一种真空环境下的分离体飞行运动参数多目视觉测量系统
阅读说明：本技术 一种真空环境下的分离体飞行运动参数多目视觉测量系统 (Multi-view vision measurement system for flight motion parameters of separating body in vacuum environment ) 是由 高越 丁沛 龙雪 李红薇 赵卓茂 胡鑫 薛锋 于杨 李越 黄强 蔡劭佳 于 2020-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种真空环境下分离体飞行运动参数多目视觉测量系统,其使用多台高速相机分别拍摄被测试件飞行区域的不同部分,通过对所有相机画面进行融合计算,可以获得试件在任一时刻的飞行运动参数。该测量系统测量精度仅与单台相机拍摄视场有关,能够根据实际拍摄视场大小,在多个观察窗口合理设置相机个数及拍摄区域,从而实现在较大试件飞行区域情况下实现全程高精度测量。(The invention relates to a multi-view vision measuring system for flight motion parameters of a separating body in a vacuum environment. The measurement accuracy of the measurement system is only related to the shooting field of view of a single camera, the number of the cameras and the shooting area can be reasonably set in a plurality of observation windows according to the size of the actual shooting field of view, and therefore the whole-course high-accuracy measurement can be achieved under the condition of a large test piece flight area.)
技术领域
本发明涉及一种真空环境下的分离体飞行运动参数多目视觉测量系统，属于真空试验领域。
背景技术
空间站在轨运行过程中，需要释放分离体以完成特定伴飞任务，分离体在设计中必须满足以下两点要求：(1)由于分离体在释放时空间站正处于空间轨道飞行，大气压力接近真空，且空间站整体处于失重状态，因此，分离体必须能够在真空失重的环境中正常释放。(2)分离体释放后需要与空间站保持一定距离，以完成后续动作，因此，分离体释放时需要具有一定速度。
为了考核分离体在真空失重环境下释放的可靠性和运动稳定性，目前采用的多是真空舱失重释放试验，其试验过程如下：将待试验件释放装置置于真空舱内的跌落台上，关闭真空舱，抽除空气至指定大气压力。试验时，启动控制设备，使试验件及跌落台整体跌落，在跌落过程中释放分离体。使用高速相机在真空舱外通过小型观察窗口拍摄分离体释放的过程，获取分离体飞行过程及运动参数。这种基于视觉的飞行运动参数测量方法通常基于单目视觉测量和双目视觉测量。其中单目视觉测量是利用单一相机从垂直飞行的方向拍摄分离体飞行运动过程，该方法首先借助摄影标尺等简单的标定工具，线性标定相机的每个像素对应实际空间的尺寸，然后根据拍摄得到分离体图像，计算其在飞行平面内的运动参数，该方法操作简单，但是缺点是仅能测量分离体在飞行平面内的运动，无法测量垂直方向的运动。双目视觉测量方法利用两个相机呈一定角度拍摄分离体飞行过程，该方法首先借助摄影标定板等标定工具，标定出两台相机的焦距、图像中心、镜头畸变等内部参数以及相对位置、相对朝向等外部参数，然后根据两台相机拍摄的图像，匹配分离体测点的图像坐标，计算出分离体的三维运动参数。该方法比单目视觉测量过程更复杂，但测量精度更好，而且可以得到三维结果。在上述两种方法中，相机分辨率和视场尺寸对最终的测量精度起到至关重要的作用，即在相机分辨率一定的情况下，拍摄视场越大，精度越差。此外，由于真空试验舱观察窗口较小，相机的观察视场受限制，每个观察窗口仅能允许一台相机拍摄试件飞行区域中的一部分，无法在一次试验内测量分离体整个飞行过程的运动参数。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中的上述不足和需求，本发明提出一种真空环境下分离体飞行运动参数多目视觉测量系统，其使用多台高速相机分别拍摄被测试件飞行区域的不同部分，通过对所有相机画面进行融合计算，可以获得试件在任一时刻的飞行运动参数。该测量系统测量精度仅与单台相机拍摄视场有关，能够根据实际拍摄视场大小，在多个观察窗口合理设置相机个数及拍摄区域，从而实现在较大试件飞行区域情况下实现全程高精度测量。该测量系统已经成功应用于某型装备分离体真空失重释放试验，其充分满足试验要求。
(二)技术方案
一种真空环境下的分离体飞行运动参数多目视觉测量系统，包括：
-高速相机，用以拍摄试验件不同飞行区域；
-调整装置，用以调整高速相机的位置及朝向；
-摄影标志，使图像处理算法能够在图像中识别分离体的图像坐标位置；
-标定装置，用以标定高速相机的参数，所述高速相机的参数包括镜头焦距、镜头畸变、各个高速相机之间的相对位置和相对朝向；
-光源，为高速相机提供高亮度照明；
-控制中心，包括同步控制器和图像处理控制器，所述同步控制器使所述高速相机同步曝光，所述图像处理控制器将所述高速相机的画面进行融合计算，获取试验件的运动参数。
所述摄影标志采用散斑摄影标志，其比十字标摄影标志具有更高的识别精度。
所述标定装置为标定板，所述标定板的图案包括棋盘网格和圆点网格。
所述多目视觉测量系统还包括设置在真空罐内的挡板、试验件及其工装以及回收支架，试验件及其工装设置在真空罐的一端，试验件及其工装后侧设置挡板，真空罐另一端与试验件及其工装相对的位置设置回收支架，试验件通过线缆连接至真空罐外的控制中心。
所述光源包括三个，所述高速相机包括五台，真空罐内设置一号光源、四号高速相机和五号高速相机，一号光源设置于所述挡板和所述回收支架之间，四号高速相机与五号高速相机分设于一号光源两侧；真空罐外设置二号光源、三号光源、一号高速相机、二号高速相机、三号高速相机；二号光源和三号光源分别靠近所述挡板和所述回收支架设置，二号光源至三号光源之间依次设置一号高速相机、二号高速相机、三号高速相机。
所述四号高速相机和五号高速相机均为斜拍式，所述一号高速相机、二号高速相机、三号高速相机均为平拍式。
所述高速相机为Vision Research公司的Phantom V12.1高速相机，其分辨率为1280X 800像素，满画幅最高拍摄速度为6200帧/秒，其镜头选用ZEISS公司Distagon镜头，其中3个平拍式高速相机采用21mm定焦镜头，2个斜拍式高速相机采用35mm定焦镜头。
五个高速相机所处的位置和视角不同，测量过程被分为多个飞行区域，试验件在每个飞行区域只能被五个高速相机中至少两台观测到，将各个飞行区域内的观测结果进行融合计算以表征试验件完整的运动过程。
使用五个高速相机从不同角度拍摄试验件表面测点，根据高速相机的透视成像原理，测点在第i个相机Si的图像中的二维坐标为pi(xi,yi)，i为取1至5的自然数，其与该测点在物理空间中的三维坐标P(Xw,Yw,Zw)有如下关系式，其中w为物理空间中的三维坐标：
上式中：公式左侧相乘的结果为一个3x1向量，为向量第三项，表示被测点在高速相机光心坐标系中的Z坐标值；fi为高速相机的焦距，为相机感光传感器的单个像素在x和y方向上的物理尺寸，fi和在数学模型中是耦合状态，通常使用代替；为高速相机图像中心坐标，为高速相机的内部参数，其仅与拍摄时高速相机内部的机械结构及所使用的镜头有关；旋转矩阵和平移向量为物理空间三维坐标系与相机光心坐标系的坐标变换参数，其中旋转矩阵只有三个独立参数，旋转矩阵和平移向量为相机的外部参数，其仅与拍摄时高速相机的位置和朝向有关；所述内部参数和外部参数在试验前通过高速相机参数标定的方法获得；若通过图像处理的方法获得测点在N个高速相机图像中的二维坐标则可列出N个上述方程，为了计算被测点三维坐标P(Xw,Yw,Zw)，需要保证N(N≥2)，将N个方程联立后通过最小二乘法可求得方程组的唯一解。
采用数字图像相关法实现多个高速相机图像匹配，具体的：通过在参考图像中选择图像子区，依据下式中的相关系数计算公式，在目标图像中寻找最优图像子区，使两个子区的相关系数达到最小值，则认为这两个图像子区为最相似子区，从而完成图像匹配过程，所述相关系数计算公式为：
式中，M为图像子区域尺寸，M取值范围为25至35，fa(x,y)和fa(x,y)分别为参考图像和目标图像在点(x,y)处的图像亮度值，Ccoor为相关系数，相关系数越小，表明两个子区相似度越高。
(三)有益效果
本发明的测量系统能够实现真空失重环境下分离体释放飞行运动参数的精确测量，可以完成多种释放速度情况下测量任务。该测量系统已完成某型号分离体真空失重释放性能考核试验，为型号研制工作提供有力支撑，实验结果表明：该系统拍摄速度可达6000帧/秒，测量视场可达3m(X向)×2m(Y向)×0.5m(Z向)，位移测量精度优于1mm，最高测量试件运动速度50m/s。该测量系统的精度仅与单台相机拍摄视场有关，可以根据实际拍摄视场大小，在多个观察窗口合理设置相机个数及拍摄区域，从而实现在较大试件飞行区域情况下实现全程高精度测量。通过调整相机个数及拍摄方式，可以扩展应用于多种分离体的飞行运动参数/变形测量试验中。
附图说明
图1本发明的一种真空环境下的分离体飞行运动参数多目视觉测量系统示意图。
图2多目视觉测量原理图。
图中，1-挡板；2-试验件及其工装；3-回收支架；4-四号高速相机；5-一号光源；6-五号高速相机；7-二号光源；8-一号高速相机；9-二号高速相机；10-三号高速相机；11-三号光源；12-线缆；13-控制中心。
具体实施方式
本发明涉及一种真空环境下的分离体飞行运动参数多目视觉测量系统，包括：
-高速相机，用以拍摄试验件不同飞行区域；
-调整装置，用以调整高速相机的位置及朝向；
-摄影标志，使图像处理算法能够在图像中识别分离体的图像坐标位置；
-标定装置，用以标定高速相机的参数，所述高速相机的参数包括镜头焦距、镜头畸变、各个高速相机之间的相对位置和相对朝向；
-光源，为高速相机提供高亮度照明；
-控制中心13，包括同步控制器和图像处理控制器，所述同步控制器使所述高速相机同步曝光，所述图像处理控制器将所述高速相机的画面进行融合计算，获取试验件的运动参数。
所述摄影标志采用散斑摄影标志，其比十字标摄影标志具有更高的识别精度。
所述标定装置为标定板，所述标定板的图案包括棋盘网格和圆点网格。
所述多目视觉测量系统还包括设置在真空罐内的挡板1、试验件及其工装2以及回收支架3，试验件及其工装2设置在真空罐的一端，试验件及其工装2后侧设置挡板1，真空罐另一端与试验件及其工装2相对的位置设置回收支架3，试验件通过线缆连接至真空罐外的控制中心13。
所述光源包括三个，所述高速相机包括五台，真空罐内设置一号光源5、四号高速相机4和五号高速相机6，一号光源5设置于所述挡板1和所述回收支架3之间，四号高速相机4与五号高速相机6分设于一号光源5两侧；真空罐外设置二号光源7、三号光源11、一号高速相机8、二号高速相机9、三号高速相机10；二号光源7和三号光源11分别靠近所述挡板1和所述回收支架3设置，二号光源7至三号光源11之间依次设置一号高速相机8、二号高速相机9、三号高速相机10。
所述四号高速相机4和五号高速相机6均为斜拍式，所述一号高速相机8、二号高速相机9、三号高速相机10均为平拍式。
所述高速相机为Vision Research公司的Phantom V12.1高速相机，其分辨率为1280X 800像素，满画幅最高拍摄速度为6200帧/秒，其镜头选用ZEISS公司Distagon镜头，其中3个平拍式高速相机采用21mm定焦镜头，2个斜拍式高速相机采用35mm定焦镜头。
五个高速相机所处的位置和视角不同，测量过程被分为多个飞行区域，试验件在每个飞行区域只能被五个高速相机中至少两台观测到，将各个飞行区域内的观测结果进行融合计算以表征试验件完整的运动过程。
使用五个高速相机从不同角度拍摄被试件表面测点，根据高速相机的透视成像原理，测点在第i个相机Si的图像中的二维坐标为pi(xi,yi)，i为取1至5的自然数，其与该测点在物理空间中的三维坐标P(Xw,Yw,Zw)有如下关系式，其中w为物理空间中的三维坐标：
上式中：公式左侧相乘的结果为一个3x1向量，为向量第三项，表示被测点在高速相机光心坐标系中的Z坐标值；fi为高速相机的焦距，为相机感光传感器的单个像素在x和y方向上的物理尺寸，fi和在数学模型中是耦合状态，通常使用代替；为高速相机图像中心坐标，为高速相机的内部参数，其仅与拍摄时高速相机内部的机械结构及所使用的镜头有关；旋转矩阵和平移向量为物理空间三维坐标系与相机光心坐标系的坐标变换参数，其中旋转矩阵只有三个独立参数，旋转矩阵和平移向量为相机的外部参数，其仅与拍摄时高速相机的位置和朝向有关。所述内部参数和外部参数在试验前通过高速相机参数标定的方法获得。若通过图像处理的方法获得测点在N个(本实施方式中N取5)高速相机图像中的二维坐标(xi,yi)，则可列出N个上述方程，为了计算被测点三维坐标P(Xw,Yw,Zw)，需要保证N(N≥2)，将N个方程联立后通过最小二乘法可求得方程组的唯一解。
采用数字图像相关法实现多相机图像匹配，具体的：通过在参考图像中选择图像子区，依据下式中的相关系数计算公式，在目标图像中寻找最优图像子区，使两个子区的相关系数达到最小值，则认为这两个图像子区为最相似子区，从而完成图像匹配过程，所述相关系数计算公式为：
式中，M为图像子区域尺寸，M取值范围为25至35，fa(x,y)和fa(x,y)分别为参考图像和目标图像在点(x,y)处的图像亮度值，Ccoor为相关系数，相关系数越小，表明两个子区相似度越高。