基于单目视觉的三点测量滚转角方法

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1、第30卷第2期2011年4月飞行器测控学报JournalofSpacecraftTT&CTechnoIogyV01．30No．2Apr．2011基于单目视觉的三点测量滚转角方法。徐一丹，周剑，孙祥一，张小虎(国防科技大学航天与材料工程学院·湖南长沙·410073)摘要：确定轴对称物体的滚转角是光学测量的重要内容，具有十分广泛的工程应用背景。本文提出一种单像机测量滚转角的新方法，通过3个控制点即可完全确定物体滚转角。仿真数据计算证明了该方法的正确性和可行性。关键词：单像机；滚转角；正反张角；投影比模扳中图分类号：TP39l；TH744文献标识码：A文

2、章编号：1674—5620(2011)02一0029一04MonocularVisionMethodforRollAngleMeasurementbvThreePointsXUYidan，ZHOUJian，SUNXiangyi，ZHANGXiaohu(CollegeofA凹Dspa艟aIldMat商alEngin∞ring，Nati伽lalUniversity0fDE《∞靶1khnology，charIgslla，HumnProvince410073)Abstr北t：Estimationofrollangleisaveryimportantarea

3、ofresearchinopticaImeasurementsinceitiswidelyper—formedinmanyapplications．Thispaperpresentsanovelmethodofronanglemeasurementbasedonmonocularcamera．withtheproposedmethod，rollarlgleisdeteminedcompletelybythreepoints．Thecorrectnessandfeasi—bilityofthemethodisverifiedwithsimulatio

4、ndata．Keywords：MonocularCamera；RollAngle；PositiveandNegativeF1areAngle；ProjectionProportionO引言测量目标滚转是确定物体三维姿态的重要环节。在火箭、导弹等飞行器的设计中，设计人员根据测量得到的滚转等三维姿态信息对飞行器进行评估和设计。传统的滚转测量方法是利用高精度的陀螺进行姿态测量，此方法需要将陀螺安装到飞行器中，并且需要将陀螺的测量数据通过有线或无线方式传输给记录仪器u]。近年来有使用V型反射镜和双频激光干涉仪结合的检测方法[2]，使用多个传感器对目标同时测

5、量的二点法(或三点法)测量技术[3]等，都存在设备复杂、专业性强、价格昂贵等情况。对于航天器发射，落地冲击等破坏性试验只能进行一次测量，测量代价非常高。近年来，通过光学测量的方法确定飞行器j维姿态有了很大的进展。光学测量具有非接触、全场测量和高精度等特点，克服了传统方法的多数弊端，在很多场合得到了应用。如根据双目视觉基本原理实现目标三维姿态测量，在航空航天测控、靶场试验等领域已有较多应用[4删；利用单目视觉进行三维姿态测量的方法也有不少，其中不乏构思巧妙、经济实用的方法，如椭圆度法、长宽比法等[4]，但对三维姿态中滚转角的测量办法不多，现在提的比较

6、多的是螺旋线法[7]，但该方法提点误差比较大，直接影响测量结果。本文提出一种单像机测量物体滚转角的新方法，利用简单的十字丝标志，高精度提取控制点，完成目标滚转角测量。仿真数据计算证明了该方法的正确性和可行性。1测量方法1．1基本原理为讨论方便，暂不考虑物体俯仰角和偏航角的影响。如图l所示，沿垂直轴线方向，在P—P取一截面s，在物体面s圆周上取控制点A、B、C、D，并定*收稿日期：2010一09—25；修回日期：2010—11—09基金项目：国家自然科学基金(10727202)资助项目第一作者简介：徐一丹(1981一)，男，博士研究生，研究方向为精密

7、光潮技术与图像处理；E_m“I：xuyidanl224@hotmaiLc锄30飞行器测控学报第30卷义口、p、y角，称口为正张角，口为反张角，以D点为滚转角零点，则B点的滚转角即为y，以上3个角度均以逆时针方向为正，则图1和图2中所示a、y为正，口为负。设截面半径为R，O为截面s的圆心。A、B、C、D在垂直于0D面上的投影分别为AP、BP、C，、D，，建立图示右手坐标系。yL●惩煅⋯蔚E＼吧W够11)’＼／pP—p图1基本原理示意图垂图2俯仰角为口时示意图由图1所示几何关系有I石忑，I=R[sin(口+y)一siny](1)I】；Z，l=R[sin

8、(p+y)+siny](2)令z=lA，BPl／IB，CP(3)称z为投影比。由式(1)、式(2)、式(3)整理得tany