[发明专利]体目标连续运动参数的全参数化视觉测量方法

权利要求书

1.体目标连续运动参数的全参数化视觉测量方法，将运动体目标的运动参数全参数化，建立整体求解方程，将全参数化的体目标运动参数与未知的结构参数带入方程进行求解，最终得到需要求解的量，其特征在于，分为以下三步：

步骤1、首先将运动体目标的位置和姿态信息全参数化，将其用时间参数多项式表达，具体内容为：

将体目标运动分解为平动和转动，用六个参数来描述体目标运动，分别是基点的XYZ坐标以及体目标的三个姿态角，即俯仰角偏航角ψ、滚转角γ，将这六个参数用时间参数多项式表达，此时待求解的量将变为六个多项式的组成系数，具体包括：

3.2.1坐标系定义及转换关系

为了方便进行计算，对体目标局部坐标系进行如下定义，以特征点1为原点，以1-2点射线为X轴方向，Y轴在1-2-3点确定的平面内，根据右手直角坐标系的坐标轴关系确定出Z轴，

对于坐标转换关系，参考飞行力学中由发射坐标系到弹体坐标系的三个姿态角的转动顺序为俯仰角-偏航角-滚转角，假设从世界坐标系到局部坐标系的三个欧拉角的转动顺序为绕Y轴转动-绕Z轴转动-绕X轴转动，假设体目标上某一点Q在局部坐标系中的坐标为一列向量

为了便于表达，称从世界坐标系到局部坐标系的三个欧拉角分别为俯仰角、偏航角、滚转角，假设此时的俯仰角、偏航角、滚转角分别为ψ、γ，根据坐标转换关系，点Q在世界坐标系中的坐标列向量为

其中，P₁为局部坐标系原点，即特征点1在世界坐标系中的坐标，M为方向余弦矩阵，M^T表示M的转置，对于方向余弦矩阵，其转置矩阵和逆矩阵相等，有

以上是从局部坐标系到世界坐标系的坐标转换关系，当需要将体目标上一点的世界坐标系转换为局部坐标系坐标时，根据式(3-4)，有

这样，在计算中有需要的时候，可将任一点的位置坐标用该点在世界坐标系中的坐标或者局部坐标系的坐标表达，方便对体目标运动参数进行求解，

3.2.2坐标转换表达式的展开

由于在建立整体求解方程时需要XYZ三坐标轴具体的转换表达式，因此在这里需要具体地将坐标转换表达式展开，

假设1-2点，2-3点，3-1点之间的距离分别为

(d₁₂ d₂₃ d₃₁) (3-9)

根据局部坐标系的定义，特征点2与特征点3的在局部坐标系中的坐标为

其中θ为1-2与1-3连线的夹角，根据平面三角形几何关系

特征点2与特征点3由局部坐标系坐标转换到世界坐标系坐标的关系式为

将上式展开得到

式中X_Pj、Y_Pj、Z_Pj分别表示特征点j的在世界坐标系中的X、Y、Z轴坐标值，j为1、2、3，

上式即为建立整体求解方程需要用到的坐标转换关系式；

步骤2、然后通过分析，根据空间几何关系建立整体求解方程；

所述建立整体方程，具体为：

建立整体求解方程前，首先需要将描述体目标的6个运动参数全部用时间参数多项式表达，假设描述位置信息的三个参数与描述姿态信息的三个参数分别为

对于3个特征点中任意特征点j，根据视线-轨迹交会法中方程有

联立3个特征点的6个方程式，有

其中，特征点1坐标由时间参数多项式表达，特征点2与特征点3坐标由特征点1坐标以及时间参数多项式表达的姿态角加上结构参数表示出，得到了一个关于6组多项式系数以及3个未知结构参数组成的非线性方程组，式中X_Pj、Y_Pj、Z_Pj分别表示特征点j的在世界坐标系中的X、Y、Z轴坐标值，j为1、2、3；α_ji表示任一拍摄时刻t_i每个特征点相对于相机在空间中的俯仰角、β_ji表示任一拍摄时刻t_i每个特征点相对于相机在空间中的方位角，j为1、2、3；X_C＝f_XC(t)，Y_C＝f_YC(t)，Z_C＝f_ZC(t)，表示相机随时间的运动轨迹；

对于每一拍摄时刻t_i，可得到此时刻体目标状态对应的一个方程组

对每一拍摄时刻列写上述方程组，可得到整体求解算法的整个方程组，对于实际观测得到的数据，通过数值求解计算得到各个待求解的量，从而确定出体目标的所有结构和运动参数，

实际求解过程中，考虑到整体求解方程所有参数过于复杂，观察方程组的特点，看到特征点1坐标求解首先独立求解得到，而不影响后面姿态角参数与结构参数的求解，所以在具体的计算过程中，在数值计算中分为两步进行求解，即先求解以特征点1为基点的位置参数，然后求解体目标结构参数和运动姿态参数；

步骤3、最终，将参数化的体目标运动位置和姿态参数以及未知的结构参数带入整体方程求解，得到待测量。

2.根据权利要求1所述的体目标连续运动参数的全参数化视觉测量方法，其特征在于，所述待测量求解，具体内容为：

4.1)体目标位置参数的求解

本算法中以特征点1为基点描述体目标的运动信息，因此，求解得到特征点1的时间多项式表达的空间运动轨迹实际上就得到了体目标的运动位置参数，对于位置参数的求解，先考虑方程组(3-19)的前两项，即

将参数化后的体目标位置参数表达式带入方程，并进行数值求解，通过求解此方程，得到特征点1的时间多项式表达的空间运动轨迹，即得到具体的表达式

至此，得到以特征点1为基点的体目标运动位置参数；

4.2)结构和姿态参数的求解

在通过求解整体方程组的前两项完成位置参数的解算后，得到了特征点1的时间多项式表达的空间运动轨迹，对于整个求解方程

只需考虑后四项，即

式中，特征点2和特征点3坐标表达式为

此时，特征点1的坐标表达式已知，因此需要求解的量为1-2点，2-3点，3-1点之间的距离

(d₁₂ d₂₃ d₃₁) (3-26)

以及各个姿态角时间参数表达式的系数

通过将各个姿态角的表达式(3-16)带入方程(3-23)，通过数值计算求解方程，可以得到各待求解量的数值解，从而获得各特征点之间的距离以及三个姿态角的时间参数表达式，从而确定出体目标的结构参数和运动姿态参数，加上之前已经求解得到的体目标运动位置参数，得到所研究对象体目标所需求解的结构信息和运动位置姿态信息。