[发明专利]三轴气浮台姿态角双目立体视觉测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种三轴气浮台姿态角双目立体视觉测量装置及其测量方法。

背景技术

三轴气浮台是空间飞行器运动模拟器，用于在全物理仿真实验中检验卫星控制系统的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。

三轴气浮台由球面气浮轴承和轴承座组成，轴承座上有气孔，压缩气瓶不断通过气孔向球面气浮轴承与轴承座之间输送压缩空气，使球面气浮轴承浮起，球面气浮轴承台面可以进行三维转动。由于球面气浮轴承和轴承底座之间摩擦极小，所以三轴气浮台的姿态变化可以模拟卫星在太空无摩擦力学环境中的运动。

三轴气浮台在试验过程中需要通过姿态测量系统动态地给出气浮台的三维运动角度、角速度，以便完成控制闭环。由于三轴气浮台需要为卫星姿态控制系统物理仿真提供无干扰环境，以往接触式的测量装置和方法(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于三轴气浮台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。

经检索文献发现，中国发明专利申请号：200610010260.2，专利名称为：三轴气浮台姿态角测量装置及其测量方法，该专利在三轴气浮台上方安装有CCD摄像机，在气浮台台面上安装有测量LED光标系统，利用计算机视觉理论结合测量光标点间的距离信息，计算出气浮台台面相对于摄像机的相对运动参数。该测量方法对光标点的几何结构有严格要求。

中国发明专利申请号：200610010435.X，专利名称为：非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法，该专利采用彩色CCD摄像机采集由4个红光LED和微型绿色激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的图像，利用计算机视觉理论并结合测量靶标及CCD摄像机安装信息，计算出气浮台台面的转动参数。该方法必须采用彩色CCD摄像机与激光器实现，成本高。

在文献“三轴气浮台视觉测量系统研究”(发表于中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2008年第24卷第4-1期，124-126)中，北京理工大学的刘伟、徐斌介绍一种利用机器视觉识别物体颜色特征的方法来检测三轴气浮台的姿态变化的方法，通过摄像头获取的图像检测到目标点颜色，以此计算求出气浮平台的姿态。本文通过采用自适应阈值、快速预测搜索算法。但该系统使用颜色信息作为测量特征，其精度受到限制，同时该文没有给出明确的角度计算方法。

在文献“五自由度气浮台姿态的计算机视觉辅助确定”(2009年第41卷第4期，220-226)设计了一种“单目视觉+两轴倾角仪+三轴陀螺仪”的组合定姿方案来确定五自由度气浮台姿态信息，其中单目视觉模块只能解算出气浮台的偏航角。

在文献“基于单目视觉的三维姿态测量方法与系统实现”(哈尔滨工业大学工程硕士论文，2011年6月)介绍了一种基于单目视觉的姿态测量系统，该系统利用摄像机标定原理实现对目标的运动姿态实时测量，在这个过程中需要进行多次坐标转换以及参数解析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够动态测量三轴气浮台三个姿态角、并且不会对气浮台产生干扰的三轴气浮台双目立体视觉测量装置及其测量方法。

本发明的目的是这样实现的：一种三轴气浮台姿态角双目立体视觉测量装置，包括三轴气浮台，安装在三轴气浮台上的气浮轴承台面能够浮起进行三维转动，还包括2台摄像机及其基座、立体测量标靶、辅助光源和计算机，在气浮轴承台面上方安装两台黑白数字CCD摄像机，摄像机安装在基座上，辅助光源安装在摄像机附近，立体测量标靶安装在气浮轴承台面上，立体测量标靶上设置有多个人工标志点，数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理。

本发明还具有如下特征：

以上所述的数字CCD摄像机通过数据线与转换器相连，转换器与计算机相连，数字CCD摄像机的镜头为物方远心镜头。

本发明公开的一种三轴气浮台姿态角双目立体视觉测量方法，方法如下：

(1)、将立体测量标靶安装在三轴气浮台的台面上，建立世界坐标系；

(2)、立体测量标靶上有多个标志点，设置在三轴气浮台的台面上方的两台计算机对立体测量标靶的图像信息进行分析与处理，针对这些标志点完成特征提取和亚像素定位；

(3)、利用标志点的定位信息，根据计算机视觉成像原理，计算两台摄像机各自的图像像素坐标系与世界坐标系之间的投影矩阵H₁和H₂；

(4)、两台摄像机实时、连续地采集立体测量标靶上标志点的图像，并传输至计算机；