基于光学的空间物体姿态测量技术研究

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1、万方数据分类号：UDC：密级：编号：工学硕士学位论文基于光学的空间物体姿态测量技术研究硕士研究生：指导教师：学科、专业：论文主审人：洪国庆孙华教授控制科学与工程魏延辉副教授哈尔滨工程大学2018年3月万方数据分类号：UDC：密级：编号：工学硕士学位论文IIIIIIIIIIILIIIIIIIIIIIIIIIIIIqlllllY3492022基于光学的空间物体姿态测量技术研究硕士研究生：指导教师：学位级别：学科、专业：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：洪国庆孙华教授工学硕士控制科学与工程自动

2、化学院2018年3月2018年3月哈尔滨工程大学万方数据ClassifiedIndex：U．D．C：ADissertationfortheDegreeofM．EngTheStudyofSpaceObjectAttitudeMeasurementTechnologyBasedonOpticsCandidate：Supervisor：AcademicDegreeAppliedfor：EngineeringField：DateofSubmission：DateofOralExamination：Universi

3、ty：HongGuoqingProfSunHuaMasterofEngineeringControlScienceandEngineeringMar．2018HarbinEngineeringUniversity万方数据哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均

4、已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(号字)：珐J匐庆日期：．刈睥3月悼日学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单

5、位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(耐在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(号字)：漩I司霞导师(号字)：丁球华f日期：)D／宫年2月／争日刈2年3月／笋日万方数据基于光学的空间物体姿态测量技术研究摘要在精密制造业、航天、航空、建筑等领域，设备之间的相对三维姿态角是影响系统传递性能或加工精度的重要物理量。由于光学测量是非接触测量而且是全场测量，所以相对于传感器测量等其他测量技术而言，光学测量技术拥有简单、方便、可靠、价格

6、低廉等优势。本文通过光学非接触测量方法并以图像处理技术为基础，在空间物体姿态测量系统设计、姿态角解算方法、姿态测量图像的处理、测量系统的试验与验证等方面展开了研究。首先，设计了姿态测量系统及软硬件平台，根据光学测角的原理，采用FPGA作为测姿系统的处理器，完成了光学测姿系统的总体设计；首先搭建了硬件系统包括内嵌的NioslI软核部分，替代传统的FPGA+DSP结构：其次搭建了软件部分，主要包括视频采集和通信模块的设计，前者用来图像的采集与实时显示，作为后期一系列图像算法的实现与验证的基础，后者用来与PC机

7、进行通信。其次，对姿态角解算方法进行了研究。根据平面镜反射定理，采用双基准光源设计了一种三维小角度测量方法；首先建立了姿态测量系统的各个坐标系，完成姿态角的数学建模；然后采用摄像机的常用坐标系来建立图像像素与实际尺寸之间的变换关系，最后通过光学测角原理和摄像机的小孔成像模型完成姿态角的求解。再次，对姿态测量图像的处理算法进行了研究。通过分析激光光斑的特征并为了很好的提取激光光斑图像，首先要对捕获的图像进行预处理，对图像数据进行改善，滤除干扰的部分；其次进行光斑实时检测与光斑中心坐标的提取，为下一步姿态角的

8、解算做好准备；最后根据光学测姿系统的实时性要求，利用FPGA设计灵活、并行处理的优点，完成图像处理算法的硬件实现。最后，对测量系统进行了试验与验证。为了校准和测试内部光学系统和外部结构的几何参数，以保证测量系统的精度。首先采用了平面模板的摄像机标定方法对摄像机的内外参数进行了标定；其次采用了网格标定法对测量系统进行了标定；最后对系统测量的误差进行了分析，并验证了本文设计的姿态测量系统的测量误差在允许的范围之内。关键词：光学测量