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高速运动目标多维姿态视觉测量关键技术研究

马鑫  
【摘要】:航空领域中的核心作业装备大多要求具有高速运动能力,为了使这些核心作业装备在高速、失重、强流场干扰等复杂环境下仍能保证高加速度、高机动、多维运动可控等良好性能,需对这些运动目标位置和姿态进行高精度、高鲁棒性的测量。例如为了提升新一代高速飞行器的挂载能力,我国展开了高速飞行器载荷稳定悬挂与安全投放等研究工作。但载荷与飞行器分离过程中由于高速流场的扰动干扰,投放后的载荷可能出现无法脱离,甚至分离后直接撞向母机的危险。所以为了优化高速飞行器投放系统的结构与性能,降低安全事故的风险,风洞模拟实验成为了一种尤为重要的手段。在风洞模拟实验中为了获取飞行器投放载荷的分离特性,需在风洞复杂环境中实现分离后高速运动目标的六维位姿信息的高精度测量。视觉测量以其环境适应性强、测量非接触、测量频响高等优点被广泛应用于风洞实验位姿测量当中,但是由于风洞环境具有强流场干扰、低照度、空间狭小、强振动等特点,被测目标具有体积小、运动速度快、运动空间大等特点,导致风洞复杂环境下高速运动目标位姿信息的高速、高精度、大范围、多维度视觉测量十分困难,严重制约了我国高速飞行器挂载与作战能力的提升。针对以上难题,展开的具体内容如下:(1)由于复杂风洞环境具有漆黑狭小、振动强烈、强气流扰动等特点,所以在复杂风洞环境下很难获取高速运动目标的高质量图像信息。针对以上问题提出一种蕴含目标位姿信息的复杂环境高速序列图像采集方法,揭示入射光线角度对微玻璃珠混合材料成像质量的影响规律,实现了强振动、狭小空间下小型高速运动目标图像的高速采集;提出了探测目标表面的微玻璃珠混合材料标记点附着与定位技术,实现了特征图案在被测目标表面的准确定位与附着,且特征图案厚度仅为60微米,对被测目标周围的流场分布影响较小;采用基于图像信噪比的三维空间高速序列图像质量评价方法,对基于滚动印刷逆反光材料的图像采集方法进行图像质量评价,结果表明:此方法在风洞环境下超高速采集序列图像的信噪比均高于3,满足后期测量要求,为复杂环境高速目标的动态测量奠定了基础。(2)针对复杂环境测量光路多介质导致的目标成像畸变大、严重影响测量精度的难题,建立复杂跨介质环境下摄像机多折射成像模型,提出跨介质环境下双目立体视觉测量理论,并研究跨介质模型下两相机成像的空间约束关系。以此为基础,提出了基于平面靶标的跨介质环境下视觉传感器的分步标定技术,实现了视觉传感器现场高精度标定,实验结果表明:相较现有视觉线性成像模型,应用跨介质多折射成像模型在风洞现场对视觉系统进行标定,精度有明显提高。(3)针对高速多维目标成像序列图像数据量大、图像特征不明显导致的图像处理准确性低、难度大等问题,研究高速运动目标六维位姿信息图像还原方法。首先针对高速运动目标感兴趣特征成像面积小、形状以及灰度特征不明显等问题,提出基于运动轨迹的图像特征匹配方法,该方法匹配精度高、匹配速度快;针对被测物体自身滚转造成的目标图像形式多变等问题,并提出基于空间编码的合作标记点识别方法;针对高速运动目标位姿测量过程中被测目标表面特征点形变量大、镜头畸变大、超高速相机分辨率低等因素所导致的位姿测量系统精度低的问题,提出了基于先验知识模型的高速运动目标位姿参数优化方法,实验室内测量系统的精度验证结果表明:优化后的位姿测量精度比未优化前测量精度提高了 33%,确保了高速运动目标位姿测量系统的测量精度与稳定性。最后,以上述关键技术为基础搭建高速目标多维位姿信息动态高精度视觉测量系统,此视觉系统的位置测量RMS(均方根)误差小于0.103mm,俯仰、偏航角度测量RMS误差小于0.107°,滚转角度测量RMS误差小于0.65°,测量频率可达5000Hz,测量范围为800mm×800mm×300mm;进而进行风洞环境下高速运动目标位姿测量实验研究,首先利用测量系统完成了跨声速、超声速气流条件下初始速度8m/s小型目标的六维位姿测量,然后实现亚声速气流条件下初始速度2m/s大滚转角类目标六维位姿的测量。测量结果表明测量系统测量速度快、测量结果稳定、系统鲁棒性高。


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