劉 濤，唐偉峰

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，煙臺(tái) 264001)

基于雙目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)的導(dǎo)彈筒箱精確對(duì)接方法

劉 濤，唐偉峰

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，煙臺(tái) 264001)

當(dāng)前導(dǎo)彈筒箱對(duì)接工作中普遍采用人工操作方法，通過(guò)目視指揮操作實(shí)現(xiàn)卡口對(duì)接，精確性差，步驟繁瑣，效率低下;針對(duì)此問(wèn)題，基于雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)提出了一種自動(dòng)對(duì)接方法，利用雙攝像頭測(cè)量對(duì)接卡口的成像偏差，計(jì)算筒彈調(diào)整的距離和角度，實(shí)現(xiàn)筒彈支腳和對(duì)接卡口的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn);然后研究了系統(tǒng)測(cè)量誤差，利用非線(xiàn)性回歸擬合方法分析了誤差計(jì)算公式，利用等距標(biāo)尺設(shè)計(jì)了測(cè)量誤差標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方案，并針對(duì)攝像頭安裝不便的問(wèn)題，給出了中點(diǎn)延長(zhǎng)安裝方法和計(jì)算補(bǔ)償方法，最后設(shè)計(jì)了筒彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu);試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效獲取筒彈對(duì)接偏差距離和角度，為位置調(diào)整系統(tǒng)提供有效輸入，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈筒箱的自動(dòng)對(duì)接。

筒箱對(duì)接；雙目視覺(jué)；誤差分析；標(biāo)定

0 引言

導(dǎo)彈裝填工作是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)技術(shù)準(zhǔn)備的主要工作之一，裝填速度直接決定著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的保障效率和戰(zhàn)斗力再生成。導(dǎo)彈筒箱支腳對(duì)接到裝填設(shè)備或發(fā)射裝置上是導(dǎo)彈裝填工作的重要組成部分。現(xiàn)在的對(duì)接工作一般由操作員操作起重裝備起吊導(dǎo)彈筒箱進(jìn)行對(duì)接，操作員難以看到對(duì)接過(guò)程，僅依靠指揮員口令及手勢(shì)指揮操作員完成，精確度差、效率低下，特別是向艦艇裝載導(dǎo)彈筒箱，由于缺乏精確對(duì)接技術(shù)和設(shè)備，往往需要艦面中轉(zhuǎn)，過(guò)程非常繁瑣，嚴(yán)重影響裝備保障成效和戰(zhàn)斗力的快速生成。本文利用雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，提出一種精確的筒彈裝填技術(shù)方法，能夠快速準(zhǔn)確完成裝填工作。

1 問(wèn)題闡述

導(dǎo)彈裝填工作中對(duì)接部分的本質(zhì)就是將筒彈支腳裝入相關(guān)設(shè)備接口上并固定，如發(fā)射裝置卡口、艦載筒彈入庫(kù)裝填車(chē)卡口等。圖1為導(dǎo)彈筒箱對(duì)接俯視示意圖，A1、B1、C1、D1為筒箱的4個(gè)支腳，A2、B2、C2、D2為對(duì)接設(shè)備的4個(gè)卡口，對(duì)接工作就是將矩形A1B1C1D1通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)和下移，實(shí)現(xiàn)與A1B1C1D1的重合。將A1B1C1D1與A2B2C2D2投影到同一水平面內(nèi)，得到對(duì)接工作流程為：首先將筒彈轉(zhuǎn)動(dòng)角度∠D1FD2(設(shè)為θ)，然后再測(cè)量EA1(設(shè)為S1)和EA2距離(設(shè)為S2)，并在水平面內(nèi)水平移動(dòng)S1和S2，最后筒箱垂直下放，即可完成導(dǎo)彈筒箱支腳的對(duì)接工作。因此，θ角和水平距離S1、S2的精確測(cè)量是精確對(duì)接裝填工作的關(guān)鍵。

圖1 筒彈對(duì)接工作示意圖

2 雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)

雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)利用兩臺(tái)不同位置的攝像機(jī)拍攝同一幅場(chǎng)景，獲取立體圖像，針對(duì)其中的匹配點(diǎn)進(jìn)行分析從而獲取空間點(diǎn)坐標(biāo)和相對(duì)位置關(guān)系。如圖2，O1、O2為兩臺(tái)攝像機(jī)光心位置，且其角距和內(nèi)部參數(shù)都相等，光軸互相平行，P1、P2分別是空間點(diǎn)P在兩臺(tái)攝像機(jī)上的成像點(diǎn)，在得到P1、P2對(duì)應(yīng)坐標(biāo)和兩攝像機(jī)參數(shù)矩陣的條件下，即可通過(guò)建立以該點(diǎn)坐標(biāo)為未知數(shù)的多個(gè)線(xiàn)性方程，利用最小二乘法求解得該點(diǎn)的坐標(biāo)及其與兩臺(tái)攝像機(jī)中心點(diǎn)A之間的位置關(guān)系。P點(diǎn)的坐標(biāo)為：

(1)

其中：ax、ay為左右攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，D為左右攝像機(jī)的光心距離，ul、vl為P點(diǎn)在左攝像機(jī)中的成像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，ur、vr為P點(diǎn)在右攝像機(jī)中的成像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，uo、vo為圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)位置。式中ax、ay、D由攝像機(jī)標(biāo)定工作得到，ul、vl、ur、vr由攝像機(jī)所得圖像識(shí)別程序計(jì)算得到[1-3]。

利用攝像機(jī)標(biāo)定工作同時(shí)可以得到左右攝像機(jī)與基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置關(guān)系，從而得到左右攝像機(jī)中心點(diǎn)A 與P點(diǎn)的位置關(guān)系。

圖2 雙目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)示意圖

3 筒彈對(duì)接雙目測(cè)量技術(shù)方法

由于筒彈對(duì)接需要獲取的是投影平面中的夾角θ和水平距離S1、S2，因此，本文采用雙目視覺(jué)測(cè)距中的平視立體視覺(jué)方法。在筒箱左側(cè)兩個(gè)支腳位置各設(shè)置兩臺(tái)攝像機(jī)，如圖3。以左上角A1點(diǎn)的圖像采集測(cè)量為例，如圖4，A1點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置焦距為f的攝像機(jī)，兩者距離為d，A2成像點(diǎn)與圖像中心距離分別為x1和x2，a為A2在成像面上的投影與A1之間的水平距離，b為A2與成像面之間的距離。因此可以得到：

(2)

因此由上式可以解算出和b的數(shù)值，設(shè)為aA和bA：

(3)

同樣可得左下角D1點(diǎn)的相應(yīng)參數(shù)為aD和bD，如圖5(a)。設(shè)左側(cè)兩支腳距離為l，由相似三角形定理可得：

(4)

因此：

(5)

從而得到

(6)

圖3 筒彈對(duì)接雙目測(cè)量示意圖

圖4 A1點(diǎn)處雙目測(cè)量計(jì)算示意圖

圖5 筒彈左側(cè)支腳計(jì)算示意圖

4 成像誤差及其補(bǔ)償

4.1 誤差分析

筒彈精確對(duì)接的關(guān)鍵是獲取卡口成像點(diǎn)與圖像中心距離x1和x2，而實(shí)際測(cè)量中，由于多種誤差因素的存在，x1和x2的測(cè)量值存在著測(cè)量誤差，這些誤差因素包括：攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定誤差、裝配誤差、坐標(biāo)系標(biāo)定誤差等[4-5]。而本方案采用平視立體視覺(jué)方法，主要考察OX方向的距離測(cè)量誤差，如圖6。

圖6 成像誤差示意圖

設(shè)目標(biāo)點(diǎn)理想的成像點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)的距離為xl，而由于光學(xué)畸變等因素造成的實(shí)際成像點(diǎn)距離為xs，測(cè)量誤差為Δx，則：

Δx=xl-xs

(7)

考慮影響Δx的因素較多，相互關(guān)系十分復(fù)雜，且工作時(shí)只能得到xs的數(shù)值，因此可利用多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用一元非線(xiàn)性回歸擬合方法確定Δx與xs之間的關(guān)系，從而對(duì)測(cè)量距離x1和x2進(jìn)行補(bǔ)償。

(8)

其中：n=1,2,3,…，a0,a1,…,an為相關(guān)項(xiàng)系數(shù)。在相同樣本數(shù)的情況下，n的數(shù)值越大，擬合精度卻不一定越高，因此n可在2～6之間進(jìn)行不同的取值，對(duì)比求解得到最精確的擬合多項(xiàng)式，具體方法與說(shuō)明參見(jiàn)[6]。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，可制作含若干個(gè)等間距標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)尺(設(shè)有2j個(gè)標(biāo)點(diǎn))，將其中心零位Ob放置在攝像機(jī)軸線(xiàn)上，刻度與軸線(xiàn)垂直，距離透鏡光心2f距離處，如圖7。

圖7 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)示意圖

標(biāo)尺中標(biāo)點(diǎn)Ai與標(biāo)尺中點(diǎn)Ob的距離xi已知，Ai的理想成像點(diǎn)Ail與成像中心O的距離為xil，則

xil=xi/2

(9)

而Ai的實(shí)際成像點(diǎn)Ais與成像中心O的距離xis可測(cè)，因此得到：

Δxi=xil-xis=xi/2-xis

(10)

從而得到2j組Δx與xs的樣本，進(jìn)行關(guān)系擬合，得到擬合多項(xiàng)式：

Δx=g(xs)

(11)

4.3 誤差補(bǔ)償

由上述實(shí)驗(yàn)方案可得到圖3中的各個(gè)攝像機(jī)成像點(diǎn)實(shí)際測(cè)量距離xs與測(cè)量誤差Δx的關(guān)系g，因此可得到補(bǔ)償后的測(cè)量距離為：

xb=xs+Δx=xs+g(xs)

(12)

將xb帶入到公式(3)～(6)進(jìn)行θ的解算，以及后續(xù)S1和S2的解算。

5 安裝方案與算法補(bǔ)償

如果在導(dǎo)彈筒箱支腳處設(shè)置攝像機(jī)將不便于支腳對(duì)接工作，可采用延長(zhǎng)設(shè)置法，即在左右支腳延長(zhǎng)線(xiàn)上距離為e處設(shè)置該攝像機(jī)，如圖8，由于平行線(xiàn)原理，θ角的計(jì)算公式(6)不變，而在導(dǎo)彈筒箱姿態(tài)調(diào)整后左右位置平移時(shí)加以補(bǔ)償e即可，即：

(13)

圖8 攝像機(jī)平移安裝

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中在水平地面上設(shè)置兩個(gè)模擬對(duì)接卡口，卡口上方分別設(shè)置一組雙攝像頭，用于測(cè)量和計(jì)算卡口連線(xiàn)與兩組攝像頭中點(diǎn)連線(xiàn)之間的距離和角度偏差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)對(duì)比如表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得到，本方法能夠有效獲取雙攝像頭的中點(diǎn)(筒彈支腳)和對(duì)接卡口之間的空間位置偏差，從而為自動(dòng)裝填調(diào)整系統(tǒng)提供有效輸入，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確自動(dòng)對(duì)接。然而，數(shù)據(jù)的誤差還比較大，雖然筒彈支腳與卡口之間留有一定的對(duì)接冗余度，但較大偏差仍然可能導(dǎo)致對(duì)接失敗。誤差根源主要為攝像頭的測(cè)量偏差，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法提高攝像頭的測(cè)量精度。

7 筒彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)

設(shè)計(jì)如圖9所示的筒彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)，左右攝像機(jī)獲取接口的成像數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像采集卡和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)快速確定導(dǎo)彈筒箱支腳與對(duì)接卡口的位置關(guān)系，得到導(dǎo)彈筒箱調(diào)整的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街甘鞠到y(tǒng)或自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)人工操作設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)彈筒箱對(duì)接裝填時(shí)，將該調(diào)整數(shù)據(jù)顯示在操作界面上，可實(shí)現(xiàn)人工對(duì)接的精確化操作；當(dāng)采用自動(dòng)化對(duì)接裝填裝置時(shí)，可將該調(diào)整數(shù)據(jù)作為自動(dòng)化執(zhí)行設(shè)備的輸入，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確對(duì)接裝填。該技術(shù)方法能夠有效提高導(dǎo)彈筒箱支腳對(duì)接裝填的工作效率和準(zhǔn)確性，提升導(dǎo)彈裝備技術(shù)保障水平。另外由于對(duì)接工作采用了攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)了整個(gè)對(duì)接過(guò)程的可視化，提升了態(tài)勢(shì)感知能力，確保了對(duì)接工作的安全性。

圖9 自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)

[1] 閆 龍，趙正旭，周以齊.基于CCD的立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)精度分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]．儀器儀表報(bào),2008, 29(2)：410-413.

[2]朱效明，高稚允．雙CCD立體視覺(jué)系統(tǒng)的理論研究[J]．光學(xué)技術(shù)，2003，29(3)：298-300.

[3]王建華，韓紅艷，王春平．CCD雙目立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的理論研究[J]電光與控制,2007，14(4)：94-96.

[4]張 劉，支 帥．雙目測(cè)量系統(tǒng)目標(biāo)相對(duì)位置誤差分析[J]．紅外與激光工程,2014，43(12)：116-122.

[5]余惠杰，韓平疇．雙目視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量誤差分析[J]．光學(xué)技術(shù),2007，33(11)：157-159.

[6]角仕云，劉麗婭．實(shí)用科學(xué)與工程計(jì)算方法[M]．北京：科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

A Precise Merging Method of Missile Tube Based on Binocular Vision

Liu Tao, Tang Weifeng

(Department of Airborne Vehicle Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

To solve the problems of multi steps and low efficiency caused by low precision of manual operation in missile tube merging work, an automatic method was studied based on binocular vision measuring technology. Calculating formulas of parameters to be adjusted in every step were deduced by use of measuring the image deviation between two installed cameras, including the distance and angle for making support legs of tube matching the bayonet of filling equipments. Then the measuring error was researched and the way to get its calculating formula was given out by non-linear regression fitted method, followed was the calibration experiment to get the samples. Also, for convenient installation, translation scheme and its compensation method were analyzed. At last, the basic structure of an automatic merging system was designed. The experiment result showed that the method could get the merging deviation effectively for adjusting system, to make automatic merging work come true.

merging work of missile tube; binocular vision; error analysis; camera calibration

2016-05-03；

2016-05-24。

學(xué)院青年科研基金資助項(xiàng)目(HYQN2015-16)

劉 濤(1982-)，男，江蘇灌云人，博士，講師,主要從事兵器發(fā)射技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)10-0113-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.032

TP391.41

A