大間距空間角度測量技術進展及分析

吳 浩,張 勇,王偉明,佀明華,李 欣，范 磊

(1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)電子與光學工程系,河北 石家莊 050003；2. 中國人民解放軍63908部隊，河北 石家莊 050000； 3.石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

1 引 言

角度測量是計量科學的重要組成部分,廣泛應用于工業(yè)生產和國防軍事領域,如在大型機械制造和工程安裝中,經常需要測量相距數米若干被測對象的異面幾何元素(如軸的軸線、孔的中心線、平板的法線)之間的空間夾角[1-2]；另外為確保武器系統打擊精度,也需要對武器系統配屬的多光譜偵察設備(可見光、微光、激光、紅外等光電設備)光電軸線與火力軸線進行一致性檢測。上述方法均涉及大間距空間角測量,而傳統的角度測量方法如三坐標測量機方法[3-4]、多站經緯儀法[5-6]、室內GPS測量法[7]、平行光管測量法[8]等在測量精度、應用范圍上有局限性。在分析現有大空間角度測量現狀基礎上,提出了一種基于機器視覺的角度測量方法,實現了大間距動態(tài)變化過程中的角度測量,可應用于武器系統調炮精度檢測、光電桅桿偏移量檢測及火炮身管晃動量檢測等方面。

2 大間距空間角度測量方法

為解決工業(yè)及國防領域大間距空間角測量需求,國外相關研究機構提出了一系列較為新穎的檢測方法并研制了相關測量設備,較有代表性的包括激光跟蹤儀法、相交校靶法、視覺測量法及慣性測量法等。

2.1 激光跟蹤儀測量法

激光跟蹤儀可實現大尺寸部件面型測量、機器人位姿調整、系統部件裝配,以及工裝檢測和研發(fā)過程中涉及的角度測量,具有精度高、誤差小、實時性好、測量范圍寬、操作簡便等特點。激光跟蹤儀采用極坐標測量方法[9],將靶球反射器(Spherically Mounted Retroreflector,SMR)放置在被測對象上,激光跟蹤頭發(fā)射激光至SMR上并反射回跟蹤頭。當SMR移動時,激光跟蹤頭調整光束方向始終對準SMR,從而測算被測對象的空間位置和角度信息。由于距離觀測值直接影響測量精度,一般采用He-Ne激光裝置或紅外激光裝置分別進行相對距離測量和絕對距離測量來準確獲取目標距離,當觀測距離較大時,還會采用多站點測量法提高測量精度[10],另外還采用了基于位置檢測器(Phase Sensitive Detector,PSD)的跟蹤控制技術,通過分光鏡使一部分反射光進入PSD產生偏移量,根據偏移量驅動電機修正偏移量,實現對SMR的快速跟蹤。如FARO公司的激光跟蹤儀FARO VantageS 和 VantageE(如圖1所示)重13.4 kg,距離測量精度10 μm,角度測量精度(20+5)μm/m。FARO、Leica、API公司是激光跟蹤儀的主要提供商,如Leica系列產品占全球市場份額70%以上,擁有1600多臺的裝機量。激光跟蹤儀雖然有上述優(yōu)點,但也存在激光束易丟失、轉換關系復雜、價格高等缺點。

圖1 FARO公司激光跟蹤儀及工作原理

2.2 視覺測量法

視覺測量法具有非接觸、測量快速、精度較高等特點,一般分為主動視覺測量和被動視覺測量[11-12]兩大類。主動測量通常由一對光學投射裝置與圖像傳感器組成。利用光學投射裝置向被測物體投射結構光,結構光由物體表面調制產生形變,圖像傳感器記錄下結構光形變并通過數據處理還原出被測物體的三維幾何尺寸,如GOM公司推出的ATOS系統[13](如圖2所示)就利用了兩臺定制化的高分辨率數字相機拍攝通過投射器投射的高亮點圖案。ATOS系統采用藍光條紋技術,抗干擾能力強,對工作環(huán)境要求低,但只能做二維測量,若要實現真正的三維測量,還須配合傳動或掃描裝置,另外主動測量系統實時性也較差。相比之下,被動測量則不需要投射結構光,僅通過觀測被測物體在自然光照下的成像即可實現被測物體的三維尺寸測量,通常使用單個或兩個以上的圖像傳感器在多個位置觀測同一被測物體,采用適配器、標記點和標定尺給被測物體提供測量基準,通過匹配各個圖像傳感器或各個位置圖,直接獲得被測物體的三維幾何尺寸。如AICON 3D公司的DPA-Pro系統[14](如圖3所示)可測量大于0.1 m的物體,空間測量精度(3+7)μm/m。測量時在測量物件的特征部位貼上標記點或裝上適配器,再使用高分辨率照相機從不同角度對物體進行拍攝,確保捕捉到物體的所有重要部位。拍攝完成后利用計算機計算出所有標志點的三維坐標。DPA-Pro系統在擁有較高測量精度的同時,整個設備便于攜行,適合外場使用,缺點是需要從不同方位拍攝兩幅圖像,無法對被測目標進行動態(tài)測量,且測量范圍受相機參數制約,對于有遮擋或不在同一視場中的被測對象較難應用。

圖2 GOM公司的ATOS系統

圖3 AICON 3D公司的DPA-Pro系統

2.3 靶板測量法

靶板測量法類似于視覺測量法,區(qū)別在于靶板測量法利用含有標志點的靶板作為合作目標,利用攝像機采集標志點之間的空間位置信息并計算之間的相對關系,從而得到被測對象之間的角度關系,如METRONOR公司研制的HarmoLign武器校準系統,其7個型號已成功應用于20個國家的空軍[15],如圖4所示。該系統包括光電攝像機、LED發(fā)光靶板和特定的適配器。LED靶板和適配器共同組成一個平臺協調板(Platform Harmonization Pads,PHP)。將PHP安裝在機載設備的機械接口處以及飛機的基準位置上,已知LED靶板、適配器和機械接口的轉換關系,利用光電攝像機檢測LED靶點,從而獲得各機載設備坐標系及飛機坐標系在攝像機坐標系下的姿態(tài),通過3個坐標系變換即可獲得各機載設備的空間角度信息[16]。HarmoLign武器校準系統測量精度為20″,測量范圍可達25 m。

圖4 Harmolign校準系統

不同于HarmoLign武器校準系統,利用自然場景中無限遠典型目標作為合作目標,根據無窮遠相交校靶原理,SCHILL、Carl Zeiss、CI等公司相繼研制了系列軸線檢測設備,如SCHILL研制的308型艦船軸線檢測系統(Aligner 308 Ship Alignment System)可用于艦船武器系統之間的軸線檢測[17]。Carl Zeiss研制的武器裝備視頻校軸調整系統(Weapon Adjustment System Video Boresight,WASVB)[18]、CI研制的先進武器軸線校準系統(Advanced Weapon Boresight System,AWBS)可用于裝甲車輛光電傳感器與火力軸線的一致性檢測[19-21],如圖5所示,均采用遠場相交校靶原理,利用高分辨率CCD相機提取遠場目標,通過光學傳感器與遠處目標重合對準,測量光學傳感器軸線與武器系統軸線一致性,其中AWBS系統通過CCD攝像機使武器系統機械軸線可視化,通過更換適配器即可適用于多種武器系統,具有通用性強、便攜性好等優(yōu)點,在最大6.4°視場角下,該系統測軸精度為10″,測量范圍為50 m～∞。

圖5 CI公司AWBS系統

2.4 慣性測量法

AAI公司研制了一種基于慣性校準原理的先進軸線校靶設備(Advanced Boresight Equipment,ABE),其突出特點是解決了以往大口徑平行光管無法完成的大間距機械軸線與光電軸線一致性測量,現已裝備美軍“阿帕奇”、“臺風”、“魚鷹”等戰(zhàn)機武器系統軸線檢測中[22-23]。ABE由動態(tài)慣性測量裝置、基準慣性測量裝置、運算處理裝置、基準框架、手持顯示器以及一系列校靶轉接鏡組成,如圖6所示。

基準框架與被測對象有精確的裝配關系,能夠為基準慣性測量裝置提供與被測對象姿態(tài)一致的安裝面?；鶞蕬T性測量裝置安裝在基準框架上,通過內部的三軸陀螺傳感器實時測量對象姿態(tài)角,建立校靶測量基準坐標系[24]。動態(tài)慣性測量裝置利用自準直原理發(fā)射平行光束,通過反射光束測量被測對象待校傳感器的方位、俯仰角。測量時,首先使動態(tài)慣性測量裝置中慣性平臺姿態(tài)與被測對象姿態(tài)對準,通過安裝校靶轉接鏡或被測對象自帶的發(fā)射接收裝置,使手持動態(tài)慣性測量裝置接收光束,從而測量出目標方位和俯仰角。ABE系統采用慣性測量技術,通過采用多種適配器無需架設平臺,適應了不同對象的檢測需求,相比于其他方法更為簡單、快捷、準確,校靶精度可達 20″,缺點是造價昂貴,需要眾多適配器配合才能完成測量。

圖6 ABE校靶系統及應用于MH-60L直升機的校靶轉接鏡

以上大間距角度測量方法,在測量范圍、測量精度、便攜性及成本方面各有優(yōu)缺點,表1給出了各種方法之間的性能比較。

表1 測量方法比較

3 基于機器視覺的動態(tài)角度測量方法

在分析上述角度測量方法基礎上,提出了一種基于機器視覺的大間距動態(tài)角度測量方法,即利用高精度兩軸伺服系統識別跟蹤遠處場景中的十字分劃靶標,利用圖像處理算法實時跟蹤計算偏移量并傳遞給兩軸伺服系統進行高低、方位修正,實現大間距條件下的空間角度動態(tài)測量。以武器系統調炮精度檢測為例,以往多采用雙站經緯儀方法實現調炮精度檢測[25-26],而機器視覺的角度測距方法將高精度雙軸伺服系統可靠夾持在火炮身管內并確保其與身管嚴格共軸,伺服系統上安裝的高分辨率CCD攝像機首先瞄準遠場中的十字立靶中心,當火炮身管在空間范圍內進行高低、方位動作時,利用圖像處理算法實時測量CCD電十字分劃與遠場立靶十字分劃中心位置偏差并將偏差量反饋至伺服系統進行解算修正,通過構建被測對象、立靶和角度測量傳感器之間的角度坐標系傳遞模型,實現調炮過程中身管在空間范圍內的角度偏移量測量。

3.1 高精度雙框架伺服系統設計

伺服系統采用兩軸轉臺式框架結構,外框為方位通道,內框為俯仰通道并安裝有高分辨率CCD攝像機和激光測距機,兩個控制通道相互獨立。伺服框架上安裝三軸速率陀螺,用來敏感探測器軸線運動角速率,通過速度控制回路提高伺服系統位置指向控制精度。采用直流無刷電機直接驅動方式,與伺服電機結合減速器的驅動方式相比,直驅系統在保證適當的驅動力矩情況下,減少了傳動鏈長度以及齒隙等非線性因素對伺服系統性能的影響,具有機械諧振頻率高、結構設計簡單等特點,另外為保證安裝電機后的回轉框架力矩平衡,在器件對稱布置基礎上進行了配平設計。圖7是高精度雙框架伺服系統外觀示意圖。

圖7 高精度雙框架伺服系統結構圖

伺服系統控制電路主要包括控制單元、旋轉變壓器解調單元、驅動單元和底板單元等?？刂茊卧腔?2位ARM Cortex-M4內核的微控制器STM32F407為核心的最小系統,配置串口輸出單路、模擬信號調理及采集電路、PWM信號電平轉換電路等；旋變解調單元以微控制器STM32F103和旋變數字解調芯片AD2S1210為核心,配置模擬信號調理電路、串口輸出電路；驅動單元以TI公司集成功率放大器DRV8332為核心,配置電源轉換電路、信號隔離電路組成；底板單元主要功能是將CCD攝攝像機、激光測距機、陀螺等組件的信息傳遞給控制單元,同時將控制單元發(fā)出的控制指令傳遞給底板單元并將圖像處理傳遞給上位機?？刂蒲b置原理框如圖8所示。

圖8 控制裝置原理框圖

3.2 空間坐標系變換模型

基于十字立靶和被測對象之間的相對距離,以及被測對象、角度測量傳感器、十字立靶三者之間的空間坐標系關系,建立坐標系傳遞模型,實現被測對象的動態(tài)角度測量。仍以調炮精度測量為例,僅考慮在水平面內的角度測量問題,圖9是坐標系變換模型示意圖。OA是炮管指向起始位置,OA′是炮管終止位置,A點是角度測量傳感器,P點是十字靶板,α為角度測量傳感器方位零位與十字立靶初始偏差角度,θ1為調炮過程中測量獲得的方位角,m,n為激光測距機測距獲得的數據,即α,θ1,m,n等參量已知,需求炮管轉動角度δ。

圖9 坐標系變換模型示意圖

設圓O的半徑為R,易得:

δ+ω=θ2+α

(1)

根據正余弦定理,可知:

(2)

l2=m2+n2-2mncosθ1

(3)

將式(3)代入式(2),消掉l,可得：

sin2θ2m2+n2-2mncosθ1=n2·sin2θ1

(4)

當n,m,θ1已知時,容易得到θ2：

(5)

(6)

將式(6)式代入式(1),消掉ω,可得：

δ=2θ2+α-π

(7)

根據式(7)可知,利用激光測距機測量獲得角度測量傳感器和十字立靶之間的距離,并由伺服系統實時輸出的開始和結束位置的方位角即可獲得調炮空間方位角,該方法和圓半徑無關,只是當θ1較小時,對伺服系統精度要求較高。

3.3 合作目標識別跟蹤及動態(tài)補償技術

為使CCD攝像機能有效跟蹤瞄準合作目標,合作目標采用十字分劃圖案作為角度測量基準。利用Hough變換計算十字分劃中心位置,減少不同天候及其他噪聲對測量結果的影響,另外采用高分辨率CCD攝像機也可進一步提高測量精度。

若對于只是測量起始和終止兩個位置的靜態(tài)測量過程而言,本文提出的方法可獲得較高的測量結果,但對于要實時測量被測對象在不同狀態(tài)下的動態(tài)角度信息,可能受限于被測對象的速度、加速度等運動特性、角度測量傳感器的響應時間,以及圖像處理技術的魯棒性和處理精度,表現在動態(tài)測量過程中,可能會出現CCD攝像機的電十字分劃與合作目標十字分劃不能完全重合,這將帶來動態(tài)角度測量過程中的誤差。為此,可利用基于時間序列和圖像處理的高精度動態(tài)角度測量補償技術,即在一個完整的角度測量過程中,以高低、方位電機開始動作并帶動旋轉變壓器開始計數的時刻記為t1,此時CCD攝像機開始記錄電十字分劃與合作目標十字分劃之間的偏移量(理想狀態(tài)下,該偏移量應為0),以高低、方位電機停止動作且旋轉變壓器停止計數的時刻記為t2,此時CCD攝像機停止工作,這個完整的角度測量過程耗時為Δt=t2-t1。擬定CCD攝像機幀頻為24 f/s,則建立24×Δt幀圖像的偏移量和角度補償之間的數據模型,進而對每個時刻的高低、方位角值進行補償,從而獲得高精度動態(tài)角度測量結果。

3.4 誤差分析

本文提出的角度測量方法,主要誤差源包括夾持裝置共軸誤差、瞄準誤差、測距誤差、伺服系統誤差等。夾持裝置將角度測量傳感器和被測對象進行可靠連接,要求和被測對象機械軸線嚴格共軸,為此可采用彈簧頂塊鎖緊方式或齒輪傳動彈性塊膨脹鎖緊方式減小兩者之間的配合間隙,也可在設備出廠前進行自校準,即將角度測量傳感器插入標準通孔中,前面放置平行光管,使其十字分劃成像于角度測量傳感器十字分劃中心,然后順時針轉動傳感器360°。若平行光管十字分劃像相對于角度測量傳感器十字分劃中心擺動量小于3個像素,即可認為符合出廠精度要求,角度測量傳感器高分辨率CCD攝像機鏡頭焦距f=80 mm,像元大小L=2.2 μm×2.2 μm,則CCD攝像機角度分辨率為:

σ21=arctan(0.0022/80)=5.67″

(8)

聯合σ21可得瞄準誤差:

=17.94″

(9)

瞄準誤差指角度測量傳感器的電十字分劃與立靶十字分劃之間的計算偏差,這由CCD攝像機角度分辨率決定。測距誤差指被測對象與十字立靶之間的空間距離,由激光測距機測得。選用半導體激光測距機,測距精度為0.01 m,根據空間坐標轉換關系,測距精度對結果的影響可忽略不計。

伺服系統誤差主要為旋轉變壓器精度,設備出廠前利用角秒級旋變標定設備進行標定,測角精度能達到30″內。

上述誤差源相互獨立,因此總的測量誤差為:

4 結 論

在介紹現有空間角度測量技術及設備基礎上,提出了一種基于機器視覺的動態(tài)角度測量方法。利用高精度兩軸伺服系統識別跟蹤遠處場景中的十字分劃靶標,利用圖像處理算法實時跟蹤計算偏移量并傳遞給兩軸伺服系統進行高低、方位角度修正,實現了大間距條件下的空間角度動態(tài)測量,該方法可解決武器系統調炮精度、光電桅桿偏移量、火炮身管晃動量等動態(tài)角度測量問題。下步還可做以下優(yōu)化改進,即選擇遠場中的典型目標作為合作目標,如樹木、屋檐、靜止車輛等,通過形態(tài)學分析與圖像特征匹配技術實現該類目標的自動識別跟蹤,提高測量設備的智能化水平。

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