關(guān)覃粼 李勝宇

摘 要：飛行器技術(shù)一直以來都是前沿科學(xué)的主要發(fā)展領(lǐng)域，其中對于其空間姿態(tài)的測試手段有助于飛行器飛行軌跡的控制，具有極大的研究價值。本文針對飛行器近景實驗中的運動姿態(tài)的三維解構(gòu)測量，對光學(xué)測量手段進行研究分析，對這一測量方法的具體原理，應(yīng)用特點與應(yīng)用的優(yōu)勢進行具體說明，為未來的飛行器技術(shù)的發(fā)展提供參考價值。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測量;飛行器;空間姿態(tài);軌跡控制

對于飛行器而言，目標(biāo)的空間運動三維姿態(tài)是將其飛行狀態(tài)進行運動解構(gòu)的運動參數(shù)，而在實際應(yīng)用中可以通過測量出的運動三維狀態(tài)參數(shù)對飛行器的飛行軌跡精度進行評估，更好地確定改進方向，其對于飛行器的設(shè)計、實驗、改進以及故障分析等都具有重要的實用價值與現(xiàn)實價值?？臻g三維的運動參數(shù)極為復(fù)雜，其測量難度較大，對于新技術(shù)的研究應(yīng)用也具有極大的價值。

一、光學(xué)測試技術(shù)的應(yīng)用必要性

1.1飛行器的空間三維測量的復(fù)雜性

飛行器的空間三維狀態(tài)，其空間姿態(tài)的測量的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在兩點：其一是空間姿態(tài)的測量參數(shù)極為復(fù)雜，空間運動的自由度一共有六個，并且這只是單個整體的自由度數(shù)目，當(dāng)擴展到空間機械的時候更加復(fù)雜，因此在進行姿態(tài)測量時需要整體的三個移動參數(shù)與三個轉(zhuǎn)動參數(shù)進行精確的分析與整合，得出最終的運動軌跡，需要測量的參數(shù)較為復(fù)雜。其二是測量環(huán)境的復(fù)雜性，飛行器在空間飛行時的工作環(huán)境是極為復(fù)雜的，可能存在極為惡劣的工作環(huán)境也就是測試環(huán)境。傳統(tǒng)的傳感器測量手段對測量的環(huán)境要求較高，因此測量設(shè)備的抗干擾能力要求也較高，并且傳感器測量設(shè)備需要在飛行器上安裝配合的測量設(shè)備，會對飛行器自身的重量結(jié)構(gòu)造成一定的改變，這對于飛行器測試階段的數(shù)據(jù)測量極為不利，嚴重影響對飛行器的飛行能力的評估改進工作。并且飛行器測試中運動目標(biāo)存在丟失的可能，可能會造成設(shè)備的損失，因此尋找新的測量方法時極具必要性的。

1.2 光學(xué)測量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

光學(xué)測量對于飛行器運動狀態(tài)的測量是具有更大的優(yōu)勢，首先，它是非接觸式，不會有傳統(tǒng)傳感器測量中由于測量設(shè)備安裝在飛行器上，避免了由于測量設(shè)備的重量對飛行器的影響，增加飛行器運動軌跡測量精度，其次光學(xué)測量是全場性的測量，可以最全面的收集飛行器空間運動姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，得到最佳的測咯昂結(jié)果。最后光學(xué)測量相對于其他測量方式還具有更加方便可靠、價格成本較低等優(yōu)勢，根據(jù)相關(guān)精度的需求不同，可以利用高速攝像機、經(jīng)緯儀及遠距離照相機等光學(xué)設(shè)備進行運動目標(biāo)的測量，已經(jīng)成為較為常見的一種測量方式。

1.3 相關(guān)技術(shù)的完善

光學(xué)測量技術(shù)需要有完善的數(shù)字圖像技術(shù)的支持，只有強大的圖像處理技術(shù)才可以幫助光學(xué)測量技術(shù)真正運用到實際的運用中去。之前的光學(xué)測量技術(shù)對運動目標(biāo)的測量是以點目標(biāo)，只能獲得飛行器的運動軌跡而無法獲得具體的運動姿態(tài)。而為了獲得較為精確的運動姿態(tài)則需要利用攝像設(shè)備對空間運動目標(biāo)的運動信息進行拍攝記錄，再通過事后較為復(fù)雜的目標(biāo)空間姿態(tài)參數(shù)分析與提取得到需要的三維運動運動姿態(tài)，但是如此以來其實時性難以保證，對飛行器的測試時長極為不利。但是近年來的高速圖像處理技術(shù)與更好圖像處理算法的發(fā)展為進行實時光學(xué)圖像分析提供了可能性。通過高速圖像處理技術(shù)可以有效分析空間運動目標(biāo)的三維軌跡和三維姿態(tài)特別是目標(biāo)的俯仰角、偏航角等重要姿態(tài)，實時提取關(guān)鍵性信息，推動飛行器空間三維運動姿態(tài)的立體化測量發(fā)展。

二、光學(xué)測量的工作原理

光學(xué)測量技術(shù)作為一種被廣泛運用的目標(biāo)運動參數(shù)測量方法，工作原理并不復(fù)雜，傳統(tǒng)的光學(xué)測量以光學(xué)望遠鏡為主，配合一些基于攝影、紅外、激光等技術(shù)的測量設(shè)備進行跟蹤測量，主要是對光學(xué)圖像進行收集分析的一個過程，目前的發(fā)展也遵循這一原理。而光學(xué)測量質(zhì)量的主要重點和難點也在于姿態(tài)測量方法和與此相關(guān)的圖像處理技術(shù)。

2.1 多站面面交會法

傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法主要依靠空間運動目標(biāo)的點判讀方法，對于姿態(tài)的測量難以實現(xiàn)，因此通過設(shè)置更多的目標(biāo)測量點位，是一種較為直接的姿態(tài)測量方法，通過測量點交匯而成的測量線進行測量，利用首位固定點的坐標(biāo)變換能夠?qū)崿F(xiàn)，根據(jù)空間點所確定的空間直線可以得到目標(biāo)的俯仰角與偏航角，得到空間運動姿態(tài)，但是多站點的測量易出現(xiàn)時間同步誤差，并且各個儀器的測量也存在一定的定位誤差，導(dǎo)致拍攝的運動參數(shù)存在一定的偏差，這就導(dǎo)致通過多站點合成的運動姿態(tài)的精度難以確保，并且復(fù)雜的測量環(huán)境更進一步造成各站點測量結(jié)果的偏差，因此這一方法的實際運用可能性不高。

2.2 單站圖像分析法

單站圖像確定空間目標(biāo)的三維姿態(tài)具有更加重要的實際運用價值，而實際上從圖像獲取而言，單站圖像的質(zhì)量早已可以滿足光學(xué)測量的精度需求，目前的主要難點在于圖像的處理，如何高速高精度的提取空間目標(biāo)的輪廓。而圖像分析的重點之一就是對光測圖像的預(yù)處理工作，只有在經(jīng)過合適的圖像預(yù)處理工作之后，后續(xù)的姿態(tài)測量工作才有繼續(xù)實行的基礎(chǔ)。預(yù)處理工作雖然重要但是其工作原理并不復(fù)雜，因此本文的重點在于后續(xù)的姿態(tài)測量，對于姿態(tài)測量而言，圖像分割是極為重要且具有難度的一項工作，它需要將圖像按照特征提取出感興趣的目標(biāo)，提取的標(biāo)準(zhǔn)可以由需求改變。這對于人而言似乎是一個極為自然的功能，但是對于計算機而言，這是一個極為復(fù)雜的“病態(tài)”問題，它是模糊的、多解的，為了解決這一問題，目前已經(jīng)有了幾種圖像分割方法的發(fā)展方向。第一，基于邊緣的圖像分割方法，它利用了目標(biāo)與其運動背景的差異，達到較好的圖像分割效果，這一技術(shù)的難點也在于需要分割的區(qū)域也就是目標(biāo)與背景之間的邊緣對比，造成邊緣檢測的抗噪性與測量精度之間的矛盾，在提升測量精度的同時不可避免的帶來輪廓的不合理，而在提高抗噪性時會出現(xiàn)漏檢和位置偏差的可能。第二，基于區(qū)域的圖像分割方法，它直接進行區(qū)域?qū)ふ?，是根?jù)事先定義的標(biāo)準(zhǔn)將像素或子區(qū)域聚合成更大區(qū)域的過程，首先進行分類分割，利用已知的訓(xùn)練樣本集在圖像的特征空間中找到?jīng)Q策的劃分點，實現(xiàn)對圖像的區(qū)域劃分，此外還可以利用閾值分割法進行區(qū)域提取，通過設(shè)定每一個特征的閥值進行區(qū)域劃分，這一中區(qū)域劃分方法更加快速簡便，但是實際上很難找到一個合適的閾值。第三，邊緣與區(qū)域結(jié)合的圖像分割方法，以上兩種方法各有優(yōu)劣，因此對這兩種方法進行最大程度的綜合對于光學(xué)測量而言是很有價值的，同時利用目標(biāo)對象的邊緣信息與圖像的全局信息進行分割，對于特定區(qū)域的提取效果較好。例如活動輪廓模型。該類方法通過使用從圖像數(shù)據(jù)獲得的約束信息和目標(biāo)的其他參數(shù)信息，如位置、大小、形狀等等，可以較好的均衡目標(biāo)分割匹配的精度與抗噪性的關(guān)系，達到一個較好的結(jié)果。由此可知，圖像分割對于空間目標(biāo)的三維姿態(tài)測量有著極大的運用價值。并且好的圖像分割方法有助于實現(xiàn)后續(xù)空間運動目標(biāo)三維姿態(tài)測量。

三、總結(jié)

飛行器的飛行姿態(tài)是評價飛行器質(zhì)量的一個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，因此更好的評價手段可以有效促進飛行器技術(shù)的發(fā)展。本文通過對飛行器三維運動姿態(tài)的測量手段進行簡單分析，介紹了光學(xué)測量技術(shù)的原理與主要運用優(yōu)勢，希望對這一技術(shù)的成熟與發(fā)展有所幫助。

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