[发明专利]用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置及解算方法

权利要求书

1.一种用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置，其特征在于：

所述用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置，包括网络摄像机、RS422通信模块、控制计算机和软件模块，通过网络摄像机采集多组图像信息，通过控制计算机上的软件模块实时显示采集的图像数据，操作人员通过选取感兴趣的图像目标点，控制计算机记录当前图像目标点的位置信息，并通过RS422串口通信获取转台的方位角、俯仰角和横滚角信息，软件模块对方位角、俯仰角和横滚角信息进行分析处理，并把方位角、俯仰角和横滚角信息在本地保存，将同一目标位于相机坐标系的信息和产品坐标系的信息分别转换到地理系下进行比较，求解得到两坐标之间的偏差转换矩阵，即可标定光电产品的安装偏差角。

2.根据权利要求1所述的一种用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置，其特征在于：

所述网络摄像机采用5000系列型号为A5201CG50的GigE面阵工业相机，相机帧率为50Hz，输出图像分辨率为1920×1200，完成图像的高帧频采样，并把原始图像数据回传给控制计算机，由控制计算机上的高帧频图像采集记录模块进行图像采集，最终在控制计算机软件中显示分辨率为1080P的高清图像。

3.根据权利要求1所述的一种用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置，其特征在于：

所述RS422串口通信模块提供全调制解调器控制信号，确保与飞行姿态激励转台进行串口通信，获取转台的方位角、俯仰角和横滚角，每个端口数据速率达1Mbps。

4.根据权利要求1所述的一种用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置，其特征在于：

所述控制计算机采用工业平板电脑，配置千兆以太网卡接收网络摄像机传输的图像数据，配置多个串口接口，用于获取飞行姿态激励转台的方位角、俯仰角和横滚角信息；集成多个软件模块用以实现对高帧频图像采集和记录，对目标角度信息的分析，求解光电产品的安装偏差角以及对实验数据的记录管理。

5.根据权利要求1所述的一种用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置，其特征在于：

所述软件模块安装在控制计算机上，包含高帧频图像采集记录模块、目标角度分析模块、分析偏差角度模块和实验数据管理模块，其中：

高帧频图像采集记录模块实时接收并处理网络摄像机输出的图像数据，显示图像数据，并根据需求存储在本地文件；

目标角度分析模块通过控制计算机与飞行姿态激励转台进行串口通信，回读飞行姿态激励转台的角度信息，根据飞行姿态激励转台的角度信息分析出目标的角度信息并进行显示与记录数据；

分析偏差角度模块采用坐标系转换的方法，通过坐标系之间的转换关系将角度偏差以误差矩阵的形式表示出来，采集多组数据利用最小二乘法进行求解误差矩阵，再完成安装偏差角的解算，求解出的角度偏差的精度小于1mrad。

6.一种利用权利要求5所述用于标定光电产品安装偏差的观察评估装置的解算方法，其特征在于包括下述步骤：

所述分析偏差角度模块安装偏差角的解算方法的具体步骤为：

步骤1：平面二维坐标系与空间三维坐标系的转换；

首先将网络摄像机安装于飞行姿态激励转台的回转中心，调整转台横滚并对一固定目标进行拍照观察，通过调整摄像机安装角确保目标在焦平面上的成像位置不变，以此保证相机坐标系与转台坐标系重合；

平面二维坐标系是图像坐标系，空间三维坐标系是以转台回转中心为原点的转台系即相机坐标系，从相机坐标系到图像坐标系，属于投影关系，从三维空间转换到二维空间，O_cX_cY_cZ_c是空间相机坐标系，oxz是图像坐标系，P(X_c,Y_c,Z_c)为目标点的空间三维坐标值，P(x,z)是目标点在图像坐标系的坐标值，f是相机焦距，A为目标在相机坐标系O_cY_c轴上的投影，B为目标在相机坐标系O_cX_cY_c面上的投影，C为目标点在图像坐标系ox轴上的投影；

存在两组相似三角形ΔABO_c～ΔoCO_c、ΔPBO_c～ΔpCO_c，由两组相似关系得到如下公式：

则得到

设R为点P(X_c,Y_c,Z_c)与原点O_c的距离，则有θ表示目标点相对原点O_c在O_cX_cY_cZ_c坐标系下的俯仰角，即φ表示目标点相对原点O_c在O_cX_cY_cZ_c坐标系下的方位角，即

由图像坐标系转换到像素坐标系，设Ouv是像素坐标系，Oxz是图像坐标系，两者坐标系转换关系为：即转换成矩阵公式为：

因此，从相机坐标系转换为像素坐标系的转换矩阵为：

其中，dx、dz分别为水平和垂直的像素距离；

步骤2：空间三维坐标系的转换；

同一目标点在这两个坐标系中坐标值不同，把同一目标点在一个坐标系的坐标值转换到另一个坐标系的坐标值，经过转换矩阵表示出两个坐标系之间的偏差，该偏差即为安装偏差角的矩阵形式；

产品系记作坐标系c_f，相机系即为转台系记作坐标系c，坐标系c_f先绕z轴正向旋转方位安装角ψ，再绕x轴正向旋转俯仰安装角最后绕y轴正向旋转横滚安装角γ，得到坐标系c，三个安装角为ψ、γ∈(-90°,90°)，是坐标系c_f到坐标系c的坐标变换矩阵：

产品系下目标坐标表示为φ'、θ'分别表示目标在产品系下相对于坐标原点的方位和俯仰角；转台系下目标坐标表示为φ、θ分别表示目标在转台系下相对于坐标原点的方位和俯仰角，与目标在相机坐标系下的方位俯仰角相等，用统一标号表示；坐标系的旋转不会改变目标点与原点之间的距离R，即R²＝x²+y²+z²＝x'²+y'²+z'²：

则由产品系到转台系的坐标转换表示为：

化简得：

步骤3：最小二乘法

利用最小二乘法求得偏差矩阵的最优解，最小二乘法采用矩阵的表达形式：

U＝VA，其中，V、U分别为两个坐标系的对应数值矩阵，A为待求解的安装偏差矩阵；根据最小二乘的公式得到：V^TU＝V^TVA，此时，矩阵V^TV为方阵，两边同时左乘矩阵V^TV的逆矩阵，便可求解得矩阵A，即：

A＝(V^TV)^-1V^TU

步骤4：安装偏差求解

由步骤3可知，光电产品与转台之间的安装偏差可通过三维坐标转换表示为偏差矩阵的形式，矩阵中的9个元素均为三个安装偏差角的组合形式，由矩阵中各元素求得光电产品的安装偏差；

在图像上选取多组目标点，由目标的每组像素坐标分别代入式(1)，得到各目标在相机系即转台系下的坐标值φ_k和θ_k(k＝1,2,3L)，并记录每组坐标对应的转台姿态；将网络摄像机拆下，将光电产品安装于转台，并控制转台运动到记录的相应姿态位置；在产品成像画面选取相同目标点，分别记录各目标点的方位角φ'_k和俯仰角θ'_k(k＝1,2,3L)；将φ_k、θ_k、φ'_k和θ'_k分别代入式(2)，得到n个方程，其中n≥3，利用最小二乘法求解方程组，得到偏差矩阵

根据中九个元素的值，利用反三角函数依次解算ψ、γ，即可标定光电产品的三个安装偏差角。