利用单目视觉的共轴旋翼多坐标系统标定方法技术方案

本发明专利技术属直升机检测技术领域，为采用单目视觉标定共轴旋翼测量各坐标系统的位置关系，以便监测桨叶在高速运动过程中的运动规律，为共轴旋翼提供更加安全的运行环境，本发明专利技术，利用单目视觉的共轴旋翼多坐标系统标定方法，步骤如下：现确定理想的坐标系统位置关系；标定方式如下：第一步，完成单目标定相机自身的内参数标定；第二步，将三脚架安放在合适位置；第三步，首先确定标定方块与需要标定的实物坐标系之间的关系。本发明专利技术主要应用于直升机检测场合。合。合。

【技术实现步骤摘要】
利用单目视觉的共轴旋翼多坐标系统标定方法


[0001]本专利技术涉及直升机检测
，提出一种采用单目视觉完成共轴旋翼多坐标系统位置关系的标定方法，实现任意坐标系间的运动观测，能够有效提高共轴旋翼测量系统的测量精度。本专利技术具体涉及利用单目视觉的共轴旋翼多坐标系统标定方法。

技术介绍

[0002]桨叶是直升机飞行最为关键的机械结构，监测其飞行过程中的形变能够有效保证飞行的安全。共轴双旋翼直升机相比于普通直升机具有更高的飞行速度、更好的机动性等特点，但是对航行参数和气象环境提出了更高的要求，共轴上、下旋翼反向运动桨叶可能发生运动干涉问题。因此，采用一种合理的方式来监测上下旋翼的形变尤为重要。
[0003]针对共轴旋翼的运动特点，提出上下交汇旋翼桨尖相对间距测量和上旋翼桨尖定位方法。首先，在各桨叶上安装电磁波传感器或者激光测距仪和陀螺仪，完成旋翼桨尖交汇时刻的距离监测。然后，在上极限构造锥面上方、共轴上端安装随动相机，原理方案如图1所示，获取上旋翼桨尖相对于共轴的位置并用以确定桨尖距离的位置标记。此外，还需要确定上、下旋翼交汇的时刻，用来确定启动桨尖距离测量过程以及从连续海量的数据中提取标记。交汇时刻可以通过在传动系统合适的位置安装角度传感器并配合系统时钟间接获得。
[0004]这种方案涉及多个坐标系之间的转换关系。具体包括：机身坐标系(O0),上旋翼旋转坐标系(O1)、下旋翼旋转坐标系(O2)，各桨叶的姿态传感器坐标系(O
A
、O
B
、O
C
、O
D
、O
E
、O
F
、O
G
、O
H
)，以及相机坐标系(O
A1
、O
C1
、O
E1
、O
G1
)，共十五个核心坐标系。
[0005]坐标系O
A
上的姿态传感器和测距仪确定坐标系O
B
的点
B
P在O
A
的坐标
A
P,坐标系O
A1
上的相机可以确定坐标系O
A
的点
A
P在O
A1
上的坐标
A1
P。理论上，可以根据坐标变换关系得坐标系O
B
的点
B
P在O
A1
坐标系上的坐标
A1
P。但实际上，坐标系O
A
和坐标系O
A1
的变换矩阵是动态变化的，因此，无法直接进行转换，即包含动态标定问题。此外，部分坐标系统的位置关系一旦安装完成就已经确定(除旋转外)，比如机身坐标系O0、上下旋翼旋转坐标系(O1、O2)以及随动相机坐标系(O
A1
、O
C1
、O
E1
、O
G1
)，即包含静态标定问题。另外，测量系统的目标是将所有被测点的目标统一转化到机身坐标系O0，便于监测运动规律。根据该系统的特点，本专利技术提出了一套共轴旋翼测量系统的标定方法。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在采用单目视觉标定共轴旋翼测量系统各坐标系统的位置关系，以便监测桨叶在高速运动过程中的运动规律，为共轴旋翼提供更加安全的运行环境。为此，本专利技术采取的技术方案是，利用单目视觉的共轴旋翼多坐标系统标定方法，步骤如下：
[0007]现确定理想的坐标系统位置关系，首先，机身坐标系O0和下旋翼旋转坐标系O2共原点，且Z0轴和Z2轴方向相同，假设上旋翼逆时针旋转，下旋翼顺时针旋转，下旋翼旋转坐标系O2相对于机身坐标系O0的绕Z0轴转角为上旋翼旋转坐标系O1是在下旋翼旋转坐标系O2的
基础上，向Z2正方向平移h个单位，且下旋翼旋转坐标系O1相对于机身坐标系O0的绕Z轴转角为相机坐标系O
A1
是在上旋翼旋转坐标系O1的基础上向Z1正方向平移h1个单位,再沿着X1方向平移r1个单位，随动相机坐标系(O
C1
、O
E1
、O
G1
)是在O
A1
坐标系基础上绕上旋翼旋转坐标系Z1轴顺时针旋转90
°
、180
°
、270
°
，对于以上坐标系，在设备安装完毕后，除了旋转自由度外，其位置关系就是相对固定的，属于静态标定；
[0008]姿态传感器坐标系属于安装在桨叶末端的一个随动坐标系，姿态传感器坐标系O
A
的平移矩阵T
A
可通过相机A1确定，旋转矩阵R
A
通过自身角度传感器获取自身相对角度(θ
Ax
、θ
Ay
、θ
Az
)来确定，对初始位置进行标定：
[0009]将下旋翼中每个桨叶的测距及姿态传感器安装在桨叶上表面，将上旋翼中每个桨叶的测距及姿态传感器是安装在桨叶下表面；
[0010]标定方式如下：
[0011]第一步，完成单目标定相机自身的内参数标定；
[0012]第二步，将三脚架安放在合适位置，保证单目标定相机的视角范围内存在需要标定的两个及以上目标标定方块，相机坐标系只是一个中间坐标系，因此，标定任意两目标标定方块时，三脚架的位置不必在同一位置，各桨叶末端的Ⅰ型标定方块与姿态传感器的坐标系完全重合，而姿态传感器位置以实际的安装位置为准，测距传感器和姿态传感器的相对位置应该在安装前完成标定，Ⅱ型标定方块与旋转轴同轴，与安装平面重合，并且保证其中一侧面的法线与桨叶的轴线平行；
[0013]第三步，首先确定标定方块与需要标定的实物坐标系之间的关系，一组桨叶桨叶坐标系之间的位置关系包括下旋翼旋转坐标系O2、上旋翼旋转坐标系O1、姿态传感器坐标系O
A
、姿态传感器坐标系O
A
和相机坐标系O
A1
，具体标定方法如下：
[0014]1)首先标定下旋翼旋转坐标系O2和姿态传感器坐标系O
B
[0015]Ⅰ型标定方块TB具有较好的平面度，将Ⅰ型标定方块TB的一角与姿态传感器的坐标系重合安装，以便使得标定得到的坐标系与姿态传感器坐标系具有明确的位置关系，以姿态传感器的X、Y、Z轴作为姿态传感器坐标系的X
B
、Y
B
、Z
B
轴，建立坐标系：
[0016]根据相机像素坐标和世界坐标的变换关系：
[0017][0018]其中，(x
w
,y
w
,z
w
)为任意一点在世界坐标系下的坐标，(u,v)为与之对应的像素坐标系下的坐标，Z
c
为景深，K为相机内参，R
3x3
和T
3x1
分别为相机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用单目视觉的共轴旋翼多坐标系统标定方法，其特征是，步骤如下：现确定理想的坐标系统位置关系，首先，机身坐标系O0和下旋翼旋转坐标系O2共原点，且Z0轴和Z2轴方向相同，假设上旋翼逆时针旋转，下旋翼顺时针旋转，下旋翼旋转坐标系O2相对于机身坐标系O0的绕Z0轴转角为上旋翼旋转坐标系O1是在下旋翼旋转坐标系O2的基础上，向Z2正方向平移h个单位，且下旋翼旋转坐标系O1相对于机身坐标系O0的绕Z轴转角为相机坐标系O
A1
是在上旋翼旋转坐标系O1的基础上向Z1正方向平移h1个单位,再沿着X1方向平移r1个单位，随动相机坐标系(O
C1
、O
E1
、O
G1
)是在O
A1
坐标系基础上绕上旋翼旋转坐标系Z1轴顺时针旋转90
°
、180
°
、270
°
，对于以上坐标系，在设备安装完毕后，除了旋转自由度外，其位置关系就是相对固定的，属于静态标定；姿态传感器坐标系属于安装在桨叶末端的一个随动坐标系，姿态传感器坐标系O
A
的平移矩阵T
A
可通过相机A1确定，旋转矩阵R
A
通过自身角度传感器获取自身相对角度(θ
Ax
、θ
Ay
、θ
Az
)来确定，对初始位置进行标定：将下旋翼中每个桨叶的测距及姿态传感器安装在桨叶上表面，将上旋翼中每个桨叶的测距及姿态传感器是安装在桨叶下表面；标定方式如下：第一步，完成单目标定相机自身的内参数标定；第二步，将三脚架安放在合适位置，保证单目标定相机的视角范围内存在需要标定的两个及以上目标标定方块，相机坐标系只是一个中间坐标系，因此，标定任意两目标标定方块时，三脚架的位置不必在同一位置，各桨叶末端的Ⅰ型标定方块与姿态传感器的坐标系完全重合，而姿态传感器位置以实际的安装位置为准，测距传感器和姿态传感器的相对位置应该在安装前完成标定，Ⅱ型标定方块与旋转轴同轴，与安装平面重合，并且保证其中一侧面的法线与桨叶的轴线平行；第三步，首先确定标定方块与需要标定的实物坐标系之间的关系，一组桨叶桨叶坐标系之间的位置关系包括下旋翼旋转坐标系O2、上旋翼旋转坐标系O1、姿态传感器坐标系O
A
、姿态传感器坐标系O
A
和相机坐标系O
A1
，具体标定方法如下：1)首先标定下旋翼旋转坐标系O2和姿态传感器坐标系O
BⅠ型标定方块TB具有较好的平面度，将Ⅰ型标定方块TB的一角与姿态传感器的坐标系重合安装，以便使得标定得到的坐标系与姿态传感器坐标系具有明确的位置关系，以姿态传感器的X、Y、Z轴作为姿态传感器坐标系的X
B
、Y
B
、Z
B
轴，建立坐标系：根据相机像素坐标和世界坐标的变换关系：其中，(x
w
,y
w
,z
w
)为任意一点在世界坐标系下的坐标，(u,v)为与之对应的像素坐标系下的坐标，Z
c
为景深，K为相机内参，R
3x3
和T
3x1
分别为相机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；在前述矩阵中，旋转矩阵R
3x3
和平移矩阵T
3x1
共有12个未知数，而旋转矩阵是R
3x3
正交矩阵，每行每列都是单位向量且两两正交，所以R
3x3
的自由度为3，最少只需要三个方程就可以确定R
3x3
，而任意一组像素坐标和世界坐标可以建立两个方程，最少需要三组坐标就可以解
出相机坐标系与世界坐标系的位置关系，在计算上利用跨平台计算机视觉开源库Opencv的n点透视变换算法slovePnP，以像素坐标和对应的世界坐标作为输入，计算出R
3x3
和T
3x1
；对于单目视觉，由于不能识别深度信息，只能用一个平面上的点用于标定，为了统一计算在进行标定的时候设z
w
＝0，定义世界坐标系与标定平面的坐标系重合；定义:定义:定义:标定单目相机坐标系O
X
与Ⅰ型标定方块TB的标定平面坐标系O
TB
在Opencv中的slovePnP算法下计算得出的旋转矩阵为R
TB
和T
TB
,构成齐次变换矩阵由于标定平面坐标系O
TB
与姿态传感器坐标系O
B
还存在相对位置关系，其位置关系表示为其中，Ⅰ型标定方块的边长为L1，Ⅱ型标定方块的边长为L2；计算标定相机坐标系O
X
与姿态传感器坐标系O
B
的齐次变换矩阵：相机在标定上旋翼旋转坐标系O2和姿态传感器坐标系O
B
时，拍摄的目标必须包含Ⅰ型标定方块TB以及Ⅱ型标定方块T2，保证Ⅱ型标定方块T2与旋转轴同轴，并且上旋翼旋转坐标系O2的原点在Ⅱ型标定方块T2的底面，建立坐标系；同理，标定相机坐标系O
X
与Ⅱ型标定方块T2标定平面坐标系O
T2
在slovePnP算法下计算得出的旋转矩阵为R
T2
和T
T2
，构成齐次变换矩阵由于标定平面坐标系O
T2
与上旋翼旋转坐标系O2还存在相对位置关系，其位置关系表示为还存在相对位置关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘祖荣，张志远，路遥环，胡文川，刘佳琛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：