吳 浩,張 勇,王偉明,佀明華,李 欣，范 磊

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電子與光學(xué)工程系,河北 石家莊 050003；2. 中國(guó)人民解放軍63908部隊(duì)，河北 石家莊 050000； 3.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 引 言

角度測(cè)量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防軍事領(lǐng)域,如在大型機(jī)械制造和工程安裝中,經(jīng)常需要測(cè)量相距數(shù)米若干被測(cè)對(duì)象的異面幾何元素(如軸的軸線、孔的中心線、平板的法線)之間的空間夾角[1-2]；另外為確保武器系統(tǒng)打擊精度,也需要對(duì)武器系統(tǒng)配屬的多光譜偵察設(shè)備(可見光、微光、激光、紅外等光電設(shè)備)光電軸線與火力軸線進(jìn)行一致性檢測(cè)。上述方法均涉及大間距空間角測(cè)量,而傳統(tǒng)的角度測(cè)量方法如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)方法[3-4]、多站經(jīng)緯儀法[5-6]、室內(nèi)GPS測(cè)量法[7]、平行光管測(cè)量法[8]等在測(cè)量精度、應(yīng)用范圍上有局限性。在分析現(xiàn)有大空間角度測(cè)量現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,提出了一種基于機(jī)器視覺的角度測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)了大間距動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的角度測(cè)量,可應(yīng)用于武器系統(tǒng)調(diào)炮精度檢測(cè)、光電桅桿偏移量檢測(cè)及火炮身管晃動(dòng)量檢測(cè)等方面。

2 大間距空間角度測(cè)量方法

為解決工業(yè)及國(guó)防領(lǐng)域大間距空間角測(cè)量需求,國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出了一系列較為新穎的檢測(cè)方法并研制了相關(guān)測(cè)量設(shè)備,較有代表性的包括激光跟蹤儀法、相交校靶法、視覺測(cè)量法及慣性測(cè)量法等。

2.1 激光跟蹤儀測(cè)量法

激光跟蹤儀可實(shí)現(xiàn)大尺寸部件面型測(cè)量、機(jī)器人位姿調(diào)整、系統(tǒng)部件裝配,以及工裝檢測(cè)和研發(fā)過(guò)程中涉及的角度測(cè)量,具有精度高、誤差小、實(shí)時(shí)性好、測(cè)量范圍寬、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。激光跟蹤儀采用極坐標(biāo)測(cè)量方法[9],將靶球反射器(Spherically Mounted Retroreflector,SMR)放置在被測(cè)對(duì)象上,激光跟蹤頭發(fā)射激光至SMR上并反射回跟蹤頭。當(dāng)SMR移動(dòng)時(shí),激光跟蹤頭調(diào)整光束方向始終對(duì)準(zhǔn)SMR,從而測(cè)算被測(cè)對(duì)象的空間位置和角度信息。由于距離觀測(cè)值直接影響測(cè)量精度,一般采用He-Ne激光裝置或紅外激光裝置分別進(jìn)行相對(duì)距離測(cè)量和絕對(duì)距離測(cè)量來(lái)準(zhǔn)確獲取目標(biāo)距離,當(dāng)觀測(cè)距離較大時(shí),還會(huì)采用多站點(diǎn)測(cè)量法提高測(cè)量精度[10],另外還采用了基于位置檢測(cè)器(Phase Sensitive Detector,PSD)的跟蹤控制技術(shù),通過(guò)分光鏡使一部分反射光進(jìn)入PSD產(chǎn)生偏移量,根據(jù)偏移量驅(qū)動(dòng)電機(jī)修正偏移量,實(shí)現(xiàn)對(duì)SMR的快速跟蹤。如FARO公司的激光跟蹤儀FARO VantageS 和 VantageE(如圖1所示)重13.4 kg,距離測(cè)量精度10 μm,角度測(cè)量精度(20+5)μm/m。FARO、Leica、API公司是激光跟蹤儀的主要提供商,如Leica系列產(chǎn)品占全球市場(chǎng)份額70%以上,擁有1600多臺(tái)的裝機(jī)量。激光跟蹤儀雖然有上述優(yōu)點(diǎn),但也存在激光束易丟失、轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù)雜、價(jià)格高等缺點(diǎn)。

圖1 FARO公司激光跟蹤儀及工作原理

2.2 視覺測(cè)量法

視覺測(cè)量法具有非接觸、測(cè)量快速、精度較高等特點(diǎn),一般分為主動(dòng)視覺測(cè)量和被動(dòng)視覺測(cè)量[11-12]兩大類。主動(dòng)測(cè)量通常由一對(duì)光學(xué)投射裝置與圖像傳感器組成。利用光學(xué)投射裝置向被測(cè)物體投射結(jié)構(gòu)光,結(jié)構(gòu)光由物體表面調(diào)制產(chǎn)生形變,圖像傳感器記錄下結(jié)構(gòu)光形變并通過(guò)數(shù)據(jù)處理還原出被測(cè)物體的三維幾何尺寸,如GOM公司推出的ATOS系統(tǒng)[13](如圖2所示)就利用了兩臺(tái)定制化的高分辨率數(shù)字相機(jī)拍攝通過(guò)投射器投射的高亮點(diǎn)圖案。ATOS系統(tǒng)采用藍(lán)光條紋技術(shù),抗干擾能力強(qiáng),對(duì)工作環(huán)境要求低,但只能做二維測(cè)量,若要實(shí)現(xiàn)真正的三維測(cè)量,還須配合傳動(dòng)或掃描裝置,另外主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性也較差。相比之下,被動(dòng)測(cè)量則不需要投射結(jié)構(gòu)光,僅通過(guò)觀測(cè)被測(cè)物體在自然光照下的成像即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的三維尺寸測(cè)量,通常使用單個(gè)或兩個(gè)以上的圖像傳感器在多個(gè)位置觀測(cè)同一被測(cè)物體,采用適配器、標(biāo)記點(diǎn)和標(biāo)定尺給被測(cè)物體提供測(cè)量基準(zhǔn),通過(guò)匹配各個(gè)圖像傳感器或各個(gè)位置圖,直接獲得被測(cè)物體的三維幾何尺寸。如AICON 3D公司的DPA-Pro系統(tǒng)[14](如圖3所示)可測(cè)量大于0.1 m的物體,空間測(cè)量精度(3+7)μm/m。測(cè)量時(shí)在測(cè)量物件的特征部位貼上標(biāo)記點(diǎn)或裝上適配器,再使用高分辨率照相機(jī)從不同角度對(duì)物體進(jìn)行拍攝,確保捕捉到物體的所有重要部位。拍攝完成后利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出所有標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。DPA-Pro系統(tǒng)在擁有較高測(cè)量精度的同時(shí),整個(gè)設(shè)備便于攜行,適合外場(chǎng)使用,缺點(diǎn)是需要從不同方位拍攝兩幅圖像,無(wú)法對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量,且測(cè)量范圍受相機(jī)參數(shù)制約,對(duì)于有遮擋或不在同一視場(chǎng)中的被測(cè)對(duì)象較難應(yīng)用。

圖2 GOM公司的ATOS系統(tǒng)

圖3 AICON 3D公司的DPA-Pro系統(tǒng)

2.3 靶板測(cè)量法

靶板測(cè)量法類似于視覺測(cè)量法,區(qū)別在于靶板測(cè)量法利用含有標(biāo)志點(diǎn)的靶板作為合作目標(biāo),利用攝像機(jī)采集標(biāo)志點(diǎn)之間的空間位置信息并計(jì)算之間的相對(duì)關(guān)系,從而得到被測(cè)對(duì)象之間的角度關(guān)系,如METRONOR公司研制的HarmoLign武器校準(zhǔn)系統(tǒng),其7個(gè)型號(hào)已成功應(yīng)用于20個(gè)國(guó)家的空軍[15],如圖4所示。該系統(tǒng)包括光電攝像機(jī)、LED發(fā)光靶板和特定的適配器。LED靶板和適配器共同組成一個(gè)平臺(tái)協(xié)調(diào)板(Platform Harmonization Pads,PHP)。將PHP安裝在機(jī)載設(shè)備的機(jī)械接口處以及飛機(jī)的基準(zhǔn)位置上,已知LED靶板、適配器和機(jī)械接口的轉(zhuǎn)換關(guān)系,利用光電攝像機(jī)檢測(cè)LED靶點(diǎn),從而獲得各機(jī)載設(shè)備坐標(biāo)系及飛機(jī)坐標(biāo)系在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的姿態(tài),通過(guò)3個(gè)坐標(biāo)系變換即可獲得各機(jī)載設(shè)備的空間角度信息[16]。HarmoLign武器校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量精度為20″,測(cè)量范圍可達(dá)25 m。

圖4 Harmolign校準(zhǔn)系統(tǒng)

不同于HarmoLign武器校準(zhǔn)系統(tǒng),利用自然場(chǎng)景中無(wú)限遠(yuǎn)典型目標(biāo)作為合作目標(biāo),根據(jù)無(wú)窮遠(yuǎn)相交校靶原理,SCHILL、Carl Zeiss、CI等公司相繼研制了系列軸線檢測(cè)設(shè)備,如SCHILL研制的308型艦船軸線檢測(cè)系統(tǒng)(Aligner 308 Ship Alignment System)可用于艦船武器系統(tǒng)之間的軸線檢測(cè)[17]。Carl Zeiss研制的武器裝備視頻校軸調(diào)整系統(tǒng)(Weapon Adjustment System Video Boresight,WASVB)[18]、CI研制的先進(jìn)武器軸線校準(zhǔn)系統(tǒng)(Advanced Weapon Boresight System,AWBS)可用于裝甲車輛光電傳感器與火力軸線的一致性檢測(cè)[19-21],如圖5所示,均采用遠(yuǎn)場(chǎng)相交校靶原理,利用高分辨率CCD相機(jī)提取遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo),通過(guò)光學(xué)傳感器與遠(yuǎn)處目標(biāo)重合對(duì)準(zhǔn),測(cè)量光學(xué)傳感器軸線與武器系統(tǒng)軸線一致性,其中AWBS系統(tǒng)通過(guò)CCD攝像機(jī)使武器系統(tǒng)機(jī)械軸線可視化,通過(guò)更換適配器即可適用于多種武器系統(tǒng),具有通用性強(qiáng)、便攜性好等優(yōu)點(diǎn),在最大6.4°視場(chǎng)角下,該系統(tǒng)測(cè)軸精度為10″,測(cè)量范圍為50 m～∞。

圖5 CI公司AWBS系統(tǒng)

2.4 慣性測(cè)量法

AAI公司研制了一種基于慣性校準(zhǔn)原理的先進(jìn)軸線校靶設(shè)備(Advanced Boresight Equipment,ABE),其突出特點(diǎn)是解決了以往大口徑平行光管無(wú)法完成的大間距機(jī)械軸線與光電軸線一致性測(cè)量,現(xiàn)已裝備美軍“阿帕奇”、“臺(tái)風(fēng)”、“魚鷹”等戰(zhàn)機(jī)武器系統(tǒng)軸線檢測(cè)中[22-23]。ABE由動(dòng)態(tài)慣性測(cè)量裝置、基準(zhǔn)慣性測(cè)量裝置、運(yùn)算處理裝置、基準(zhǔn)框架、手持顯示器以及一系列校靶轉(zhuǎn)接鏡組成,如圖6所示。

基準(zhǔn)框架與被測(cè)對(duì)象有精確的裝配關(guān)系,能夠?yàn)榛鶞?zhǔn)慣性測(cè)量裝置提供與被測(cè)對(duì)象姿態(tài)一致的安裝面。基準(zhǔn)慣性測(cè)量裝置安裝在基準(zhǔn)框架上,通過(guò)內(nèi)部的三軸陀螺傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)象姿態(tài)角,建立校靶測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)系[24]。動(dòng)態(tài)慣性測(cè)量裝置利用自準(zhǔn)直原理發(fā)射平行光束,通過(guò)反射光束測(cè)量被測(cè)對(duì)象待校傳感器的方位、俯仰角。測(cè)量時(shí),首先使動(dòng)態(tài)慣性測(cè)量裝置中慣性平臺(tái)姿態(tài)與被測(cè)對(duì)象姿態(tài)對(duì)準(zhǔn),通過(guò)安裝校靶轉(zhuǎn)接鏡或被測(cè)對(duì)象自帶的發(fā)射接收裝置,使手持動(dòng)態(tài)慣性測(cè)量裝置接收光束,從而測(cè)量出目標(biāo)方位和俯仰角。ABE系統(tǒng)采用慣性測(cè)量技術(shù),通過(guò)采用多種適配器無(wú)需架設(shè)平臺(tái),適應(yīng)了不同對(duì)象的檢測(cè)需求,相比于其他方法更為簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確,校靶精度可達(dá) 20″,缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴,需要眾多適配器配合才能完成測(cè)量。

圖6 ABE校靶系統(tǒng)及應(yīng)用于MH-60L直升機(jī)的校靶轉(zhuǎn)接鏡

以上大間距角度測(cè)量方法,在測(cè)量范圍、測(cè)量精度、便攜性及成本方面各有優(yōu)缺點(diǎn),表1給出了各種方法之間的性能比較。

表1 測(cè)量方法比較

3 基于機(jī)器視覺的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量方法

在分析上述角度測(cè)量方法基礎(chǔ)上,提出了一種基于機(jī)器視覺的大間距動(dòng)態(tài)角度測(cè)量方法,即利用高精度兩軸伺服系統(tǒng)識(shí)別跟蹤遠(yuǎn)處場(chǎng)景中的十字分劃靶標(biāo),利用圖像處理算法實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算偏移量并傳遞給兩軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行高低、方位修正,實(shí)現(xiàn)大間距條件下的空間角度動(dòng)態(tài)測(cè)量。以武器系統(tǒng)調(diào)炮精度檢測(cè)為例,以往多采用雙站經(jīng)緯儀方法實(shí)現(xiàn)調(diào)炮精度檢測(cè)[25-26],而機(jī)器視覺的角度測(cè)距方法將高精度雙軸伺服系統(tǒng)可靠夾持在火炮身管內(nèi)并確保其與身管嚴(yán)格共軸,伺服系統(tǒng)上安裝的高分辨率CCD攝像機(jī)首先瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)中的十字立靶中心,當(dāng)火炮身管在空間范圍內(nèi)進(jìn)行高低、方位動(dòng)作時(shí),利用圖像處理算法實(shí)時(shí)測(cè)量CCD電十字分劃與遠(yuǎn)場(chǎng)立靶十字分劃中心位置偏差并將偏差量反饋至伺服系統(tǒng)進(jìn)行解算修正,通過(guò)構(gòu)建被測(cè)對(duì)象、立靶和角度測(cè)量傳感器之間的角度坐標(biāo)系傳遞模型,實(shí)現(xiàn)調(diào)炮過(guò)程中身管在空間范圍內(nèi)的角度偏移量測(cè)量。

3.1 高精度雙框架伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)采用兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)式框架結(jié)構(gòu),外框?yàn)榉轿煌ǖ?內(nèi)框?yàn)楦┭鐾ǖ啦惭b有高分辨率CCD攝像機(jī)和激光測(cè)距機(jī),兩個(gè)控制通道相互獨(dú)立。伺服框架上安裝三軸速率陀螺,用來(lái)敏感探測(cè)器軸線運(yùn)動(dòng)角速率,通過(guò)速度控制回路提高伺服系統(tǒng)位置指向控制精度。采用直流無(wú)刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式,與伺服電機(jī)結(jié)合減速器的驅(qū)動(dòng)方式相比,直驅(qū)系統(tǒng)在保證適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力矩情況下,減少了傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度以及齒隙等非線性因素對(duì)伺服系統(tǒng)性能的影響,具有機(jī)械諧振頻率高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),另外為保證安裝電機(jī)后的回轉(zhuǎn)框架力矩平衡,在器件對(duì)稱布置基礎(chǔ)上進(jìn)行了配平設(shè)計(jì)。圖7是高精度雙框架伺服系統(tǒng)外觀示意圖。

圖7 高精度雙框架伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

伺服系統(tǒng)控制電路主要包括控制單元、旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)單元、驅(qū)動(dòng)單元和底板單元等?？刂茊卧腔?2位ARM Cortex-M4內(nèi)核的微控制器STM32F407為核心的最小系統(tǒng),配置串口輸出單路、模擬信號(hào)調(diào)理及采集電路、PWM信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路等；旋變解調(diào)單元以微控制器STM32F103和旋變數(shù)字解調(diào)芯片AD2S1210為核心,配置模擬信號(hào)調(diào)理電路、串口輸出電路；驅(qū)動(dòng)單元以TI公司集成功率放大器DRV8332為核心,配置電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)隔離電路組成；底板單元主要功能是將CCD攝攝像機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、陀螺等組件的信息傳遞給控制單元,同時(shí)將控制單元發(fā)出的控制指令傳遞給底板單元并將圖像處理傳遞給上位機(jī)?？刂蒲b置原理框如圖8所示。

圖8 控制裝置原理框圖

3.2 空間坐標(biāo)系變換模型

基于十字立靶和被測(cè)對(duì)象之間的相對(duì)距離,以及被測(cè)對(duì)象、角度測(cè)量傳感器、十字立靶三者之間的空間坐標(biāo)系關(guān)系,建立坐標(biāo)系傳遞模型,實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量。仍以調(diào)炮精度測(cè)量為例,僅考慮在水平面內(nèi)的角度測(cè)量問(wèn)題,圖9是坐標(biāo)系變換模型示意圖。OA是炮管指向起始位置,OA′是炮管終止位置,A點(diǎn)是角度測(cè)量傳感器,P點(diǎn)是十字靶板,α為角度測(cè)量傳感器方位零位與十字立靶初始偏差角度,θ1為調(diào)炮過(guò)程中測(cè)量獲得的方位角,m,n為激光測(cè)距機(jī)測(cè)距獲得的數(shù)據(jù),即α,θ1,m,n等參量已知,需求炮管轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ。

圖9 坐標(biāo)系變換模型示意圖

設(shè)圓O的半徑為R,易得:

δ+ω=θ2+α

(1)

根據(jù)正余弦定理,可知:

(2)

l2=m2+n2-2mncosθ1

(3)

將式(3)代入式(2),消掉l,可得：

sin2θ2m2+n2-2mncosθ1=n2·sin2θ1

(4)

當(dāng)n,m,θ1已知時(shí),容易得到θ2：

(5)

(6)

將式(6)式代入式(1),消掉ω,可得：

δ=2θ2+α-π

(7)

根據(jù)式(7)可知,利用激光測(cè)距機(jī)測(cè)量獲得角度測(cè)量傳感器和十字立靶之間的距離,并由伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出的開始和結(jié)束位置的方位角即可獲得調(diào)炮空間方位角,該方法和圓半徑無(wú)關(guān),只是當(dāng)θ1較小時(shí),對(duì)伺服系統(tǒng)精度要求較高。

3.3 合作目標(biāo)識(shí)別跟蹤及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

為使CCD攝像機(jī)能有效跟蹤瞄準(zhǔn)合作目標(biāo),合作目標(biāo)采用十字分劃圖案作為角度測(cè)量基準(zhǔn)。利用Hough變換計(jì)算十字分劃中心位置,減少不同天候及其他噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,另外采用高分辨率CCD攝像機(jī)也可進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

若對(duì)于只是測(cè)量起始和終止兩個(gè)位置的靜態(tài)測(cè)量過(guò)程而言,本文提出的方法可獲得較高的測(cè)量結(jié)果,但對(duì)于要實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)對(duì)象在不同狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)角度信息,可能受限于被測(cè)對(duì)象的速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特性、角度測(cè)量傳感器的響應(yīng)時(shí)間,以及圖像處理技術(shù)的魯棒性和處理精度,表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中,可能會(huì)出現(xiàn)CCD攝像機(jī)的電十字分劃與合作目標(biāo)十字分劃不能完全重合,這將帶來(lái)動(dòng)態(tài)角度測(cè)量過(guò)程中的誤差。為此,可利用基于時(shí)間序列和圖像處理的高精度動(dòng)態(tài)角度測(cè)量補(bǔ)償技術(shù),即在一個(gè)完整的角度測(cè)量過(guò)程中,以高低、方位電機(jī)開始動(dòng)作并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻記為t1,此時(shí)CCD攝像機(jī)開始記錄電十字分劃與合作目標(biāo)十字分劃之間的偏移量(理想狀態(tài)下,該偏移量應(yīng)為0),以高低、方位電機(jī)停止動(dòng)作且旋轉(zhuǎn)變壓器停止計(jì)數(shù)的時(shí)刻記為t2,此時(shí)CCD攝像機(jī)停止工作,這個(gè)完整的角度測(cè)量過(guò)程耗時(shí)為Δt=t2-t1。擬定CCD攝像機(jī)幀頻為24 f/s,則建立24×Δt幀圖像的偏移量和角度補(bǔ)償之間的數(shù)據(jù)模型,進(jìn)而對(duì)每個(gè)時(shí)刻的高低、方位角值進(jìn)行補(bǔ)償,從而獲得高精度動(dòng)態(tài)角度測(cè)量結(jié)果。

3.4 誤差分析

本文提出的角度測(cè)量方法,主要誤差源包括夾持裝置共軸誤差、瞄準(zhǔn)誤差、測(cè)距誤差、伺服系統(tǒng)誤差等。夾持裝置將角度測(cè)量傳感器和被測(cè)對(duì)象進(jìn)行可靠連接,要求和被測(cè)對(duì)象機(jī)械軸線嚴(yán)格共軸,為此可采用彈簧頂塊鎖緊方式或齒輪傳動(dòng)彈性塊膨脹鎖緊方式減小兩者之間的配合間隙,也可在設(shè)備出廠前進(jìn)行自校準(zhǔn),即將角度測(cè)量傳感器插入標(biāo)準(zhǔn)通孔中,前面放置平行光管,使其十字分劃成像于角度測(cè)量傳感器十字分劃中心,然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器360°。若平行光管十字分劃像相對(duì)于角度測(cè)量傳感器十字分劃中心擺動(dòng)量小于3個(gè)像素,即可認(rèn)為符合出廠精度要求,角度測(cè)量傳感器高分辨率CCD攝像機(jī)鏡頭焦距f=80 mm,像元大小L=2.2 μm×2.2 μm,則CCD攝像機(jī)角度分辨率為:

σ21=arctan(0.0022/80)=5.67″

(8)

聯(lián)合σ21可得瞄準(zhǔn)誤差:

=17.94″

(9)

瞄準(zhǔn)誤差指角度測(cè)量傳感器的電十字分劃與立靶十字分劃之間的計(jì)算偏差,這由CCD攝像機(jī)角度分辨率決定。測(cè)距誤差指被測(cè)對(duì)象與十字立靶之間的空間距離,由激光測(cè)距機(jī)測(cè)得。選用半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī),測(cè)距精度為0.01 m,根據(jù)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,測(cè)距精度對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。

伺服系統(tǒng)誤差主要為旋轉(zhuǎn)變壓器精度,設(shè)備出廠前利用角秒級(jí)旋變標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定,測(cè)角精度能達(dá)到30″內(nèi)。

上述誤差源相互獨(dú)立,因此總的測(cè)量誤差為:

4 結(jié) 論

在介紹現(xiàn)有空間角度測(cè)量技術(shù)及設(shè)備基礎(chǔ)上,提出了一種基于機(jī)器視覺的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量方法。利用高精度兩軸伺服系統(tǒng)識(shí)別跟蹤遠(yuǎn)處場(chǎng)景中的十字分劃靶標(biāo),利用圖像處理算法實(shí)時(shí)跟蹤計(jì)算偏移量并傳遞給兩軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行高低、方位角度修正,實(shí)現(xiàn)了大間距條件下的空間角度動(dòng)態(tài)測(cè)量,該方法可解決武器系統(tǒng)調(diào)炮精度、光電桅桿偏移量、火炮身管晃動(dòng)量等動(dòng)態(tài)角度測(cè)量問(wèn)題。下步還可做以下優(yōu)化改進(jìn),即選擇遠(yuǎn)場(chǎng)中的典型目標(biāo)作為合作目標(biāo),如樹木、屋檐、靜止車輛等,通過(guò)形態(tài)學(xué)分析與圖像特征匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)該類目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別跟蹤,提高測(cè)量設(shè)備的智能化水平。

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