一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，通过双相机构成的双目立体视觉系统实时跟踪被测舵面上的一个特征点，得到各时刻特征点的三维空间坐标，并采用最小二乘法根据三维空间坐标拟合出舵面的摆角平面及特征点运动的轨迹圆弧，然后根据轨迹圆弧的圆心到轨迹圆弧上各个点的向量之间的夹角即对应舵面的动态摆角；本发明专利技术具有检测效率高、检测精度高、操作简单、不易损伤舵面、对安装位置依赖性低的有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法
本专利技术属于飞机舵面角度测量的
，具体涉及一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法。
技术介绍
飞机飞行试验前，为了能给出可靠的性能试验数据，需对飞机的副翼、襟翼、方向舵和升降舵等舵面进行角度测量实验。传统的测量方法采用夹紧式工装靶标进行测量，由于舵面采用复合材料制作而成，若靶标加持力过大，靶标与舵面的硬接触可能会对舵面造成永久性损伤；若夹持力过低，150°/s的舵面转速产生的离心力较大，可能会使得工装被舵面甩出，容易对飞机、测试人员或者设备造成伤害。采用非接触测量时，一般测量手段对传统测量设备与被测飞机舵面之间的相对位置有严格要求，安装调节复杂，会因测量位置与舵面相对位置关系不固定，造成系统误差放大并且难以通过后期技术手段修正，影响最终测试精度。基于以上不足，在飞机舵面角度测量实验中，为了保护飞机舵面，舵面靶标应避免采用夹紧式工装靶标，要求舵面靶标具有良好的附着力，对舵面压力较小，同时又能承受舵面高转速产生的离心力；为提高舵面角度测量精度，减小非接触测量时对测量位置的依赖性，同时满足设备现场使用的便捷性，本专利技术公开了一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，采用双相机采集舵面上的特征点图像并相互叠加，通过三维重建将目标点平面坐标转换成空间三维坐标，然后通过空间三维坐标拟合摆角平面和特征点运动的轨迹圆弧，进而得到轨迹圆弧上各个时刻圆心到特征点的向量，通过向量夹角即得到舵面动态摆角。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，包括以下步骤：步骤1、采用第一相机和第二相机构成双目立体视觉系统；步骤2、在飞机舵面上选择一个特征点P，然后在飞机舵面运动过程中采用双目立体视觉系统采集特征点P在各个时刻的N个图像；步骤3、基于双目视觉计算原理对N个图像计算特征点P在各个时刻的N个空间三维坐标点，并通过N个空间三维坐标点拟合得到摆角平面；步骤4、将N个空间三维坐标点投影至摆角平面得到位于摆角平面内的N个二维坐标点，然后将N个二维坐标点拟合成轨迹圆弧；步骤5、计算初始二维坐标点P1与轨迹圆弧的圆心之间的向量OP1，计算第i个二维坐标点Pi与轨迹圆弧的圆心之间的向量OPi，然后通过限量OP1和向量OPi计算第i个时刻的舵面摆角。为了更好的实现本专利技术，进一步地，所述步骤5中计算舵面摆角采用如下公式：其中：为初始二维坐标点P1的坐标；为第i个二维坐标点的坐标；(x0，y0)为轨迹圆弧的圆心坐标。为了更好的实现本专利技术，进一步地，所述摆角平面和轨迹圆弧均通过最小二乘法进行拟合。为了更好的实现本专利技术，进一步地，所述步骤3包括以下子步骤：步骤3.1、建立世界坐标系(O-XwYwZw)、摄像机坐标系(O-XcYcZc)、图像物理坐标系(xOy)、图像像素坐标系(uOv)，基于相机的标定参数以及世界坐标系(O-XwYwZw)、摄像机坐标系(O-XcYcZc)、图像物理坐标系(xOy)、图像像素坐标系(uOv)；步骤3.2、通过两个相机拍摄特征点P的图像并得到图像在图像像素坐标系中的图像像素坐标，通过图像像素坐标的像素与图像物理坐标的物理尺寸之间的转换关系将图像像素坐标转换为图像物理坐标；步骤3.3、通过相机非线性模型中第一相机和第二相机的标定参数将图像物理坐标系中的图像物理坐标转化为摄像机坐标系中的摄像机坐标；步骤3.4、通过旋转矩阵与平移向量将摄像机坐标系中的摄像机坐标转换为世界坐标系中的世界坐标即得到特征点P的空间三维坐标点。为了更好的实现本专利技术，进一步地，若特征点P位于一个相机的视野中而位于另一个相机的视野之外，则在两个相机的公共视野中选取至少三个公共点，并通过各公共点与特征点P之间的坐标转换关系得到特征点P对应的摄像机坐标系中的摄像机坐标，所述公共点与特征点P之间的坐标转换采用如下公式：其中：(Xc，Yc，Zc)为公共点对应第一个相机的摄像机坐标；(xc，yc，zc)为公共点对应第二个相机的摄像机坐标；(X0，Y0，Z0)为平移参数坐标；为旋转参数矩阵。为了更好的实现本专利技术，进一步地，所述摄像机坐标系为以相机镜头中心为原点建立的三轴直角坐标系，所述摄像机坐标系的Zc轴与相机光轴重合。为了更好的实现本专利技术，进一步地，采用非线性畸变对图像物理坐标系进行矫正，矫正公式如下：δx＝k1x(x2+y2)+p1(3x2+y2)+2p2xy+s1(x2+y2)；δy＝k2x(x2+y2)+p2(3x2+y2)+2p1xy+s2(x2+y2)；其中：δx为图像物理坐标系中x轴畸变参数；δy为图像物理坐标系中y轴畸变参数；k1为第一相机的径向畸变参数；k2为第二相机的径向畸变参数；p1为第一相机的离心畸变参数；p2为第二相机的离心畸变参数；s1为第一相机的薄棱镜畸变参数；s2为第二相机的薄棱镜畸变参数。为了更好的实现本专利技术，进一步地，所述步骤3.2中进行图像像素坐标与图像物理坐标之间的转化采用如下公式：其中：(u，v)为图像像素坐标；(x，y)为图像物理坐标；(u0，v0)为图像像素原点坐标；dx为图像像素坐标在图像物理坐标中x轴上的物理尺寸；dy为像像素坐标在图像物理坐标中y轴上的物理尺寸；所述步骤3.3中进行图像物理坐标与摄像机坐标之间的转化采用如下公式：其中：(x，y)为图像物理坐标；(Xc，Yc，Zc)为摄像机坐标；f为相机标定参数；所述步骤3.4中进行摄像机坐标与世界左边之间的转化采用如下公式：其中：(Xc，Yc，Zc)为摄像机坐标；(Xw，Yw，Zw)为世界坐标；R为(3×3)的正交矩阵；t为三维平移向量；M1为当前相机的投影矩阵。为了更好的实现本专利技术，进一步地，若双目立体视觉系统中的第一相机或第二相机发生振动、使用温度高于阈值区间或低于阈值区间，则需要对第一相机或第二相机的相机标定参数进行重新标定。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：本专利技术通过由第一相机和第二相机构成的双目立体视觉系统实时拍摄舵面上的特征点图像，并根据图像在世界坐标系、摄像机坐标系、图像物理坐标系、图像像素坐标系中的转换关系，求解出特征点的空间三维坐标，并通过空间三维坐标拟合得到舵面的呗角平面和轨迹圆弧，并通过计算轨迹圆弧的圆心到圆弧上各点之间的向量夹角，进而便捷准确的得到舵面的摆角，有效避免了传统接触式测量时夹紧式工装靶的安装以及传统非接触测量对位置要求高，安装调试复杂的问题，大大提高了舵面摆角的测量效率和精度。附图说明图1为舵面摆角测量示意图；图2为非线性摄像机模型中的坐标系示意图；图3为汇聚式立体视觉模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、采用第一相机和第二相机构成双目立体视觉系统；/n步骤2、在飞机舵面上选择一个特征点P，然后在飞机舵面运动过程中采用双目立体视觉系统采集特征点P在各个时刻的N个图像；/n步骤3、基于双目视觉计算原理对N个图像计算特征点P在各个时刻的N个空间三维坐标点，并通过N个空间三维坐标点拟合得到摆角平面；/n步骤4、将N个空间三维坐标点投影至摆角平面得到位于摆角平面内的N个二维坐标点，然后将N个二维坐标点拟合成轨迹圆弧；/n步骤5、计算初始二维坐标点P

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用第一相机和第二相机构成双目立体视觉系统；
步骤2、在飞机舵面上选择一个特征点P，然后在飞机舵面运动过程中采用双目立体视觉系统采集特征点P在各个时刻的N个图像；
步骤3、基于双目视觉计算原理对N个图像计算特征点P在各个时刻的N个空间三维坐标点，并通过N个空间三维坐标点拟合得到摆角平面；
步骤4、将N个空间三维坐标点投影至摆角平面得到位于摆角平面内的N个二维坐标点，然后将N个二维坐标点拟合成轨迹圆弧；
步骤5、计算初始二维坐标点P1与轨迹圆弧的圆心之间的向量OP1，计算第i个二维坐标点Pi与轨迹圆弧的圆心之间的向量OPi，然后通过限量OP1和向量OPi计算第i个时刻的舵面摆角。


2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，其特征在于，所述步骤5中计算舵面摆角采用如下公式：



其中：

为初始二维坐标点P1的坐标；为第i个二维坐标点的坐标；
(x0，y0)为轨迹圆弧的圆心坐标。


3.根据权利要求2所述的一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，其特征在于，所述摆角平面和轨迹圆弧均通过最小二乘法进行拟合。


4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，其特征在于，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1、建立世界坐标系(O-XwYwZw)、摄像机坐标系(O-XcYcZc)、图像物理坐标系(xOy)、图像像素坐标系(uOv)，基于相机的标定参数以及世界坐标系(O-XwYwZw)、摄像机坐标系(O-XcYcZc)、图像物理坐标系(xOy)、图像像素坐标系(uOv)；
步骤3.2、通过两个相机拍摄特征点P的图像并得到图像在图像像素坐标系中的图像像素坐标，通过图像像素坐标的像素与图像物理坐标的物理尺寸之间的转换关系将图像像素坐标转换为图像物理坐标；
步骤3.3、通过相机非线性模型中第一相机和第二相机的标定参数将图像物理坐标系中的图像物理坐标转化为摄像机坐标系中的摄像机坐标；
步骤3.4、通过旋转矩阵与平移向量将摄像机坐标系中的摄像机坐标转换为世界坐标系中的世界坐标即得到特征点P的空间三维坐标点。


5.根据权利要求4所述的一种基于双目视觉原理的飞机舵面角度测量方法，其特征在于，若特征点P位于一个相机的视野中而位于另一个相机的视野之外，则在两个相机的公共视野中选取至少三个公共点，并通过各公共点与特征点P之间的坐标转换关系得到特...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟成铭，叶丁绮，罗川，张泉，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51