基于雙目視覺測距技術的導彈筒箱精確對接方法

劉 濤，唐偉峰

(海軍航空工程學院 飛行器工程系，煙臺 264001)

基于雙目視覺測距技術的導彈筒箱精確對接方法

劉 濤，唐偉峰

(海軍航空工程學院 飛行器工程系，煙臺 264001)

當前導彈筒箱對接工作中普遍采用人工操作方法，通過目視指揮操作實現(xiàn)卡口對接，精確性差，步驟繁瑣，效率低下;針對此問題，基于雙目視覺測量技術提出了一種自動對接方法，利用雙攝像頭測量對接卡口的成像偏差，計算筒彈調(diào)整的距離和角度，實現(xiàn)筒彈支腳和對接卡口的準確對準;然后研究了系統(tǒng)測量誤差，利用非線性回歸擬合方法分析了誤差計算公式，利用等距標尺設計了測量誤差標定實驗方案，并針對攝像頭安裝不便的問題，給出了中點延長安裝方法和計算補償方法，最后設計了筒彈自動化對接系統(tǒng)的基本結構;試驗結果表明，該方法能夠有效獲取筒彈對接偏差距離和角度，為位置調(diào)整系統(tǒng)提供有效輸入，從而實現(xiàn)導彈筒箱的自動對接。

筒箱對接；雙目視覺；誤差分析；標定

0 引言

導彈裝填工作是導彈武器系統(tǒng)技術準備的主要工作之一，裝填速度直接決定著導彈武器系統(tǒng)的保障效率和戰(zhàn)斗力再生成。導彈筒箱支腳對接到裝填設備或發(fā)射裝置上是導彈裝填工作的重要組成部分?，F(xiàn)在的對接工作一般由操作員操作起重裝備起吊導彈筒箱進行對接，操作員難以看到對接過程，僅依靠指揮員口令及手勢指揮操作員完成，精確度差、效率低下，特別是向艦艇裝載導彈筒箱，由于缺乏精確對接技術和設備，往往需要艦面中轉，過程非常繁瑣，嚴重影響裝備保障成效和戰(zhàn)斗力的快速生成。本文利用雙目視覺測量技術，提出一種精確的筒彈裝填技術方法，能夠快速準確完成裝填工作。

1 問題闡述

導彈裝填工作中對接部分的本質(zhì)就是將筒彈支腳裝入相關設備接口上并固定，如發(fā)射裝置卡口、艦載筒彈入庫裝填車卡口等。圖1為導彈筒箱對接俯視示意圖，A1、B1、C1、D1為筒箱的4個支腳，A2、B2、C2、D2為對接設備的4個卡口，對接工作就是將矩形A1B1C1D1通過轉動、移動和下移，實現(xiàn)與A1B1C1D1的重合。將A1B1C1D1與A2B2C2D2投影到同一水平面內(nèi)，得到對接工作流程為：首先將筒彈轉動角度∠D1FD2(設為θ)，然后再測量EA1(設為S1)和EA2距離(設為S2)，并在水平面內(nèi)水平移動S1和S2，最后筒箱垂直下放，即可完成導彈筒箱支腳的對接工作。因此，θ角和水平距離S1、S2的精確測量是精確對接裝填工作的關鍵。

圖1 筒彈對接工作示意圖

2 雙目視覺測量技術

雙目視覺測量技術利用兩臺不同位置的攝像機拍攝同一幅場景，獲取立體圖像，針對其中的匹配點進行分析從而獲取空間點坐標和相對位置關系。如圖2，O1、O2為兩臺攝像機光心位置，且其角距和內(nèi)部參數(shù)都相等，光軸互相平行，P1、P2分別是空間點P在兩臺攝像機上的成像點，在得到P1、P2對應坐標和兩攝像機參數(shù)矩陣的條件下，即可通過建立以該點坐標為未知數(shù)的多個線性方程，利用最小二乘法求解得該點的坐標及其與兩臺攝像機中心點A之間的位置關系。P點的坐標為：

(1)

其中：ax、ay為左右攝像機的內(nèi)參數(shù)，D為左右攝像機的光心距離，ul、vl為P點在左攝像機中的成像點的圖像坐標，ur、vr為P點在右攝像機中的成像點的圖像坐標，uo、vo為圖像坐標系原點位置。式中ax、ay、D由攝像機標定工作得到，ul、vl、ur、vr由攝像機所得圖像識別程序計算得到[1-3]。

利用攝像機標定工作同時可以得到左右攝像機與基準坐標系的位置關系，從而得到左右攝像機中心點A 與P點的位置關系。

圖2 雙目視覺測量技術示意圖

3 筒彈對接雙目測量技術方法

由于筒彈對接需要獲取的是投影平面中的夾角θ和水平距離S1、S2，因此，本文采用雙目視覺測距中的平視立體視覺方法。在筒箱左側兩個支腳位置各設置兩臺攝像機，如圖3。以左上角A1點的圖像采集測量為例，如圖4，A1點兩側設置焦距為f的攝像機，兩者距離為d，A2成像點與圖像中心距離分別為x1和x2，a為A2在成像面上的投影與A1之間的水平距離，b為A2與成像面之間的距離。因此可以得到：

(2)

因此由上式可以解算出和b的數(shù)值，設為aA和bA：

(3)

同樣可得左下角D1點的相應參數(shù)為aD和bD，如圖5(a)。設左側兩支腳距離為l，由相似三角形定理可得：

(4)

因此：

(5)

從而得到

(6)

圖3 筒彈對接雙目測量示意圖

圖4 A1點處雙目測量計算示意圖

圖5 筒彈左側支腳計算示意圖

4 成像誤差及其補償

4.1 誤差分析

筒彈精確對接的關鍵是獲取卡口成像點與圖像中心距離x1和x2，而實際測量中，由于多種誤差因素的存在，x1和x2的測量值存在著測量誤差，這些誤差因素包括：攝像機內(nèi)參數(shù)標定誤差、裝配誤差、坐標系標定誤差等[4-5]。而本方案采用平視立體視覺方法，主要考察OX方向的距離測量誤差，如圖6。

圖6 成像誤差示意圖

設目標點理想的成像點與圖像中心點的距離為xl，而由于光學畸變等因素造成的實際成像點距離為xs，測量誤差為Δx，則：

Δx=xl-xs

(7)

考慮影響Δx的因素較多，相互關系十分復雜，且工作時只能得到xs的數(shù)值，因此可利用多次實驗數(shù)據(jù)，采用一元非線性回歸擬合方法確定Δx與xs之間的關系，從而對測量距離x1和x2進行補償。

(8)

其中：n=1,2,3,…，a0,a1,…,an為相關項系數(shù)。在相同樣本數(shù)的情況下，n的數(shù)值越大，擬合精度卻不一定越高，因此n可在2～6之間進行不同的取值，對比求解得到最精確的擬合多項式，具體方法與說明參見[6]。

4.2 實驗方案設計

在進行標定實驗時，可制作含若干個等間距標點的標尺(設有2j個標點)，將其中心零位Ob放置在攝像機軸線上，刻度與軸線垂直，距離透鏡光心2f距離處，如圖7。

圖7 標定實驗示意圖

標尺中標點Ai與標尺中點Ob的距離xi已知，Ai的理想成像點Ail與成像中心O的距離為xil，則

xil=xi/2

(9)

而Ai的實際成像點Ais與成像中心O的距離xis可測，因此得到：

Δxi=xil-xis=xi/2-xis

(10)

從而得到2j組Δx與xs的樣本，進行關系擬合，得到擬合多項式：

Δx=g(xs)

(11)

4.3 誤差補償

由上述實驗方案可得到圖3中的各個攝像機成像點實際測量距離xs與測量誤差Δx的關系g，因此可得到補償后的測量距離為：

xb=xs+Δx=xs+g(xs)

(12)

將xb帶入到公式(3)～(6)進行θ的解算，以及后續(xù)S1和S2的解算。

5 安裝方案與算法補償

如果在導彈筒箱支腳處設置攝像機將不便于支腳對接工作，可采用延長設置法，即在左右支腳延長線上距離為e處設置該攝像機，如圖8，由于平行線原理，θ角的計算公式(6)不變，而在導彈筒箱姿態(tài)調(diào)整后左右位置平移時加以補償e即可，即：

(13)

圖8 攝像機平移安裝

6 試驗結果與分析

試驗中在水平地面上設置兩個模擬對接卡口，卡口上方分別設置一組雙攝像頭，用于測量和計算卡口連線與兩組攝像頭中點連線之間的距離和角度偏差。試驗數(shù)據(jù)相關對比如表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)對比

通過試驗結果可以得到，本方法能夠有效獲取雙攝像頭的中點(筒彈支腳)和對接卡口之間的空間位置偏差，從而為自動裝填調(diào)整系統(tǒng)提供有效輸入，實現(xiàn)準確自動對接。然而，數(shù)據(jù)的誤差還比較大，雖然筒彈支腳與卡口之間留有一定的對接冗余度，但較大偏差仍然可能導致對接失敗。誤差根源主要為攝像頭的測量偏差，應通過實驗室標定方法提高攝像頭的測量精度。

7 筒彈自動化對接系統(tǒng)

設計如圖9所示的筒彈自動化對接系統(tǒng)，左右攝像機獲取接口的成像數(shù)據(jù)，通過圖像采集卡和計算機系統(tǒng)快速確定導彈筒箱支腳與對接卡口的位置關系，得到導彈筒箱調(diào)整的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街甘鞠到y(tǒng)或自動執(zhí)行機構。當人工操作設備進行導彈筒箱對接裝填時，將該調(diào)整數(shù)據(jù)顯示在操作界面上，可實現(xiàn)人工對接的精確化操作；當采用自動化對接裝填裝置時，可將該調(diào)整數(shù)據(jù)作為自動化執(zhí)行設備的輸入，從而實現(xiàn)自動精確對接裝填。該技術方法能夠有效提高導彈筒箱支腳對接裝填的工作效率和準確性，提升導彈裝備技術保障水平。另外由于對接工作采用了攝像機，能夠實現(xiàn)了整個對接過程的可視化，提升了態(tài)勢感知能力，確保了對接工作的安全性。

圖9 自動化對接系統(tǒng)

[1] 閆 龍，趙正旭，周以齊.基于CCD的立體視覺測量系統(tǒng)精度分析與結構設計研究[J]．儀器儀表報,2008, 29(2)：410-413.

[2]朱效明，高稚允．雙CCD立體視覺系統(tǒng)的理論研究[J]．光學技術，2003，29(3)：298-300.

[3]王建華，韓紅艷，王春平．CCD雙目立體視覺測量系統(tǒng)的理論研究[J]電光與控制,2007，14(4)：94-96.

[4]張 劉，支 帥．雙目測量系統(tǒng)目標相對位置誤差分析[J]．紅外與激光工程,2014，43(12)：116-122.

[5]余惠杰，韓平疇．雙目視覺系統(tǒng)的測量誤差分析[J]．光學技術,2007，33(11)：157-159.

[6]角仕云，劉麗婭．實用科學與工程計算方法[M]．北京：科學技術出版社,2000.

A Precise Merging Method of Missile Tube Based on Binocular Vision

Liu Tao, Tang Weifeng

(Department of Airborne Vehicle Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

To solve the problems of multi steps and low efficiency caused by low precision of manual operation in missile tube merging work, an automatic method was studied based on binocular vision measuring technology. Calculating formulas of parameters to be adjusted in every step were deduced by use of measuring the image deviation between two installed cameras, including the distance and angle for making support legs of tube matching the bayonet of filling equipments. Then the measuring error was researched and the way to get its calculating formula was given out by non-linear regression fitted method, followed was the calibration experiment to get the samples. Also, for convenient installation, translation scheme and its compensation method were analyzed. At last, the basic structure of an automatic merging system was designed. The experiment result showed that the method could get the merging deviation effectively for adjusting system, to make automatic merging work come true.

merging work of missile tube; binocular vision; error analysis; camera calibration

2016-05-03；

2016-05-24。

學院青年科研基金資助項目(HYQN2015-16)

劉 濤(1982-)，男，江蘇灌云人，博士，講師,主要從事兵器發(fā)射技術、導航技術方向的研究。

1671-4598(2016)10-0113-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.032

TP391.41

A