[发明专利]一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法

摘要

本发明涉及运动物体空间姿态动态测量技术领域，具体公开了一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法。该方法包括1）在被测物上设置光学靶标，并利用激光跟踪仪对所有光学靶标进行全局校准；2）利用相机测量系统标定技术对测量系统进行标定，并控制左右两相机同步采集测量图像，并通过图像处理技术提取光学靶标的图像坐标；3）利用步骤1、2所获得的光学靶标在被测物坐标系下的三维坐标和在测量坐标系下的三维坐标，获得旋转矩阵，获得被测物的三维空间姿态角。该测量方法，可以测量非轴对称的不规则外形的空间物体的瞬时空间三维姿态角；在测量范围2m×2m×2m的空间中，测量频率1000Hz的测量条件下，测量精度可达到空间角合成均方根误差小于0.05°。

主权项

一种不规则外形物体空间姿态动态测量方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：步骤1、在被测物上设置光学靶标，并利用激光跟踪仪对所有光学靶标进行全局校准；在被测物体表面的明显位置设有光学靶标，并保证被测物体运动过程中左右两台相机均能够同时看到至少三个光学靶标；步骤2、利用相机测量系统标定技术对测量系统进行标定，并利用计算机控制左右两相机同步采集测量图像，并通过图像处理技术提取光学靶标的图像坐标；步骤2.1、利用相机测量系统标定技术标定出左右两台测量相机的内参数和外参数；步骤2.2、通过同步控制器控制两台测量相机以固定测量频率采集测量图像，并利用质心法提取光学靶标的图像坐标；步骤2.3、获取光学靶标在两台相机的测量图像中对应的质心坐标后，对成像镜头的畸变进行校正补偿；步骤2.4、完成畸变校正后，获得光学靶标在测量坐标系下的三维坐标；步骤3、利用步骤1、步骤2所获得的光学靶标在被测物坐标系下的三维坐标和在测量坐标系下的三维坐标，获得被测物坐标系相对测量坐标系的旋转矩阵，从而获得被测物的三维空间姿态角；步骤3.1、利用步骤2获得光学靶标在测量坐标系下的三维坐标(Xm(i),Ym(i),Zm(i))(i＝1,2,3)后，结合步骤1获得的光学靶标在被测物坐标系下的三维坐标(Xt(i),Yt(i),Zt(i))(i＝1,2,3)，求解被测物坐标系相对测量坐标系的旋转矩阵；考虑坐标系的平移，将坐标系原点由点P1平移到P2点，有关系式：P2=P1+t=xp1+xtyp1+ytzp1+zt]]>考虑坐标系的旋转，坐标系的旋转可通过旋转矩阵R描述，绕X、Y、Z轴的旋转矩阵为：RX=1000cosα-sinα0sinαcosαRY=cosβ0sinβ010-sinβ0cosβRZ=cosγ-sinγ0sinγcosγ0001]]>旋转矩阵R=RzRyRx=cosβcosγ-cosαsinγ+sinαsinβcosγsinαsinγ+cosαsinβcosγcosβsinγcosαcosγ+sinαsinβsinγ-sinαcosγ+cosαsinβsinγ-sinβsinαcosβcosαcosβ]]>光学靶标在被测物坐标系与测量坐标系中三维坐标有如下关系：p2＝Rp1+t通过3个光学靶标，通过去中心化处理，得到只含旋转分量的坐标，列出如下参数方程，通过优化迭代可解算出旋转矩阵R；x11y11z11x12y12z12...x1iy1iz1i=x01y01z01000000000x01y01z01000000000x01y01z01x02y02z02000000000x02y02z02000000000x02y02z02...........................x03y03z03000000000x03y03z03000000000x03y03z03·r1r2r3r4r5r6r7r8r9]]>上述方程组中，r1,…,r9为旋转矩阵元素；x0i,y0i,z0i为目标初始点第i点去重心坐标，x1i,y1i,z1i为目标运动后对应第i点去重心坐标；步骤3.2、加入约束条件，获得被测物是三维空间姿态角；加入如下约束：r12+r22+r32=1r42+r52+r62=1r72+r82+r92=1r1r2+r4r5+r7r8=0r2r3+r5r6+r8r9=0r1r3+r4r6+r7r9=0]]>优化迭代得到旋转矩阵R后，可反求出物体绕三轴的旋转角：α=arctan(r8r9)]]> β＝‑arcsin(r7)γ=arctan(r4r1)]]>其中，α、β和γ为被测物的三维空间姿态角，即俯仰角、滚转角和偏航角。