基于線陣CCD的空間目標外姿態(tài)測量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、姿態(tài)測量廣泛的應(yīng)用于航空、航天、軍工及民用的各個領(lǐng)域，對于具體應(yīng)用的不同，對姿態(tài)的描述也不盡相同，主要的方式有兩種。一種是用其縱軸相對于某固定參考坐標系的轉(zhuǎn)動角來進行描述，是一種絕對意義上的姿態(tài)，另一種則是用本體坐標系相對于參考坐標系作旋轉(zhuǎn)變換的一組歐拉姿態(tài)角作描述，是相對意義上的姿態(tài)。姿態(tài)測量也就是對姿態(tài)角的測量。針對傳統(tǒng)的基于面陣圖像傳感器的姿態(tài)測量方法多存在著速度和精度的矛盾，不利于滿足實時性測量的要求，我們提出了一種多線陣CCD

2、組合的姿態(tài)測量方法。
　　三個捕捉不同方向信息的線陣CCD和柱面透鏡構(gòu)成的一維成像單元的組合可以實現(xiàn)對空間點目標的三維坐標重構(gòu)，我們把這樣的系統(tǒng)稱之為點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)，采用3套點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)分別實時捕捉分放于被測物體兩端面上的3個點合作目標，就可以實現(xiàn)對兩種不同意義上的姿態(tài)角的測量。采用可見光內(nèi)不同波段的 LED作為點合作目標，分別與點目標重構(gòu)光學子系統(tǒng)中相應(yīng)波段的濾光片相呼應(yīng)，解決了多攝像機與多點合作目標一一對

3、應(yīng)時的干擾問題。設(shè)計了新的光學構(gòu)架，有利于測量精度的提高并節(jié)省了測量空間。采用多DSP并行處理和ARM-Linux為主控單元的嵌入式控制平臺，易于實時處理的同時還有利于向商品化轉(zhuǎn)型。對于不同物理意義上的兩種姿態(tài)角，分別建立了它們的數(shù)學模型，并給出了合作目標的布置準則。
　　基于三個捕捉不同方向信息的線陣CCD和柱面透鏡構(gòu)成的一維成像單元的組合用于實現(xiàn)對空間點目標的三維坐標定位的相關(guān)技術(shù)研究，我們稱之為三線陣CCD定位技術(shù)。針對現(xiàn)有

4、研究成果中尚存的一些問題，我們進行了細致而深入的研究。對于柱面透鏡及組合柱面鏡頭，針對其畸變表達式并沒有像基于球透鏡像差理論那樣的經(jīng)典公式可以借鑒，提出了一種確定結(jié)構(gòu)已知的復雜（非球面）鏡頭畸變表達式的新方法；針對其垂直子午面內(nèi)同平透鏡的成像關(guān)系亦沒有像描述球透鏡物像關(guān)系的高斯公式可以作借鑒，確定了其在水平子午面內(nèi)成像的畸變與垂直子午面方向上經(jīng)同焦距、視場的球透鏡的理想像點位置間的關(guān)系表達式。
　　采用非線性畸變系數(shù)和攝像機參數(shù)分

5、開的兩步法進行校準。由于構(gòu)成點目標三維坐標重構(gòu)子系統(tǒng)各一維成像單元非線性成像模型中含有在與線陣CCD垂直方向上經(jīng)同焦距、視場的球透鏡所獲得的理想像點的位置信息，為此，我們構(gòu)建了該方向上的線性DLT成像模型，以實現(xiàn)在校準和測量過程中對非線性畸變參數(shù)的修正。7個l系數(shù)的DLT方程可以確定攝像機在參考坐標系下的8個內(nèi)外參數(shù)，其中的一個位置分量是任意的，因此在進行坐標重構(gòu)時，該位置的不確定性有時會導致解的發(fā)散，引入重構(gòu)子系統(tǒng)各一維像機間的相互位

6、置關(guān)系，可以獲得三維坐標重構(gòu)的穩(wěn)定解。采用基于非線性補償?shù)?DLT成像模型實現(xiàn)了多視覺傳感器測量時局部校準和全局校準的統(tǒng)一?？紤]到合作目標在線陣CCD上的成像特性，加權(quán)質(zhì)心的定位方法被采用。
　　參照國外同類產(chǎn)品，對各坐標重構(gòu)子系統(tǒng)中3個一維攝像機間的相互擺放位置與測量空間的關(guān)系、測量空間內(nèi)總體參考坐標系下被重構(gòu)點目標在各坐標軸方向上所對應(yīng)空間分辨率的關(guān)系進行了研究，為設(shè)計和應(yīng)用提供了依據(jù)。參照用于校準二維攝像機 DLT成像模型參