基于靶標(biāo)的火箭炮位姿視覺測(cè)量方法研究

梁 熙，楊長(zhǎng)浩，葛世程，李學(xué)霖，高光民，李 軍，李永澤，馮高鵬

(1 中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；3 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

箱式火箭炮采用彈藥箱式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多彈種的共平臺(tái)發(fā)射。由于發(fā)射箱的質(zhì)量大,通常其轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝和裝填是依靠彈藥裝填車的裝填機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的[1]。在采用繩索和吊帶吊裝時(shí),裝填過程需要借助于人工輔助,裝填效率低。為了解決該問題,目前多采用剛?cè)峤Y(jié)合裝填機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)射箱與地面、發(fā)射箱與彈藥運(yùn)輸車、火箭炮與彈藥運(yùn)輸車之間的快速自動(dòng)裝填,但實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)對(duì)接,裝填系統(tǒng)需要知道火箭炮與裝填車的相對(duì)位置姿態(tài)信息,用于計(jì)算裝填機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[2]。火箭炮和彈藥裝填車之間的位置姿態(tài)包括相互之間的距離和角度。具體來說,停車點(diǎn)位可以造成兩車之間的相對(duì)距離和角度,地面不平或者存在坡度是引起相對(duì)角度的重大因素。

視覺位姿測(cè)量技術(shù)具有實(shí)時(shí)、非接觸測(cè)量以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。目前,對(duì)使用靶標(biāo)進(jìn)行視覺位姿測(cè)量方法的研究較為廣泛和成熟,主要集中在靶標(biāo)設(shè)計(jì)、特征提取、位姿解算方法、位姿解算誤差等方面[3-10]。文中使用視覺位姿測(cè)量方法不僅可以得到裝填車與火箭炮車之間的精確位姿關(guān)系,并且采用具有準(zhǔn)確位置的特征點(diǎn)的特征標(biāo)志作為靶標(biāo),這種特征標(biāo)志具有特征點(diǎn)提取簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)位姿視覺測(cè)量的要求,特征標(biāo)志需要具有特征點(diǎn)易于檢測(cè)識(shí)別和特征點(diǎn)的排序結(jié)果準(zhǔn)確且唯一。黑白棋盤格在位姿視覺測(cè)量中使用廣泛,但是它在相對(duì)偏轉(zhuǎn)角度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)得到的特征點(diǎn)排序混亂,無法用于位姿視覺測(cè)量求解[11-12]。因此,一種可靠并且自動(dòng)的角點(diǎn)識(shí)別與排序方法成為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)位姿視覺測(cè)量方法的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)經(jīng)典黑白棋盤進(jìn)行了改進(jìn),文獻(xiàn)[13]通過在黑白棋盤中增加沙漏狀圖形來減小由圖像幾何形狀變化帶來的影響;文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種以漸進(jìn)圓形為特征的平面標(biāo)定模板。但是當(dāng)這些標(biāo)定模板圖像相對(duì)相機(jī)光軸的旋轉(zhuǎn)角度過大時(shí),上述方法檢測(cè)得到的特征點(diǎn)依然會(huì)出現(xiàn)排序混亂的情況。

文中提出了一種基于新型特征標(biāo)志的視覺位姿測(cè)量方法。通過在經(jīng)典黑白棋盤格上添加標(biāo)志圓形成一種新型特征標(biāo)志,解決了黑白棋盤格在大角度偏轉(zhuǎn)下特征點(diǎn)排序混亂且不唯一的問題,然后設(shè)計(jì)了標(biāo)志圓檢測(cè)算法以及在Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上利用角點(diǎn)檢測(cè)模板去除非棋盤格角點(diǎn)的特征點(diǎn)提取算法,并且根據(jù)特征標(biāo)志上特征點(diǎn)的分布規(guī)律設(shè)計(jì)特征點(diǎn)的排序算法,實(shí)現(xiàn)了特征點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別與排序。

在視覺位姿測(cè)量的過程中,通常假設(shè)起落架是剛體,因此只需要一個(gè)特征標(biāo)志就可以得到起落架的位置與姿態(tài)。但在實(shí)際情況中,火箭炮起落架并非理想剛體,會(huì)在重力的作用下產(chǎn)生微小的彈性變形,因此需要分析這一微小變形對(duì)位姿測(cè)量的精度的影響。文中使用有限元方法得到起落架在不同載荷下的變形情況,進(jìn)而得到其對(duì)位姿測(cè)量造成的誤差大小。為了減小起落架變形帶來的誤差的干擾,需要根據(jù)其變形情況尋找一個(gè)減小變形干擾最合適的位置安裝特征標(biāo)志。

1 特征標(biāo)志設(shè)計(jì)與識(shí)別

1.1 特征標(biāo)志設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型特征標(biāo)志如圖1所示,它由一個(gè)黑色標(biāo)志圓和一個(gè)6×8的黑白棋盤格所組成。黑色標(biāo)志圓的圓心作為整個(gè)特征標(biāo)志的定位點(diǎn)和排序時(shí)的原點(diǎn),黑白棋盤格內(nèi)部的角點(diǎn)作為整個(gè)特征標(biāo)志的特征點(diǎn)。經(jīng)典棋盤格的角點(diǎn)分布具有對(duì)稱性,因此在棋盤格旋轉(zhuǎn)時(shí)排序結(jié)果會(huì)產(chǎn)生變化。但是在新型特征標(biāo)志中,定位點(diǎn)與特征點(diǎn)相互配合,破壞了原有角點(diǎn)分布的對(duì)稱性,每個(gè)角點(diǎn)都與定位點(diǎn)有著唯一的位置關(guān)系,從而解決了因?yàn)榻屈c(diǎn)分布對(duì)稱性使得黑白棋盤格在大角度偏轉(zhuǎn)下特征點(diǎn)排序混亂出錯(cuò)的問題。同時(shí),標(biāo)志圓在特征標(biāo)志發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),其在圖像平面的投影是橢圓,橢圓的橢度和軸向可以輔助進(jìn)行位姿測(cè)量,提升位姿測(cè)量的精度。

圖1 新型特征標(biāo)志Fig.1 New feature mark

1.2 特征點(diǎn)提取

1.2.1 橢圓檢測(cè)

使用基于邊界聚類的橢圓檢測(cè)方法從邊界圖提取圓弧,再經(jīng)過濾、聚類,最終用最小二乘法擬合出橢圓[15-16]。圖2為基于邊緣聚類的橢圓檢測(cè)過程示例圖。首先使用Canny邊緣檢測(cè)來檢測(cè)圖中的各個(gè)邊界點(diǎn),將邊界點(diǎn)連接起來形成細(xì)小的邊界列。然后進(jìn)行線段擬合,即用折線代替原來的圓弧。使所有線段列的旋轉(zhuǎn)方向保持統(tǒng)一,再根據(jù)曲率和凸性分割出橢圓弧段。得到橢圓弧段后還需要進(jìn)行圓弧聚類,即將屬于同一橢圓但是分開的兩條或多條橢圓弧進(jìn)行聚類[16]。使用最小二乘法進(jìn)行橢圓擬合得到候選橢圓,對(duì)候選橢圓進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)證,剔除質(zhì)量不高的橢圓,最終得到符合要求的橢圓。

圖2 基于邊界聚類的橢圓檢測(cè)過程示例圖Fig.2 Example diagram of ellipse detection process based on boundary clustering

1.2.2 角點(diǎn)初定位

使用Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)棋盤格角點(diǎn)。但使用Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)角點(diǎn)時(shí)經(jīng)常會(huì)檢測(cè)到多個(gè)非棋盤格角點(diǎn)。為了去除這些非棋盤格角點(diǎn),文中參考Geiger等提出的基于生長(zhǎng)的棋盤格角點(diǎn)檢測(cè)方法[17]在Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)。

在實(shí)際情況中,棋盤格存在平移、偏轉(zhuǎn)等情況,為此建立了兩套檢測(cè)模板用以檢測(cè)棋盤格角點(diǎn),這兩套角點(diǎn)檢測(cè)模板如圖3所示。

圖3 棋盤格角點(diǎn)檢測(cè)模板Fig.3 Checkerboard corner detection template

圖3中圖(a)～圖(d)適用于與坐標(biāo)軸平行的棋盤格原型,圖(e)～圖(h)適用于與坐標(biāo)軸成45°角的棋盤格原型。根據(jù)這兩套角點(diǎn)檢測(cè)模板可以計(jì)算出像素點(diǎn)與角點(diǎn)的相似程度,由此建立一個(gè)相應(yīng)的角點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)C,該函數(shù)定義如下:

(1)

由角點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)C的定義可知,當(dāng)4個(gè)卷積核中任何一個(gè)的響應(yīng)值比較小時(shí),C的值就會(huì)很小,因此,根據(jù)設(shè)定的閾值可以將非棋盤格角點(diǎn)濾除。

1.2.3 亞像素級(jí)角點(diǎn)定位

以上算法得到的棋盤格角點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)值都是整數(shù),但是實(shí)際上棋盤格角點(diǎn)的坐標(biāo)通常不是整數(shù),而是在整數(shù)值像素點(diǎn)的附近。因此,為了得到更精確的角點(diǎn)定位,需要進(jìn)行亞像素級(jí)角點(diǎn)定位[18]。假設(shè)c點(diǎn)是理想的棋盤格角點(diǎn)位置,p點(diǎn)則是c點(diǎn)的鄰域內(nèi)的一個(gè)像素點(diǎn),gp是p點(diǎn)的圖像灰度梯度矩陣,則亞像素級(jí)的棋盤格角點(diǎn)坐標(biāo)位置為:

(2)

1.3 特征點(diǎn)排序

檢測(cè)出黑色標(biāo)志圓圓心和黑白棋盤格的角點(diǎn)后,需要按照其分布規(guī)律設(shè)計(jì)排序規(guī)則以便實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的自動(dòng)排序。規(guī)定特征標(biāo)志上的特征點(diǎn)的排列順序如圖4所示。根據(jù)特征點(diǎn)的排列規(guī)則,可以得到特征點(diǎn)的排序方法:

圖4 特征點(diǎn)的排列順序規(guī)定Fig.4 Arrangement order of feature points

1)以黑色標(biāo)志圓的圓心作為排序時(shí)的原點(diǎn),由它與另外7個(gè)特征點(diǎn)組成的一條直線就是新型特征標(biāo)志最上面一行即第1行所在直線,這些特征點(diǎn)按照與原點(diǎn)的距離由短到長(zhǎng)依次設(shè)為1號(hào)、6號(hào)、11號(hào)、16號(hào)、21號(hào)、26號(hào)、31號(hào)。

2)擁有5個(gè)特征點(diǎn)而且與第1行所在直線垂直的直線所在行即是棋盤格的各列,并按照與第1行交點(diǎn)的不同分別設(shè)為第1列～第7列。

3)對(duì)每一列上的特征點(diǎn)按照其到本列與第1行的交點(diǎn)的距離進(jìn)行排序,其序號(hào)如圖4所示。

2 起落架變形對(duì)測(cè)量精度影響分析

通過特征標(biāo)志的位姿參數(shù)可以得到起落架相對(duì)于裝填車的位姿參數(shù),但是實(shí)際上火箭炮起落架有微小的彈性變形,文中使用有限元方法得到起落架在不同載荷下的變形情況,進(jìn)而分析它們對(duì)位姿測(cè)量精度造成的影響。火箭炮起落架的有限元模型如圖5所示。根據(jù)起落架上可能存在的不同載荷分布情況,可以得到起落架有限元分析的3種工況:空載工況、偏載工況、滿載工況。其中空載工況下起落架上不放置發(fā)射箱;偏載工況下起落架左側(cè)放置發(fā)射箱(含4發(fā)彈),右側(cè)不放置發(fā)射箱;滿載工況下起落架上放置兩箱發(fā)射箱(共含8發(fā)彈)。通過有限元分析得到火箭炮起落架在不同工況下的彈性變形情況后,進(jìn)而根據(jù)起落架的變形位移分析其對(duì)測(cè)量精度的影響。

圖5 箱式火箭炮起落架模型圖Fig.5 Model diagram of landing gear of box rocket launcher

空載工況下鉛垂方向位移云圖如圖6所示,空載時(shí)的起落架最大變形位移為-0.47 mm,最小變形位移為-0.26 mm。

圖6 空載工況下鉛垂方向位移云圖Fig.6 Displacement cloud diagram in the vertical direction under no-load conditions

滿載工況下鉛垂方向位移云圖如圖7所示,滿載時(shí)的起落架最大變形位移為-13.75 mm,最小變形位移為1.53 mm。

圖7 滿載工況下鉛垂方向位移云圖Fig.7 Displacement cloud diagram in the vertical direction under full load conditions

偏載工況下鉛垂方向位移云圖如圖8所示,偏載時(shí)起落架左側(cè)最大變形位移為-9.74 mm,最小變形位移為-0.57 mm。偏載時(shí)起落架右側(cè)最大變形位移為-5.19 mm,最小變形位移為1.80 mm。

圖8 偏載工況下側(cè)視鉛垂方向位移云圖Fig.8 Displacement cloud diagram in the vertical direction from side view under eccentric load conditions

根據(jù)起落架變形數(shù)據(jù),可以計(jì)算得到起落架變形引起的角度變化如下:空載時(shí)產(chǎn)生的角度變化為0.003°,滿載時(shí)產(chǎn)生的角度變化為0.21°,偏載時(shí)產(chǎn)生的角度變化為0.13°。視覺位姿測(cè)量方法整體角度誤差均值為0.22°,與視覺位姿測(cè)量算法的誤差相比較,起落架變形產(chǎn)生的角度變化較小并在視覺位姿測(cè)量方法的角度誤差范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為起落架變形對(duì)位姿測(cè)量的結(jié)果造成的影響較小。

為進(jìn)一步減小起落架變形帶來的誤差干擾,根據(jù)其變形情況尋找一個(gè)變形干擾最小的位置安裝特征標(biāo)志。根據(jù)起落架的變形情況,將特征標(biāo)志的安裝位置初步設(shè)置在起落架的中部區(qū)域。基于滿載時(shí)起落架右側(cè)的彈性變形位移曲線與偏載時(shí)起落架左右兩側(cè)的彈性變形位移曲線十分近似,因此通過滿載狀態(tài)下的起落架右側(cè)的彈性變形位移曲線尋找最佳安裝位置。

從起落架后端到前端依次間隔一定距離取點(diǎn),根據(jù)這些點(diǎn)(sercial No.,SN)在起落架上的不同分布位置,可以將這些點(diǎn)分為兩部分并分別進(jìn)行直線擬合。從起落架后端開始的SN1～SN23點(diǎn)得到的擬合直線如圖9(a)所示,SN23～SN44點(diǎn)得到的擬合直線如圖9(b)所示。

圖9 滿載狀態(tài)下火箭炮起落架不同部分的擬合直線Fig.9 Fitting straight lines of different parts of rocket landing gear under full load

對(duì)滿載狀態(tài)下的火箭炮起落架中部、后部取到的第1號(hào)～第23號(hào)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合,得到的擬合直線的函數(shù)表達(dá)式為:

y=-0.00271x+1.6088

(3)

對(duì)滿載狀態(tài)下的火箭炮起落架前部、中部取到的第23號(hào)～第44號(hào)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合,得到的擬合直線的函數(shù)表達(dá)式為:

y=-0.00255x+5.76792

(4)

兩條擬合直線的交點(diǎn)坐標(biāo)為(1 631.03 mm,-2.81 mm),說明距離火箭炮起落架后端1 631.03 mm處即為火箭炮起落架前后兩部分彈性變形區(qū)域的交界處。取這一區(qū)域?yàn)樽罴训奶卣鳂?biāo)志安裝與觀測(cè)位置。為簡(jiǎn)單方便,將文中尋找的最佳特征標(biāo)志安裝與觀測(cè)位置與火箭炮起落架后端之間的距離取整設(shè)置為1 630 mm。

綜上所述,文中設(shè)置兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)并且分別將這兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在火箭炮起落架左右兩側(cè)距離后端1 630 mm處。在此位置可以很方便地由觀測(cè)點(diǎn)處特征標(biāo)志的位置與姿態(tài)信息和起落架變形規(guī)律推導(dǎo)出起落架上鎖緊孔的位置與姿態(tài)信息。

火箭炮起落架上特征標(biāo)志的安裝位置如圖10所示,圖中特征標(biāo)志上的小紅點(diǎn)為靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn),也就是棋盤格左上方的第一個(gè)角點(diǎn)。

圖10 火箭炮起落架上特征標(biāo)志安裝位置Fig.10 Installation position of feature mark on rocket landing gear

3 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

3.1 算法精度實(shí)驗(yàn)

位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)需要將經(jīng)過標(biāo)定的相機(jī)固定并保持相機(jī)參數(shù)不變,然后將靶標(biāo)放置在相機(jī)前方3 000 mm處拍照,位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景示意圖如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置與場(chǎng)景示意圖Fig.11 Experimental device and scene diagram

使用MATLAB相機(jī)標(biāo)定工具箱標(biāo)定相機(jī)后處理靶標(biāo)照片,靶標(biāo)照片的重投影平均誤差為0.47 mm,滿足使用要求,標(biāo)定值可以接受。使用文中算法處理靶標(biāo)照片,得到靶標(biāo)照片的位置與姿態(tài)參數(shù)。將算法得到的位姿參數(shù)與標(biāo)定值進(jìn)行做差,然后將偏差值按照序號(hào)依次顯示在圖上。如圖12所示,分別為各序號(hào)點(diǎn)(SN)位姿參數(shù)的偏差值。

圖12 各位姿參數(shù)偏差值Fig.12 Attitude parameter deviation

位姿測(cè)量算法的角度誤差均值為0.16°,在X軸、Y軸上位移誤差均值為0.01 mm,在Z軸上位移誤差均值為0.85 mm。根據(jù)使用新型吊裝機(jī)構(gòu)吊運(yùn)儲(chǔ)運(yùn)發(fā)射箱對(duì)起落架位置與姿態(tài)的測(cè)量精度要求:角度精度為1°,位置精度為2 mm,由于算法的誤差比較小而且在允許范圍之內(nèi),因此可以認(rèn)為該算法的精度滿足測(cè)量精度要求。

3.2 模板旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的靶標(biāo)在大角度旋轉(zhuǎn)下的排序不變性以及排序算法的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性,將靶標(biāo)放置在相機(jī)前方3 000 mm處,拍攝靶標(biāo)無旋轉(zhuǎn)和分別繞Z軸、Y軸、X軸旋轉(zhuǎn)45°的典型旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景的照片。靶標(biāo)照片經(jīng)過處理后得到的標(biāo)志圓及其圓心和棋盤格角點(diǎn)如圖13所示。

圖13 不同姿態(tài)靶標(biāo)處理結(jié)果圖Fig.13 Processing results of targets with different attitudes

如圖14所示:靶標(biāo)無旋轉(zhuǎn)時(shí)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-1.05°;繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為0.63°;繞X軸的角度誤差均值為-0.25°。

圖14 靶標(biāo)無旋轉(zhuǎn)時(shí)角度偏差值Fig.14 Angular deviation value of target without rotation

如圖15所示:靶標(biāo)繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-1.79°;繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-0.10°;繞X軸的角度誤差均值為-0.18°。

圖15 靶標(biāo)繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)角度偏差值Fig.15 Angular deviation value when the target rotates 45° around axis Z

如圖16所示:靶標(biāo)繞Y軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-1.07°;繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-0.69°;繞X軸的角度誤差均值為-0.32°。

圖16 靶標(biāo)繞Y軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)角度偏差值Fig.16 Angular deviation value when the target rotates 45° around axis Y

如圖17所示:靶標(biāo)繞X軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-1.08°;繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-0.11°;繞X軸的角度誤差均值為0.32°。

圖17 靶標(biāo)繞X軸旋轉(zhuǎn)45°時(shí)角度偏差值Fig.17 Angular deviation value when the target rotates 45° around axis X

視覺位姿測(cè)量方法的角度誤差均值為-0.55°,其中,繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度偏大,這是由于靶標(biāo)與玻璃板存在一定的偏差造成的。視覺位姿測(cè)量方法在本次靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中的誤差相比之前實(shí)驗(yàn)的誤差較大,經(jīng)過分析這是由于相機(jī)標(biāo)定誤差、靶標(biāo)制作誤差、靶標(biāo)實(shí)際位姿測(cè)量誤差等導(dǎo)致的。

綜上所述,靶標(biāo)在分別繞Z軸、Y軸、X軸各旋轉(zhuǎn)45°時(shí)的典型旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景下具有排序不變性,而且位姿測(cè)量的精度滿足要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證文中靶標(biāo)和算法的性能,控制靶標(biāo)同時(shí)繞3個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)任意角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。靶標(biāo)照片經(jīng)過文中算法處理后解算得到的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)以及它們相應(yīng)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)依次按序號(hào)排列在表1中。

表1 各混合旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)照片旋轉(zhuǎn)角度解算值與實(shí)際值Table 1 The calculated and actual values of the rotating angle (RA) of each hybrid rotating target photo (°)

由表1可知:在靶標(biāo)繞3個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)的情況下,依然能解算出正確的角度數(shù)據(jù),這說明對(duì)處于不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的靶標(biāo)照片,排序算法均能得到準(zhǔn)確且唯一的排序結(jié)果,驗(yàn)證了排序算法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

如圖18所示:視覺位姿測(cè)量方法在靶標(biāo)同時(shí)繞3個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)任意角度時(shí),繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為0.72°;繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差均值為-0.25°;繞X軸的角度誤差均值為0.19°;整體角度誤差均值為0.22°。其中,靶標(biāo)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度偏差較大,這是由于靶標(biāo)與玻璃板存在一定的偏差造成的。

圖18 混合旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度偏差值Fig.18 Rotation angle (RA) deviation of mixed rotating target

綜上所述,設(shè)計(jì)的靶標(biāo)在大角度旋轉(zhuǎn)下的具有排序不變性,排序算法穩(wěn)定精準(zhǔn),在靶標(biāo)大角度旋轉(zhuǎn)的情況下依然能夠得到準(zhǔn)確且唯一的排序結(jié)果,同時(shí),文中視覺位姿測(cè)量方法的實(shí)際角度測(cè)量誤差比較小,滿足測(cè)量精度要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)新設(shè)計(jì)的火箭炮位姿測(cè)量方法的系統(tǒng)研究,主要結(jié)論如下:

1)通過對(duì)黑白棋盤格的改進(jìn)設(shè)計(jì),提出了一種新型特征標(biāo)志,實(shí)現(xiàn)了排序唯一性。

2)由橢圓檢測(cè)算法、角點(diǎn)提取算法和特征點(diǎn)排序算法實(shí)現(xiàn)了特征點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)和排序。

3)通過對(duì)起落架變形的有限元法分析得到最合適的特征標(biāo)志安裝位置,減小了起落架變形帶來的誤差干擾。

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,文中視覺位姿測(cè)量方法的角度誤差均值、位移誤差均值分別為0.16°、0.29 mm,達(dá)到了測(cè)量精度要求。