無人機(jī)機(jī)載載荷安裝位姿實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫雨，李寶安，馬驪群

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095；2.北京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究所，北京100091)

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無人機(jī)機(jī)載載荷安裝位姿實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫雨1，李寶安2，馬驪群1

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095；2.北京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究所，北京100091)

摘要：主要描述了一種快速6自由度測(cè)量系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)o人機(jī)遙測(cè)平臺(tái)上機(jī)載載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)安裝檢測(cè)，確保所有搭載的載荷都能實(shí)時(shí)調(diào)整到預(yù)定位置上。系統(tǒng)基于視覺測(cè)量原理，利用固定式多目標(biāo)光學(xué)靶的空間坐標(biāo)將物體的空間位置姿態(tài)的變化反演出來，實(shí)現(xiàn)物體的6D快速測(cè)量，其中角度測(cè)量重復(fù)性為0.05°，位置測(cè)量重復(fù)性為0.05 mm。

關(guān)鍵詞：機(jī)載載荷；多目標(biāo)；單目視覺

0引言

隨著機(jī)載平臺(tái)在測(cè)繪、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無人機(jī)平臺(tái)以其體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為對(duì)地觀測(cè)、遙感數(shù)據(jù)采集的重要手段。機(jī)載載荷是無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行單元，主要包括光電傳感器(CCD相機(jī)、紅外相機(jī)、激光測(cè)距儀等)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、慣性姿態(tài)測(cè)量器件(IMU)、位置控制單元(PCS)與全球定位系統(tǒng)(GPS)，其中IMU和PCS與GPS天線構(gòu)成位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POS)。機(jī)載載荷的安裝調(diào)整精度直接決定多種觀測(cè)數(shù)據(jù)融合的精度，即遙測(cè)結(jié)果的精度。然而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于外場(chǎng)環(huán)境下無人機(jī)機(jī)載載荷安裝測(cè)量方法大多是傳統(tǒng)的靜態(tài)方法，測(cè)量效率低下，尚無合適的測(cè)量?jī)x器能夠適用于無人機(jī)外場(chǎng)環(huán)境下對(duì)機(jī)載載荷的位置、姿態(tài)進(jìn)行快速在線測(cè)量。

為此，本文提出了一種基于機(jī)器視覺原理的無人機(jī)機(jī)載載荷多目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用自主研發(fā)的固定式多目標(biāo)光學(xué)靶通過主動(dòng)視覺的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)機(jī)載載荷位姿的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量，以保證機(jī)載載荷的安裝精度，提高無人機(jī)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)精度。

1系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以攝像機(jī)透視投影模型為基本理論基礎(chǔ)，利用POSIT算法[1]求解出光學(xué)目標(biāo)靶所在空間坐標(biāo)系相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移向量，進(jìn)而得到光學(xué)目標(biāo)靶的位置與姿態(tài)量。

有關(guān)攝像機(jī)透視投影模型國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量文獻(xiàn)可供參考[2-6]，本文中不再做具體推導(dǎo)，對(duì)算法所涉及的公式直接引用。為便于描述，對(duì)常用坐標(biāo)系進(jìn)行了如下定義(見圖1)，設(shè)OcXcYcZc為攝像機(jī)坐標(biāo)系，OoXoYoZo為物體坐標(biāo)系，Oixy為像平面坐標(biāo)系，Oiuv為計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系，OcOi的距離為攝像機(jī)成像鏡頭的有效焦距f。需要說明的是，以毫米為單位的像平面坐標(biāo)系與以像素為單位的計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系滿足以相機(jī)內(nèi)參數(shù)為參數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系，詳見文獻(xiàn)[7] ，文中為了便于直觀地表達(dá)投影透視關(guān)系，對(duì)于像平面中的投影點(diǎn)選用其像面坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，省略了描述轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)像面坐標(biāo)的步驟。

圖1　針孔攝像機(jī)模型

待求的位姿數(shù)據(jù)中包括物體坐標(biāo)系相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。

由透視投影比例關(guān)系可得

(1)

設(shè)物體坐標(biāo)系中的一點(diǎn)為P(Xo，Yo，Zo)，則由攝像機(jī)透視投影模型，可得

兩邊同時(shí)除以Tz，得到

(2)

為便于線性計(jì)算，將(2)式前兩行轉(zhuǎn)化成線性方程組形式，得迭代方程為

(3)

其中，迭代系數(shù)

(4)

POSIT算法的初始循環(huán)是假設(shè)目標(biāo)上的所有點(diǎn)在攝像機(jī)光軸方向的同一深度，即Zc=Tz，則初始循環(huán)中迭代系數(shù)w0=1。

令 K1=(sR11，sR12，sR13，sTx)T

K2=(sR21，sR22，sR23，sTy)T

方程組(3)中存在8個(gè)未知數(shù)，現(xiàn)若已知目標(biāo)上4個(gè)非共面點(diǎn)，即可求出K1，K2中的8個(gè)未知量。則sR1，sR2模長(zhǎng)可求，由于R1，R2均為單位向量，則有

攝像機(jī)焦距f為已知量，則有

Tz=f/s

又由于R為正交矩陣，則

R3=R1×R2

至此，旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T求出，完成初始循環(huán)運(yùn)算。

將初始循環(huán)所求的R3及Tz值代入方程(4)中，即可得到每個(gè)特征點(diǎn)新的迭代系數(shù)，記為wi，將其代入迭代方程組(3)，即可得到新的的向量K1，K2，進(jìn)而得到新的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri和平移向量Ti。如此循環(huán)4～5次即可收斂到一個(gè)精確的位置姿態(tài)量。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　技術(shù)要求

根據(jù)無人機(jī)機(jī)載載荷平臺(tái)的安裝精度要求，本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

x，y，z軸方向位置測(cè)量重復(fù)性：0.05mm；

角度測(cè)量重復(fù)性：0.05°；

適用測(cè)量距離：3~5m。

2.2　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由三大部分組成，即CCD攝像機(jī)、光學(xué)目標(biāo)靶和計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，見圖2。

圖2　系統(tǒng)組成示意圖

需要指出的是，理論上無人機(jī)中的IMU是所有任務(wù)載荷的安裝基準(zhǔn)，無人機(jī)工作之前，需要將光電傳感器零位、SAR雷達(dá)反射面法向以及其他機(jī)載載荷安裝面調(diào)整到與IMU基準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)位置上。為了適應(yīng)不同機(jī)載載荷外形結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)圖像識(shí)別速度，本系統(tǒng)采用了自主設(shè)計(jì)的主動(dòng)視覺立體目標(biāo)光學(xué)靶作為統(tǒng)一測(cè)量目標(biāo)，通過目標(biāo)光學(xué)靶的位姿數(shù)據(jù)直接反應(yīng)所固連的機(jī)載載荷的位置姿態(tài)。

2.3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光學(xué)目標(biāo)靶(以下簡(jiǎn)稱目標(biāo)靶)是本系統(tǒng)硬件重要的組成部分，相較于其他主動(dòng)視覺目標(biāo)，該目標(biāo)靶為L(zhǎng)型空間立體結(jié)構(gòu)，由于6個(gè)發(fā)光點(diǎn)為非共面位置關(guān)系，因此能夠有效保證在攝像機(jī)光軸方向(z軸方向)的測(cè)量精度。同時(shí)，為了具備目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量合適、抗噪性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便于安裝等特點(diǎn)，從如下4個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1)目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量

由前文系統(tǒng)原理部分可知，光學(xué)目標(biāo)靶必須存在至少4個(gè)非公面點(diǎn)才能保證求解出正確的位姿值。此外，為了保證適當(dāng)?shù)娜哂帱c(diǎn)個(gè)數(shù)，增加非共面點(diǎn)的個(gè)數(shù)并提高運(yùn)算精度，系統(tǒng)采用了6個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

2)目標(biāo)點(diǎn)的分布

目標(biāo)點(diǎn)分布依據(jù)的原則是3點(diǎn)不共線、4點(diǎn)不共面、點(diǎn)的包絡(luò)空間在平面和縱深方向比例一致。確保空間目標(biāo)點(diǎn)在各個(gè)坐標(biāo)方向上的不確定度水平一致。

若采用一般工業(yè)相機(jī)，在測(cè)量距離2~5m范圍內(nèi)，相機(jī)的成像尺寸約為200mm×200mm，因此所設(shè)計(jì)的目標(biāo)靶中目標(biāo)點(diǎn)的間隔應(yīng)大于成像尺寸的2/3，即目標(biāo)點(diǎn)包絡(luò)立體空間應(yīng)不小于120mm×120mm×120mm。結(jié)合前文目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量的選取原則，最終設(shè)計(jì)了L型立體光學(xué)目標(biāo)靶，如圖3所示。

圖3　L型立體光學(xué)目標(biāo)靶

3)目標(biāo)點(diǎn)的感光及抗噪特性

理想的目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)該明暗對(duì)比強(qiáng)烈，不同的視角下光斑形狀變化小，受背景光干擾小。為配合系統(tǒng)選用的紅外CCD相機(jī)，系統(tǒng)選用了抗噪能力較強(qiáng)的紅外LED發(fā)光點(diǎn)。

2.4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要功能包括如下4個(gè)方面：

1)人機(jī)交互功能。為操作者提供簡(jiǎn)單快捷的工作界面，以提高操作效率。

2)自動(dòng)識(shí)別功能。圖片中的亮點(diǎn)粗識(shí)別，提取出圖片中6個(gè)亮點(diǎn)所在的40×40個(gè)像素格范圍內(nèi)坐標(biāo)位置。

3)光斑中心提取功能。基于上一步粗識(shí)別出的亮點(diǎn)位置進(jìn)行精確中心位置計(jì)算。

4)圖像實(shí)時(shí)顯示功能。實(shí)時(shí)顯示光學(xué)目標(biāo)靶的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，以作為動(dòng)態(tài)調(diào)整的依據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本系統(tǒng)軟件工作流程圖見圖4。

圖4　系統(tǒng)流程圖

3光斑中心提取方法

3.1　精度仿真

根據(jù)前述機(jī)器視覺基本原理以及POSIT算法模型可知，攝像機(jī)經(jīng)標(biāo)定后，若已知其拍攝的單個(gè)物體上多目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值矩陣，即可求解出該物體相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的空間位置與姿態(tài)關(guān)系。且該模型引入的位置及角度偏差具有規(guī)律性，可以通過標(biāo)定比例系數(shù)以及數(shù)值補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正。因此，影響本系統(tǒng)測(cè)量精度的主要問題就在于圖像中光斑中心坐標(biāo)值提取的重復(fù)性是否滿足不確定度要求。

為得到系統(tǒng)所需要達(dá)到的光斑中心提取精度，進(jìn)行了像素精度估計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。利用系統(tǒng)攝像機(jī)在距離目標(biāo)靶5m處采集正視的圖像，取同一高度的兩光斑中心附近一點(diǎn)的坐標(biāo)值，其像素橫坐標(biāo)差值為781個(gè)像素格，實(shí)際間距為(160±5)mm，則其像素當(dāng)量為0.2。

圖5　精度仿真實(shí)驗(yàn)

因此，若要保證沿x軸、y軸方向的位置測(cè)量重復(fù)性不大于0.05mm，則圖像中心提取像素的重復(fù)性要不大于0.25。

3.2　光斑處理

在理想情況下，攝像機(jī)應(yīng)獲取的是邊緣清晰的圓形或橢圓形光斑，然而實(shí)際由于不可完全消除的光強(qiáng)、反射光及背景光干擾，常得到如圖6所示的不理想光斑，該光斑存在光影及光芒。針對(duì)這兩種常見噪聲，提出如下處理方法。

圖6　不理想光斑

3.2.1光影處理

首先對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割，選定最佳閾值參數(shù)。由于各光斑的光源、拍攝環(huán)境及光強(qiáng)相同，決定采用相同的閾值參數(shù)I對(duì)光斑進(jìn)行閾值分割。以圖6為例，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)I=0.7時(shí)，能夠完整地表達(dá)原圖中的高亮部分，并且又不包含過多無用輪廓，如圖7所示，因此本文以0.7為閾值參數(shù)。

圖7　不同閾值參數(shù)分割結(jié)果

3.2.2光芒處理

首先對(duì)二值圖像進(jìn)行邊緣點(diǎn)的檢測(cè)，對(duì)于得到的圖像邊緣進(jìn)行橢圓擬合[8]。

橢圓圖像曲線的一般表達(dá)式為

其中，a=[a，b，c，d，e，f]，

x=[x2，xy，y2，x，y，1]。

引入約束|a|2=1，建立如下函數(shù)：

式中：M為罰因子。利用牛頓-高斯法可以求解出a，則精確中心點(diǎn)(Xc，Yc)可求。即

擬合后的光斑中心提取位置如圖8所示。

圖8　橢圓擬合及其中心

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)關(guān)注的主要位置參數(shù)為x，y，z，α，β，γ，按照技術(shù)指標(biāo)要求，x軸、y軸、z軸方向位置測(cè)量重復(fù)性要求不超過0.05 mm，角度α，β，γ的測(cè)量重復(fù)性不超過0.05°。

重復(fù)性實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果一致性的重要途徑，在本系統(tǒng)中其重復(fù)性的高低直接反應(yīng)了光斑中心提取的精密度。因此進(jìn)行了9組與攝像機(jī)光軸呈不同夾角位置的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，角度值分別為0°，±5°，±10°，±15°，±20°，每個(gè)位置拍取10張圖片，并利用系統(tǒng)軟件對(duì)光學(xué)目標(biāo)靶相對(duì)于攝像機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1　重復(fù)性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，位置坐標(biāo)x，y，z測(cè)量重復(fù)性均不超過0.05 mm，姿態(tài)角α，β，γ的測(cè)量重復(fù)性均不超過0.05°，系統(tǒng)重復(fù)性良好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)反應(yīng)了中心提取精度達(dá)到預(yù)期要求。所做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所研究的理論模型以及測(cè)量系統(tǒng)的有效性。

5結(jié)束語

本文介紹了一種針對(duì)無人機(jī)平臺(tái)的機(jī)載載荷安裝調(diào)試位姿實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了自主研制的L型光學(xué)目標(biāo)靶，提高了沿光軸方向的測(cè)量精度；提出了一種高精度光學(xué)中心提取方法，能夠有效去除光影和光芒的影響。該系統(tǒng)能夠僅利用一臺(tái)紅外相機(jī)、一個(gè)光學(xué)目標(biāo)靶及一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成整套測(cè)量任務(wù)，具備便攜性能好、成本低等優(yōu)勢(shì)，具有良好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該無人機(jī)機(jī)載載荷安裝位姿實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)載荷的在線6自由度測(cè)量，在現(xiàn)有視覺位姿測(cè)量基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度，并實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的實(shí)時(shí)性。

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新書《聚焦超級(jí)核能》鎖定核輻射及其計(jì)量

本刊訊：2011年3月11日，日本大地震、海嘯引發(fā)的核泄漏事件吸引了全世界對(duì)核安全的關(guān)注，人們不得不再次對(duì)核能的研發(fā)和利用進(jìn)行全面的思考。為了讓更多的讀者了解核方面的知識(shí)和發(fā)展現(xiàn)狀，了解核輻射的來源、特點(diǎn)、危害和防護(hù)，作者容超凡(國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站原副站長(zhǎng))歷時(shí)兩年編著了《聚焦超級(jí)核能》一書，現(xiàn)已由北京出版社出版，全國(guó)新華書店經(jīng)銷。此書是北京市科技協(xié)會(huì)組織編寫的系列科普叢書"科學(xué)家在做什么"中的一個(gè)分冊(cè)，全書共4章，其中第3章詳細(xì)介紹了核輻射的準(zhǔn)確測(cè)量問題，從核輻射測(cè)量什么、核輻射與物質(zhì)的相互作用、測(cè)量所用設(shè)備、測(cè)量?jī)x器的檢定和校準(zhǔn)、測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確表述等方面做了通俗易懂的講解，閱讀這本書，對(duì)于從事計(jì)量測(cè)試技術(shù)的科研人員定能有所收獲。

Attitude Measurement System Design for UAV Airborne Loads

SUN Yu，LI Baoan，MA Liqun

(1.Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China；2.Unmanned

Aircraft Design Institute，Beihang University，Beijing 100091，China)

Abstract：An efficient 6-dimension measurement system which apply to real-time attitude measurement of unmanned aerial vehicletelemetry platform assembling is introduced in this paper，including hardware and software designment.The system is based on machine vision principle，and invert variation of attitude through a multiple target to achieve airborne loads’ 6-dimension measurement.Angle measurement uncertainty is 0.05°，posion measurement uncertainty is 0.05°.

Key words：airborne load；multiple targets；mono-vision.

作者簡(jiǎn)介：孫雨(1988-)，女，碩士研究生，研究風(fēng)向?yàn)橐曈X測(cè)量及大尺寸校準(zhǔn)；李寶安(1962-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)闇y(cè)試與計(jì)量技術(shù)；馬驪群(1965-)，女，研究員，博士，主要從事幾何量測(cè)試與校準(zhǔn)技術(shù)研究工作。

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012ZD51044)

收稿日期：2015-05-29；修回日期：2015-08-24

中圖分類號(hào)：TB92；TH71；V279

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5795(2015)05-0035-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.08