無人機機載載荷安裝位姿實時測量系統(tǒng)設計

孫雨，李寶安，馬驪群

(1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095；2.北京航空航天大學 無人機研究所，北京100091)

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無人機機載載荷安裝位姿實時測量系統(tǒng)設計

孫雨1，李寶安2，馬驪群1

(1.中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095；2.北京航空航天大學 無人機研究所，北京100091)

摘要：主要描述了一種快速6自由度測量系統(tǒng)的硬件及軟件設計，該測量系統(tǒng)能夠對無人機遙測平臺上機載載荷進行實時安裝檢測，確保所有搭載的載荷都能實時調整到預定位置上。系統(tǒng)基于視覺測量原理，利用固定式多目標光學靶的空間坐標將物體的空間位置姿態(tài)的變化反演出來，實現(xiàn)物體的6D快速測量，其中角度測量重復性為0.05°，位置測量重復性為0.05 mm。

關鍵詞：機載載荷；多目標；單目視覺

0引言

隨著機載平臺在測繪、軍事等領域的廣泛應用，無人機平臺以其體積小、質量輕、機動性高、續(xù)航時間長等優(yōu)點成為對地觀測、遙感數(shù)據(jù)采集的重要手段。機載載荷是無人機的任務執(zhí)行單元，主要包括光電傳感器(CCD相機、紅外相機、激光測距儀等)、合成孔徑雷達(SAR)、慣性姿態(tài)測量器件(IMU)、位置控制單元(PCS)與全球定位系統(tǒng)(GPS)，其中IMU和PCS與GPS天線構成位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(POS)。機載載荷的安裝調整精度直接決定多種觀測數(shù)據(jù)融合的精度，即遙測結果的精度。然而，目前國內對于外場環(huán)境下無人機機載載荷安裝測量方法大多是傳統(tǒng)的靜態(tài)方法，測量效率低下，尚無合適的測量儀器能夠適用于無人機外場環(huán)境下對機載載荷的位置、姿態(tài)進行快速在線測量。

為此，本文提出了一種基于機器視覺原理的無人機機載載荷多目標測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用自主研發(fā)的固定式多目標光學靶通過主動視覺的方式實現(xiàn)對無人機機載載荷位姿的在線動態(tài)測量，以保證機載載荷的安裝精度，提高無人機對地觀測數(shù)據(jù)精度。

1系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以攝像機透視投影模型為基本理論基礎，利用POSIT算法[1]求解出光學目標靶所在空間坐標系相對于攝像機坐標系的旋轉矩陣及平移向量，進而得到光學目標靶的位置與姿態(tài)量。

有關攝像機透視投影模型國內外已經有大量文獻可供參考[2-6]，本文中不再做具體推導，對算法所涉及的公式直接引用。為便于描述，對常用坐標系進行了如下定義(見圖1)，設OcXcYcZc為攝像機坐標系，OoXoYoZo為物體坐標系，Oixy為像平面坐標系，Oiuv為計算機圖像坐標系，OcOi的距離為攝像機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系與以像素為單位的計算機圖像坐標系滿足以相機內參數(shù)為參數(shù)矩陣的轉換關系，詳見文獻[7] ，文中為了便于直觀地表達投影透視關系，對于像平面中的投影點選用其像面坐標系的坐標值，省略了描述轉化成計算機像面坐標的步驟。

圖1　針孔攝像機模型

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

由透視投影比例關系可得

(1)

設物體坐標系中的一點為P(Xo，Yo，Zo)，則由攝像機透視投影模型，可得

兩邊同時除以Tz，得到

(2)

為便于線性計算，將(2)式前兩行轉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)是假設目標上的所有點在攝像機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個未知數(shù)，現(xiàn)若已知目標上4個非共面點，即可求出K1，K2中的8個未知量。則sR1，sR2模長可求，由于R1，R2均為單位向量，則有

攝像機焦距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，旋轉矩陣R和平移向量T求出，完成初始循環(huán)運算。

將初始循環(huán)所求的R3及Tz值代入方程(4)中，即可得到每個特征點新的迭代系數(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，進而得到新的旋轉矩陣Ri和平移向量Ti。如此循環(huán)4～5次即可收斂到一個精確的位置姿態(tài)量。

2系統(tǒng)設計

2.1　技術要求

根據(jù)無人機機載載荷平臺的安裝精度要求，本系統(tǒng)的技術指標如下：

x，y，z軸方向位置測量重復性：0.05mm；

角度測量重復性：0.05°；

適用測量距離：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、光學目標靶和計算機圖像處理系統(tǒng)，見圖2。

圖2　系統(tǒng)組成示意圖

需要指出的是，理論上無人機中的IMU是所有任務載荷的安裝基準，無人機工作之前，需要將光電傳感器零位、SAR雷達反射面法向以及其他機載載荷安裝面調整到與IMU基準相對應的設計位置上。為了適應不同機載載荷外形結構、提高系統(tǒng)圖像識別速度，本系統(tǒng)采用了自主設計的主動視覺立體目標光學靶作為統(tǒng)一測量目標，通過目標光學靶的位姿數(shù)據(jù)直接反應所固連的機載載荷的位置姿態(tài)。

2.3　系統(tǒng)硬件設計

光學目標靶(以下簡稱目標靶)是本系統(tǒng)硬件重要的組成部分，相較于其他主動視覺目標，該目標靶為L型空間立體結構，由于6個發(fā)光點為非共面位置關系，因此能夠有效保證在攝像機光軸方向(z軸方向)的測量精度。同時，為了具備目標點數(shù)量合適、抗噪性能好、結構穩(wěn)定、便于安裝等特點，從如下4個方面進行設計分析。

1)目標點的數(shù)量

由前文系統(tǒng)原理部分可知，光學目標靶必須存在至少4個非公面點才能保證求解出正確的位姿值。此外，為了保證適當?shù)娜哂帱c個數(shù)，增加非共面點的個數(shù)并提高運算精度，系統(tǒng)采用了6個目標點。

2)目標點的分布

目標點分布依據(jù)的原則是3點不共線、4點不共面、點的包絡空間在平面和縱深方向比例一致。確?？臻g目標點在各個坐標方向上的不確定度水平一致。

若采用一般工業(yè)相機，在測量距離2~5m范圍內，相機的成像尺寸約為200mm×200mm，因此所設計的目標靶中目標點的間隔應大于成像尺寸的2/3，即目標點包絡立體空間應不小于120mm×120mm×120mm。結合前文目標點數(shù)量的選取原則，最終設計了L型立體光學目標靶，如圖3所示。

圖3　L型立體光學目標靶

3)目標點的感光及抗噪特性

理想的目標點應該明暗對比強烈，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，系統(tǒng)選用了抗噪能力較強的紅外LED發(fā)光點。

2.4　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要功能包括如下4個方面：

1)人機交互功能。為操作者提供簡單快捷的工作界面，以提高操作效率。

2)自動識別功能。圖片中的亮點粗識別，提取出圖片中6個亮點所在的40×40個像素格范圍內坐標位置。

3)光斑中心提取功能?；谏弦徊酱肿R別出的亮點位置進行精確中心位置計算。

4)圖像實時顯示功能。實時顯示光學目標靶的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，以作為動態(tài)調整的依據(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)前述機器視覺基本原理以及POSIT算法模型可知，攝像機經標定后，若已知其拍攝的單個物體上多目標點的坐標值矩陣，即可求解出該物體相對于攝像機坐標系的空間位置與姿態(tài)關系。且該模型引入的位置及角度偏差具有規(guī)律性，可以通過標定比例系數(shù)以及數(shù)值補償?shù)姆椒ㄟM行修正。因此，影響本系統(tǒng)測量精度的主要問題就在于圖像中光斑中心坐標值提取的重復性是否滿足不確定度要求。

為得到系統(tǒng)所需要達到的光斑中心提取精度，進行了像素精度估計仿真實驗，如圖5所示。利用系統(tǒng)攝像機在距離目標靶5m處采集正視的圖像，取同一高度的兩光斑中心附近一點的坐標值，其像素橫坐標差值為781個像素格，實際間距為(160±5)mm，則其像素當量為0.2。

圖5　精度仿真實驗

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

3.2　光斑處理

在理想情況下，攝像機應獲取的是邊緣清晰的圓形或橢圓形光斑，然而實際由于不可完全消除的光強、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

首先對圖像進行閾值分割，選定最佳閾值參數(shù)。由于各光斑的光源、拍攝環(huán)境及光強相同，決定采用相同的閾值參數(shù)I對光斑進行閾值分割。以圖6為例，經實驗驗證，當I=0.7時，能夠完整地表達原圖中的高亮部分，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)分割結果

3.2.2光芒處理

首先對二值圖像進行邊緣點的檢測，對于得到的圖像邊緣進行橢圓擬合[8]。

橢圓圖像曲線的一般表達式為

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(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實驗驗證

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

重復性實驗是驗證系統(tǒng)計算結果一致性的重要途徑，在本系統(tǒng)中其重復性的高低直接反應了光斑中心提取的精密度。因此進行了9組與攝像機光軸呈不同夾角位置的重復性實驗，角度值分別為0°，±5°，±10°，±15°，±20°，每個位置拍取10張圖片，并利用系統(tǒng)軟件對光學目標靶相對于攝像機的位置姿態(tài)進行運算。根據(jù)重復性實驗數(shù)據(jù)對其進行標準差計算，結果見表1。

表1　重復性實驗標準差結果

實驗結果表明，位置坐標x，y，z測量重復性均不超過0.05 mm，姿態(tài)角α，β，γ的測量重復性均不超過0.05°，系統(tǒng)重復性良好，能夠滿足設計要求，同時反應了中心提取精度達到預期要求。所做實驗驗證了本文所研究的理論模型以及測量系統(tǒng)的有效性。

5結束語

本文介紹了一種針對無人機平臺的機載載荷安裝調試位姿實時測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了自主研制的L型光學目標靶，提高了沿光軸方向的測量精度；提出了一種高精度光學中心提取方法，能夠有效去除光影和光芒的影響。該系統(tǒng)能夠僅利用一臺紅外相機、一個光學目標靶及一臺計算機完成整套測量任務，具備便攜性能好、成本低等優(yōu)勢，具有良好的市場前景和應用價值。

經系統(tǒng)實驗驗證，該無人機機載載荷安裝位姿實時測量系統(tǒng)的測試指標達到預期設計要求，成功實現(xiàn)了對目標載荷的在線6自由度測量，在現(xiàn)有視覺位姿測量基礎上，進一步提高了測量精度，并實現(xiàn)了測量的實時性。

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新書《聚焦超級核能》鎖定核輻射及其計量

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核安全的關注，人們不得不再次對核能的研發(fā)和利用進行全面的思考。為了讓更多的讀者了解核方面的知識和發(fā)展現(xiàn)狀，了解核輻射的來源、特點、危害和防護，作者容超凡(國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站原副站長)歷時兩年編著了《聚焦超級核能》一書，現(xiàn)已由北京出版社出版，全國新華書店經銷。此書是北京市科技協(xié)會組織編寫的系列科普叢書"科學家在做什么"中的一個分冊，全書共4章，其中第3章詳細介紹了核輻射的準確測量問題，從核輻射測量什么、核輻射與物質的相互作用、測量所用設備、測量儀器的檢定和校準、測量結果的準確表述等方面做了通俗易懂的講解，閱讀這本書，對于從事計量測試技術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.

作者簡介：孫雨(1988-)，女，碩士研究生，研究風向為視覺測量及大尺寸校準；李寶安(1962-)，男，教授，博士，研究方向為測試與計量技術；馬驪群(1965-)，女，研究員，博士，主要從事幾何量測試與校準技術研究工作。

基金項目：航空科學基金資助項目(2012ZD51044)

收稿日期：2015-05-29；修回日期：2015-08-24

中圖分類號：TB92；TH71；V279

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)05-0035-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.08