標(biāo)定比例系數(shù)以及數(shù)值補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正。因此,影響本系統(tǒng)測量精度的主要問題就在于圖像中光斑中心坐標(biāo)值提取的重復(fù)性是否滿足不確定度要求。

        為得到系統(tǒng)所需要達(dá)到的光斑中心提取精度,進(jìn)行了像素精度估計仿真實(shí)驗(yàn),如圖5所示。利用系統(tǒng)攝像機(jī)在距離目標(biāo)靶5m處采集正視的圖像,取同一高度的兩光斑中心附近一點(diǎn)的坐標(biāo)值,其像素橫坐標(biāo)差值為781個像素格,實(shí)際間距為(160±5)mm,則其像素當(dāng)量為0.2。

        圖5 精度仿真實(shí)驗(yàn)

        因此,若要保證沿x軸、y軸方向的位置測量重復(fù)性不大于0.05mm,則圖像中心提取像素的重復(fù)性要不大于0.25。

        3.2 光斑處理

        在理想情況下,攝像機(jī)應(yīng)獲取的是邊緣清晰的圓形或橢圓形光斑,然而實(shí)際由于不可完全消除的光強(qiáng)、反射光及背景光干擾,常得到如圖6所示的不理想光斑,該光斑存在光影及光芒。針對這兩種常見噪聲,提出如下處理方法。

        圖6 不理想光斑

        3.2.1光影處理

        首先對圖像進(jìn)行閾值分割,選定最佳閾值參數(shù)。由于各光斑的光源、拍攝環(huán)境及光強(qiáng)相同,決定采用相同的閾值參數(shù)I對光斑進(jìn)行閾值分割。以圖6為例,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)I=0.7時,能夠完整地表達(dá)原圖中的高亮部分,并且又不包含過多無用輪廓,如圖7所示,因此本文以0.7為閾值參數(shù)。

        圖7 不同閾值參數(shù)分割結(jié)果

        3.2.2光芒處理

        首先對二值圖像進(jìn)行邊緣點(diǎn)的檢測,對于得到的圖像邊緣進(jìn)行橢圓擬合[8]。

        橢圓圖像曲線的一般表達(dá)式為

        其中,a=[a,b,c,d,e,f],

        x=[x2,xy,y2,x,y,1]。

        引入約束|a|2=1,建立如下函數(shù):

        式中:M為罰因子。利用牛頓-高斯法可以求解出a,則精確中心點(diǎn)(Xc,Yc)可求。即

        擬合后的光斑中心提取位置如圖8所示。

        圖8 橢圓擬合及其中心

        4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        系統(tǒng)關(guān)注的主要位置參數(shù)為x,y,z,α,β,γ,按照技術(shù)指標(biāo)要求,x軸、y軸、z軸方向位置測量重復(fù)性要求不超過0.05 mm,角度α,β,γ的測量重復(fù)性不超過0.05°。

        重復(fù)性實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證系統(tǒng)計算結(jié)果一致性的重要途徑,在本系統(tǒng)中其重復(fù)性的高低直接反應(yīng)了光斑中心提取的精密度。因此進(jìn)行了9組與攝像機(jī)光軸呈不同夾角位置的重復(fù)性實(shí)驗(yàn),角度值分別為0°,±5°,±10°,±15°,±20°,每個位置拍取10張圖片,并利用系統(tǒng)軟件對光學(xué)目標(biāo)靶相對于攝像機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計算,結(jié)果見表1。

        表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,位置坐標(biāo)x,y,z測量重復(fù)性均不超過0.05 mm,姿態(tài)角α,β,γ的測量重復(fù)性均不超過0.05°,系統(tǒng)重復(fù)性良好,能夠滿足設(shè)計要求,同時反應(yīng)了中心提取精度達(dá)到預(yù)期要求。所做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所研究的理論模型以及測量系統(tǒng)的有效性。

        5結(jié)束語

        本文介紹了一種針對無人機(jī)平臺的機(jī)載載荷安裝調(diào)試位姿實(shí)時測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了自主研制的L型光學(xué)目標(biāo)靶,提高了沿光軸方向的測量精度;提出了一種高精度光學(xué)中心提取方法,能夠有效去除光影和光芒的影響。該系統(tǒng)能夠僅利用一臺紅外相機(jī)、一個光學(xué)目標(biāo)靶及一臺計算機(jī)完成整套測量任務(wù),具備便攜性能好、成本低等優(yōu)勢,具有良好的市場前景和應(yīng)用價值。

        經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該無人機(jī)機(jī)載載荷安裝位姿實(shí)時測量系統(tǒng)的測試指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求,成功實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)載荷的在線6自由度測量,在現(xiàn)有視覺位姿測量基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高了測量精度,并實(shí)現(xiàn)了測量的實(shí)時性。

        參考文獻(xiàn)

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        新書《聚焦超級核能》鎖定核輻射及其計量

        本刊訊:2011年3月11日,日本大地震、海嘯引發(fā)的核泄漏事件吸引了全世界對核安全的關(guān)注,人們不得不再次對核能的研發(fā)和利用進(jìn)行全面的思考。為了讓更多的讀者了解核方面的知識和發(fā)展現(xiàn)狀,了解核輻射的來源、特點(diǎn)、危害和防護(hù),作者容超凡(國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站原副站長)歷時兩年編著了《聚焦超級核能》一書,現(xiàn)已由北京出版社出版,全國新華書店經(jīng)銷。此書是北京市科技協(xié)會組織編寫的系列科普叢書"科學(xué)家在做什么"中的一個分冊,全書共4章,其中第3章詳細(xì)介紹了核輻射的準(zhǔn)確測量問題,從核輻射測量什么、核輻射與物質(zhì)的相互作用、測量所用設(shè)備、測量儀器的檢定和校準(zhǔn)、測量結(jié)果的準(zhǔn)確表述等方面做了通俗易懂的講解,閱讀這本書,對于從事計量測試技術(shù)的科研人員定能有所收獲。

        Attitude Measurement System Design for UAV Airborne Loads

        SUN Yu,LI Baoan,MA Liqun

        (1.Changcheng Institute of Metrology & Measurement,Beijing 100095,China;2.Unmanned

        Aircraft Design Institute,Beihang University,Beijing 100091,China)

        Abstract:An efficient 6-dimension measurement system which apply to real-time attitude measurement of unmanned aerial vehicletelemetry platform assembling is introduced in this paper,including hardware and software designment.The system is based on machine vision principle,and invert variation of attitude through a multiple target to achieve airborne loads’ 6-dimension measurement.Angle measurement uncertainty is 0.05°,posion measurement uncertainty is 0.05°.

        Key words:airborne load;multiple targets;mono-vision.

        作者簡介:孫雨(1988-),女,碩士研究生,研究風(fēng)向?yàn)橐曈X測量及大尺寸校準(zhǔn);李寶安(1962-),男,教授,博士,研究方向?yàn)闇y試與計量技術(shù);馬驪群(1965-),女,研究員,博士,主要從事幾何量測試與校準(zhǔn)技術(shù)研究工作。

        基金項目:航空科學(xué)基金資助項目(2012ZD51044)

        收稿日期:2015-05-29;修回日期:2015-08-24

        中圖分類號:TB92;TH71;V279

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1674-5795(2015)05-0035-05

        doi:10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.08

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