本發(fā)明涉及一種基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置及方法，屬于航天器參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的衛(wèi)星太陽能帆板撓性運動參數(shù)測量裝置主要采用壓電傳感器、加速度傳感器、光柵和機器視覺四種方法進行測量。

例如，壓電傳感器測量裝置是將壓電傳感器貼于衛(wèi)星帆板兩側(cè)，當(dāng)傳感器中的電介質(zhì)隨帆板形變而受到壓力時，會產(chǎn)生對應(yīng)的電信號，根據(jù)電信號的大小來估計帆板撓性運動參數(shù)。由于采用多壓電片測量帆板形變，對粘貼的精度要高，并且要求每片壓電陶瓷片的參數(shù)一致，對壓電片和粘貼提出了精度和一致性的要求，安裝和應(yīng)用不方便，尤其是對于大型柔性結(jié)構(gòu)，使壓電片布滿整個結(jié)構(gòu)并不容易實現(xiàn)。

又如，加速度傳感器測量裝置采用帆板采集節(jié)點處理器來監(jiān)測帆板振動的方法。該處理器由加速度傳感器、通道開關(guān)、a/d變換電路組成，其監(jiān)測數(shù)據(jù)精度由a/d轉(zhuǎn)換電路變換電路的位數(shù)決定。由于加速度傳感器自身缺陷有易受電磁干擾和溫度噪聲影響，測量探頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大以及布置空間易受限制。

再如，光柵測量裝置中的纖芯內(nèi)含有永久性空間相位光柵，當(dāng)光柵受到拉伸、擠壓及熱變形時，檢測光柵反射信號的變化。但光纖光柵作為振動傳感器具有中心反射波長隨溫度發(fā)生漂移的問題，需要嚴(yán)格的溫度補償，以及精密的長度控制。同時，太陽帆板固有的冷脹熱縮特性鉗制了光纖光柵性能的提高。

最后，機器視覺測量裝置采用攝像機或相機采集太陽帆板圖像，提取圖像特征，根據(jù)視覺成像幾何關(guān)系計算太陽帆板上某物點的空間位置。但在已有的計算機視覺太陽帆板振動方法中，單目視覺對光標(biāo)安裝位置和形狀有具體要求，超出其限制則無法求得振動信息；雙目視覺方法需要根據(jù)內(nèi)、外參數(shù)標(biāo)定，以確定兩臺攝像機之間的相對坐標(biāo)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上實時解算標(biāo)志點三維坐標(biāo)，計算模型復(fù)雜，精度要求高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置及方法，以解決現(xiàn)有的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量存在的計算精度較低、計算速度較慢、參數(shù)的一致性較差以及計算裝置和測量裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的問題，為此本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置，包括：運動模擬模塊、參數(shù)采集模塊和參數(shù)計算模塊；

所述運動模擬模塊用于通過設(shè)置在撓性帆板上的預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點模擬衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動狀態(tài)；

所述參數(shù)采集模塊用于通過兩個圖像采集單元采集所述撓性帆板上的標(biāo)志點的撓性運動狀態(tài)參數(shù)；

所述參數(shù)計算模塊用于根據(jù)所述標(biāo)志點的撓性運動狀態(tài)參數(shù)計算獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。

基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量方法，包括：

將兩個圖像采集單元的成像面位于同一平面上，以一個圖像采集單元的坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系；

確定兩個所述圖像采集單元之間的基線距離以及通過對所述圖像采集單元進行標(biāo)定以獲得畸變參數(shù)；

通過兩個所述圖像采集單元實時采集預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點的圖像，并將兩幅所述圖像輸出；

根據(jù)所述畸變參數(shù)對兩幅所述圖像進行畸變校正；

對經(jīng)過畸變校正的圖像進行二值化、特征提取和亞像素定位，以獲取所述標(biāo)志點在兩幅所述圖像中各自的圖像物理坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)；

根據(jù)所述圖像物理坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)計算獲得兩個所述圖像采集單元的視差；

根據(jù)所述基線距離、所述圖像物理坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)和所述視差計算獲得所述標(biāo)志點在世界坐標(biāo)系中的三維空間坐標(biāo)。

本發(fā)明采用非接觸的方式進行參數(shù)采集及處理，不會對衛(wèi)星太陽帆板的運動產(chǎn)生干擾，還能夠?qū)πl(wèi)星工作的電磁環(huán)境具有抗干擾能力；參數(shù)采集過程中采用的兩個圖像采集單元在系統(tǒng)搭建過程中只需要進行一次內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，測量過程中無需進行標(biāo)定，具有安裝及計算過程簡潔、計算速度較快的特點；通過計算獲得的圖像物理坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)能夠確定衛(wèi)星太陽能帆板上的所有標(biāo)志點的實時三維空間坐標(biāo)，可用于計算太陽能帆板撓性運動參數(shù)，不僅計算精度較高，而且能夠保證各個標(biāo)志點的參數(shù)一致性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為運動模擬模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量方法的流程示意圖。

圖4為本發(fā)明所述另一基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量方法的流程示意圖。

圖5為實施例一中的世界坐標(biāo)系、圖像采集坐標(biāo)系和圖像物理坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖。

圖6為實施例一中的圖像像素坐標(biāo)系與圖像物理坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖。

圖7為實施例一中的雙目視覺測量原理示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

結(jié)合圖1和圖2所示，本具體實施方式提出的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置包括：運動模擬模塊10、參數(shù)采集模塊20和參數(shù)計算模塊30；運動模擬模塊10用于通過設(shè)置在撓性帆板11上的預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點12模擬衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動狀態(tài)；參數(shù)采集模塊20用于通過兩個圖像采集單元21采集撓性帆板11上的標(biāo)志點12的撓性運動狀態(tài)參數(shù)；參數(shù)計算模塊30用于根據(jù)標(biāo)志點12的撓性運動狀態(tài)參數(shù)計算獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。

可選的，結(jié)合圖1和圖2所示，運動模擬模塊10包括撓性帆板11、固定支架13和預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點12，撓性帆板11通過固定支架13與衛(wèi)星固定裝置40連接，預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點12以預(yù)定間隔設(shè)置在撓性帆板11上。

可選的，結(jié)合圖1所示，每個圖像采集單元21的光軸平行，成像面在一個平面上。

可選的，結(jié)合圖1所示，參數(shù)采集模塊20還包括兩個輔助光源22，每個輔助光源22分別為一個圖像采集單元21提供照明，以使撓性帆板11在運動到最大振幅時也能夠使所有標(biāo)志點12在每個圖像采集單元21的視場范圍內(nèi)。

可選的，標(biāo)志點12采用反光膜式標(biāo)志點，并粘貼在撓性帆板11上。標(biāo)志點12的幾何形狀為圓形，其數(shù)量可根據(jù)所述太陽能帆板的長度以及測量精度的要求進行調(diào)整。

可選的，結(jié)合圖1所示，參數(shù)采集模塊20還包括基座23，基座23用于固定兩個圖像采集單元21和兩個輔助光源22。

可選的，結(jié)合圖1所示，參數(shù)計算模塊30包括信號轉(zhuǎn)換單元31和參數(shù)計算單元32，信號轉(zhuǎn)換單元31用于將參數(shù)采集模塊20采集的圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并發(fā)送，參數(shù)計算單元32用于接收并根據(jù)所述數(shù)字信號計算獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。

可選的，參數(shù)計算單元32包括坐標(biāo)計算子單元，所述坐標(biāo)計算子單元用于根據(jù)預(yù)定標(biāo)志點12在參數(shù)采集模塊20所在的世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)計算獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。

結(jié)合圖3所示，本具體實施方式提出的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量方法包括：

步驟31，將兩個圖像采集單元的成像面位于同一平面上，以一個圖像采集單元的坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系；

步驟32，確定兩個所圖像采集單元之間的基線距離以及通過對圖像采集單元進行標(biāo)定以獲得畸變參數(shù)；

步驟33，通過兩個圖像采集單元實時采集預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點的圖像，并將兩幅圖像輸出；

步驟34，根據(jù)畸變參數(shù)對兩幅圖像進行畸變校正；

步驟35，對經(jīng)過畸變校正的圖像進行二值化、特征提取和亞像素定位，以獲取標(biāo)志點在兩幅圖像中各自的圖像物理坐標(biāo)系的二維坐標(biāo)；

步驟36，根據(jù)所圖像物理坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)計算獲得兩個圖像采集單元的視差；

步驟37，根據(jù)基線距離、圖像物理坐標(biāo)系的二維坐標(biāo)和視差計算獲得標(biāo)志點在世界坐標(biāo)系中的三維空間坐標(biāo)。

其中，在步驟35中，二值化可采用最大類間方差法，特征提取可采用8鄰域區(qū)域生長法提取標(biāo)志點特征像素，亞像素定位可采用重心法對標(biāo)志點進行亞像素高精度定位。

可選的，結(jié)合圖4所示，所述測量方法還包括：

步驟38，根據(jù)兩個圖像采集單元實時采集的所有標(biāo)志點的圖像確定所有標(biāo)志點的實時三維空間坐標(biāo)，將實時三維空間坐標(biāo)通過系統(tǒng)辨識及解耦后確定的撓性運動參數(shù)對衛(wèi)星太陽帆板進行振動模態(tài)的分析。

采用該測量方法僅需進行一次圖像采集單元的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定即可獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。

下面通過具體的實施例對本發(fā)明提出的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置進行詳細說明。

實施例一

結(jié)合圖1和圖2以及圖5至圖7所示，本實施例提出的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置包括：運動模擬模塊10、參數(shù)采集模塊20和參數(shù)計算模塊30；運動模擬模塊10用于通過設(shè)置在撓性帆板11上的預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點12模擬衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動狀態(tài)；參數(shù)采集模塊20用于通過兩個圖像采集單元21采集撓性帆板11上的標(biāo)志點12的撓性運動狀態(tài)參數(shù)；參數(shù)計算模塊30用于根據(jù)標(biāo)志點12的撓性運動狀態(tài)參數(shù)計算獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。在運動模擬模塊10中，撓性帆板11通過固定支架13與衛(wèi)星固定裝置40連接，預(yù)定數(shù)量的標(biāo)志點12以預(yù)定間隔設(shè)置在撓性帆板11上；在參數(shù)采集模塊20中，每個圖像采集單元21的光軸均與靜止?fàn)顟B(tài)的撓性帆板11所在的平面垂直，每個輔助光源22分別為一個圖像采集單元21提供照明，基座23用于固定兩個圖像采集單元21和兩個輔助光源22；在參數(shù)計算模塊30中，信號轉(zhuǎn)換單元31用于將參數(shù)采集模塊20采集的圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并發(fā)送，參數(shù)計算單元32用于接收并根據(jù)所述數(shù)字信號計算獲得所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)。

本實施例提供的測量裝置在計算所述衛(wèi)星太陽帆板的撓性運動參數(shù)的過程中用到三個坐標(biāo)系，分別為世界坐標(biāo)系(ow)、圖像采集坐標(biāo)系(oc)、圖像物理坐標(biāo)系(o)，三者之間的關(guān)系如圖5所示。其中，p點為空間中的一個標(biāo)志點，p點為該標(biāo)志點在圖像采集單元21的成像面上所成的像點，p點的位置可由圖像物理坐標(biāo)系表示為p(x,y)。oczc為圖像采集單元21的光軸，光軸穿過成像面中心o點。

在本實施例中，標(biāo)志點的數(shù)量為六個，并且可以分別在撓性帆板11懸端、中間及靠近固定支架13的位置各設(shè)置兩個標(biāo)志點12。

本實施例提供的測量裝置在完成測量工作時，圖像采集單元21實時采集每個標(biāo)志點12的圖像，采集的圖像經(jīng)畸變校正、二值化、求質(zhì)心等處理得到標(biāo)志點的圖像像素坐標(biāo)系坐標(biāo)(u,v)。

圖像像素坐標(biāo)(u,v)和圖像物理坐標(biāo)p(x,y)都是描述圖像采集單元21的成像面的坐標(biāo)系，區(qū)別在于圖像像素坐標(biāo)(u,v)以像素為單位，而圖像物理坐標(biāo)系p(x,y)以μ米為單位，且兩者原心不同，如圖6所示，o0為圖像像素坐標(biāo)系原心，是圖像物理坐標(biāo)系原心。圖6中的uo0v為像素坐標(biāo)系，xo1y為物理坐標(biāo)系。

在本實施例中，圖像像素坐標(biāo)和圖像物理坐標(biāo)具有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

其中，u0和v0分別為圖像采集單元21的成像面中心點o的像素坐標(biāo)位置。dx和dy分別是圖像采集單元21的單個像元的物理長度和寬度。因此，由標(biāo)志點12在圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(u,v)可確定其在圖像物理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x,y)。

本實施例提供的測量裝置在完成測量工作時，兩個圖像采集單元21同時采集某個標(biāo)志點p的圖像，按上述原理得到該標(biāo)志點p在兩個圖像采集單元21中的圖像物理坐標(biāo)系的二維坐標(biāo)，分別為pleft＝(xleft,yleft)和pright＝(xright,yright)。

基于圖6所示的雙目視覺測量原理，由于兩個圖像采集單元安裝在同一平面上，則有yleft＝y(tǒng)right＝y(tǒng)，并且由三角幾何關(guān)系可以得到：

設(shè)兩個圖像采集單元21的投影中心連線距離(基線距離)為b，則有視差d＝xleft-xright。由此可以計算出該標(biāo)志點p在左側(cè)圖像采集單元21的圖像采集坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)：

假設(shè)世界坐標(biāo)系與左側(cè)圖像采集單元21的圖像采集坐標(biāo)系相同，則得到該標(biāo)志點p的實時世界坐標(biāo)系坐標(biāo)。

采用本實施例提出的基于雙目立體視覺的衛(wèi)星太陽帆板撓性運動參數(shù)測量裝置，采用非接觸的方式進行參數(shù)采集及處理，不會對衛(wèi)星太陽帆板的運動產(chǎn)生干擾，還能夠?qū)πl(wèi)星工作的電磁環(huán)境具有抗干擾能力；參數(shù)采集過程中采用的兩個圖像采集單元在系統(tǒng)搭建過程中只需要進行一次內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，測量過程中無需進行標(biāo)定，具有安裝及計算過程簡潔、計算速度較快的特點；通過計算獲得的圖像物理坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)能夠確定衛(wèi)星太陽能帆板上的所有標(biāo)志點的實時三維空間坐標(biāo)，可用于計算太陽能帆板撓性運動參數(shù)，不僅計算精度較高，而且能夠保證各個標(biāo)志點的參數(shù)一致性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。