張亞葛，胡小英

（西安工業(yè)大學，陜西 西安 710021）

0 引言

空中投放以其準確性、突然性、遠程機動等特點，成為各國在應對各種危機以及突發(fā)事件中優(yōu)先使用的手段?？胀犊战凳侵笍倪\輸機上投放并使用降落傘等將相關人員和重要物資投送到目標地點的一種技術。運輸機的空投空降系統(tǒng)試飛科目，需要關注飛機各艙門的開啟關閉狀態(tài)。在運輸機空投裝備或大量貨物時，容易導致飛機質心位置連續(xù)后移，重心可能會超過全機焦點，將使飛機穩(wěn)定裕度減小，飛行品質和操縱特性發(fā)生很大變化。因此，在運輸機空投飛行中要保證飛行的安全，需要考慮貨物的移動軌跡與運動速度。同時，貨物出艙速度也會影響空投的精確度。

目前，試飛測試影像測量方法主要有光電經緯儀交會測量和攝影相機交會測量。光電經緯儀體積較大，適用于在地面測量飛機的航跡參數。攝影相機交會測量應用于物品投放等空中試飛科目，相機安裝位置距離目標有足夠的縱深，采用兩臺相機進行雙站交會測量就可以滿足測量需求。

1 測量系統(tǒng)設計

1.1 測量場構建

飛機艙內可供相機機械安裝的位置有艙前壁、艙左右側壁等，且高度不能高于艙內吊車軌道。相機安裝位置距離待測量貨物較近，最近距離僅為1 ～2 m，而貨物移動待測軌道長度則較大，待測視場范圍廣。要測量貨物的三維移動軌跡，應采用8-高分辨率攝影相機組合交會進行攝影測量。艙內相機分布及各相機視場范圍示意，如圖1 所示。

圖1 艙內相機分布及各相機視場范圍

圖1中，1號相機與3～5號相機進行交會測量，2 號相機與6 ～8 號相機進行交會測量，測量區(qū)域覆蓋全部貨艙貨物的移動軌道。

1.2 系統(tǒng)設計

測量系統(tǒng)包括8 部高分辨率測量攝影相機、2 臺高分辨率視頻信號采集記錄器，測量原理如圖2所示。高分辨率測量攝影相機用于獲取貨物運動的視頻，高分辨率視頻記錄器用于記錄視頻數據，視頻數據與機載全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）時間同步，視頻數據經網絡傳輸至脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）編碼下傳[1]。

圖2 高分辨率測量原理

2 測量方法

2.1 相機的標校

攝影相機的精確標校在工程應用中一般分為內標定和外標定兩個過程?？胀敦浳矬w積較大，在移動過程中會出現測量相機只能覆蓋部分貨物表面的情況。為了確保被覆蓋貨物表面具有測量標志，需要在貨物四周粘貼編碼標志點，每個編碼標志點使用全站儀標定坐標。在8-高分辨率攝影相機組合交會測量場內，每件貨物具有單獨的可區(qū)分的編碼標志組合。在貨物移動過程中，每段交會測量場內拍攝的貨物標志與前后測量場內的貨物標志有較好的連續(xù)性[2]。

2.2 數字影像標志點圖像判讀

2.2.1 自動判讀流程

為了提高測量精度，需要實現亞像素的圖像判讀，由于獲取的圖像較多（通常每次測量達到幾千幀），還需要實現自動判讀的功能。標志點判讀流程如圖3 所示。

圖3 標志點判讀流程

2.2.2 序列圖像標志點跟蹤精確定位

在基于特征點的相機標定技術中，對標志點位置的精準檢測直接影響最后的計算精度，因此該檢測精度是攝影測量中的關鍵性問題。依次通過圖像處理、標志點定位和編碼點識別，獲取編碼點的編碼和標志點中心的圖像坐標，作為后續(xù)計算的基礎[3]。

2.2.3 復雜背景條件下的圖像處理方法

編碼標志點的定位過程主要包括灰度化、二值化、邊緣提取和中心坐標計算。對于復雜環(huán)境條件下的編碼標志，需要研究有效的二值化算法，準確區(qū)分背景與目標。針對該測量場，擬采用以下3 種方法最大限度提高目標提取的精確度[4]。第一，背景簡化方法。采用接近編碼標志背景色的布或其他材料覆蓋貨艙內背景復雜的區(qū)域，操作難度大，對飛行的影響有待評估，不能全區(qū)域覆蓋。第二，視場規(guī)避方法。對視場進行調節(jié)，規(guī)避容易引起誤判的背景近景拍攝。第三，算法優(yōu)化。采用區(qū)域二值化算法分割圖像，為每個區(qū)域選取最優(yōu)閾值。

3 試驗驗證

3.1 模擬測量場構建

模擬測量場由3 臺高分辨率攝影相機與1 臺高分辨率視頻采集記錄器組成，相機布置于高處拍攝貨物，拍攝角度為40°～60°，拍攝位置與拍攝角度均模擬機上實際情況。1 號相機分別與2 號、3 號相機構成交會測量場，地面放置紙箱作為模擬貨物，在其四周表面粘貼編碼標志，同時在地面粘貼編碼標志作為消抖控制點[5]。

3.2 測量相機標校

采用編碼標志標校架在各相機視場內進行旋轉移動，標校測量場內相機的內方位元素，標定結果見表1。

表1 測量場各相機內方位元素標定結果

3.3 數據處理

推動紙箱若干次以獲得實驗數據，經數據判讀與計算后得到模擬貨物的運動參數數據。由于在地面移動，設Y方向位移為零。模擬投放物軌跡如圖4 所示。

圖4 模擬投放物軌跡

3.4 精度分析

3.4.1 誤差源分析

影響測量精度的主要因素有測量相機的安裝位置、相機與機體的連接穩(wěn)定性、相機消抖計算誤差、基準坐標校準誤差、相機檢校誤差和影像標志點提取誤差。在相機安裝布局時，盡量保證交會角相對較大，這樣有利于提高測量精度。同時，保證相機與機體之間的安裝精度及剛度，減少相機與機體之間的相對位移，消抖控制基準點目標的數量、分布區(qū)域大小以及基準本身的穩(wěn)定性等將對最終的結果產生影響[6]。

試驗中通過相機獲得被測部件的運動影像，需要進行事后的影像標志點精確提取和解算，得到各標志點的影像坐標。由于標志點的提取坐標誤差會對最終的測量結果產生影響，實際測量解算中采用亞像素中心點的提取方法，能夠實現小于1 個像素的精確判讀，在進行精度估計時可假設判讀誤差為1 個像素[7]。

3.4.2 測量精度估算

從計算結果中隨機抽取幾個編碼標志點的坐標，對它們進行點-點的距離計算，然后對比全站儀的測量結果，獲得位移誤差。通過計算，最大誤差為1.5 mm。飛行試驗中圖像像素當量放大3 倍，考慮部分標定誤差、人為誤差等因素后，實際測量精度優(yōu)于5 mm，滿足空投貨物運動參數的測量需求。

4 結語

根據某型飛機貨物空投運動參數的測量需求，分析測量目標特性，建立8-高分辨率攝影相機組合交會測量場，研究了測量場基于組合標定的攝像機位姿解算方法，并對測量理論進行試驗驗證與精度分析。結果證明，該測量方法可以滿足空投貨物運動參數的測量需求。