一种基于摄影测量的艇载姿态稳定平台指向精度测试方法与流程

本发明属于指向精度测试方法领域，尤其涉及一种基于摄影测量的艇载姿态稳定平台指向精度测试方法。

背景技术：

飞艇是一种利用轻于空气的气体(通常为氦气)提供升力的浮空器，具有飞行成本低、驻空时间长、试验保障简便、安全可靠性较高、放飞条件需求低等特点，可挂载各类载荷执行飞行试验任务。由于飞艇体积大、质量轻，在飞行过程易受风影响，从而导致飞行航线偏移、飞行姿态变化等，对指向及稳定性要求较高的载荷设备(天线、摄像机等)造成了极大影响。为满足该类载荷对目标稳定指向的要求，在飞艇与载荷之间安装姿态稳定平台，以消除飞艇平台飞行过程中姿态及位置变化对载荷指向的影响。

姿态稳定平台分艇载部分和地面控制部分，艇载部分由组合导航系统、电子控制系统和双轴旋转系统组成。其中，组合导航系统用于测量飞艇平台的运动参数，分别与飞艇及姿态稳定平台同轴安装且保持刚性连接，以确保飞行姿态参数输入的精确性；电子控制系统以飞艇当前位姿参数及预设目标位置参数作为数据驱动，进行数据处理及转台控制；双轴旋转系统由直流力矩电机、减速机构及光电角度编码器组成，在俯仰、方位二轴电机驱动下实现平台上搭载的负载在各个角度保持姿态稳定，光电角度编码器实时反馈当前转台转动信息。但是在实现目标动态指向功能时，由于引入了系统安装误差(组合导航&载荷)、gps定位精度误差(组合导定位精度&目标定位精度)、光电角度编码器数据采集精度等误差，对平台指向精度产生了影响，为了测试该指向精度，提出了一种基于摄影测量的艇载姿态稳定平台指向精度测试方法。

目前稳定平台设计研究技术在国内较为成熟，尤其是机载随动稳定平台系统广泛地运用于军事与民用领域。经调研，目前国内对稳定平台控制系统算法模型做了较多的研究，刘伟(飞艇光电探测器稳定平台控制系统研究，国防科学技术大学，2009年)对艇载光电探测用稳定平台控制系统进行了研究，建立了系统伺服控制系统的理论模型，分析了陀螺随机漂移对平台的精度影响并进行了优化；周倩(飞艇用探测器稳定平台控制研究，国防科学技术大学硕士学位论文，2011年)研究了光电探测器稳定平台控制技术以及二级稳定平台扫描轨迹控制问题，给出高精度扫描机电系统的设计建议；侯俊(基于dsp的导引头稳定平台伺服系统的研究，湖南工业大学，2016年)基于选取比例、微分系数自控补偿控制pid算法进行稳定平台控制器设计，并以红外导引头作为载荷进行平台锁定和跟踪功能测试。

然而，对于指向精度测试文章报道较少，且均为静态测试。张西龙(高精度二维转台指向误差分析，长春工业大学，2012年)基于多体系统运动学理论，建立了转台数学模型，推导了静止和运动两种状态的变换矩阵，计算了设备轴理论指向与实际指向之间的误差；褚凯(光电控制系统指向精度ccd非接触测量方法研究，陆军军官学院，2012年)以静态指向精度为测量对象，提出了一种利用ccd图像的非接触测量方法，通过图像快速匹配方法得到转台的方位像素坐标值，对指向精度进行了测量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是姿态稳定平台存在指向偏差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于摄影测量的艇载姿态稳定平台指向精度测试方法，其步骤如下：

s1，将艇载姿态稳定平台移动至开阔场地，确保组合导航设备gps收星正常，惯导数据工作正常；

s2，将相机安装于姿态稳定平台工作台面，在稳定平台方位、俯仰轴处于零位时，保持相机x”,y”,z”轴系与组合导航x,y,z轴系匹配且保持刚性连接，确保相机位姿参数与姿态稳定平台保持一致；

s3，在相机可视范围内设置十字靶标，记录其gps坐标，将其设置为姿态稳定平台指向目标参数，控制姿态稳定平台处于指向跟踪模式，结合平台自身惯导信息，解算并驱动方位、俯仰电机旋转，实现相机对靶标的实时指向；

s4，相机与工控机连接，确保相机数据正常下传及处理；调整相机对焦环，使得在其中心视场位置出现清晰靶标；在相机完成标定，确定畸变量后，保持相机参数配置不变；

s5，控制相机对靶标进行首次拍照，经后期图像处理，十字靶标中心点所在位置坐标为标准点；

s6，保持靶标位置固定，改变姿态稳定平台位置，在跟踪模式下控制相机连续拍照；提取其中某一帧图像，得到靶标中心点坐标，通过与标准点作比较，得出改变位置后平台指向误差角度；

s7，通过重复提取帧图像中的靶标坐标位置并与标准位置对比，综合得出平台在各个位置姿态上的指向误差。

进一步，在开展实验前对相机进行标定，标定方式采用张正友棋盘法对相机进行内标定，获取相机准确焦距、光心位置、畸变等信息；在标定前需要调整相机对焦环，使得在其中心视场位置出现清晰靶标，之后保持相机参数配置不变。

本发明利用固定于姿态稳定平台工作台面定焦相机(两者轴向一致且保持刚性连接)，在稳定平台对视场范围预设的十字靶标进行动态指向跟踪的状态下，控制相机拍照。事后将拍得的照片通过像素提取对比计算稳定平台动态指向精度。进一步地，可以在视场范围内的更远距离上设置十字靶标进行动态指向精度测试，以消除gps定位误差对系统指向精度的影响。

与现有姿态稳定平台指向系统误差测量技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明使用相机测量姿态稳定平台系统误差，设备简单，操作简便，精度高。

2、本发明测量的误差为姿态稳定平台最终动态指向误差，可直观表现为载荷对目标的指向误差，不受人工安装误差、系统误差、gps定位误差的影响，更具有实际意义。

3、本发明应用方面广，不仅可测试艇载姿态稳定平台的系统误差，也可以测量其他姿态稳定平台的系统误差。

附图说明

图1为本发明中靶标中心点在图像中的标准点坐标；

图2为本发明中靶标中心点在图像中的坐标；

图3为本发明中指向误差角度计算模型；

图4为本发明实施例中姿态稳定平台装配模型图；

图5为本发明实施例中平台位置姿态变化布局图；

图6为本发明实施例中软件处理界面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明的测试方法，下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。

实施例1

一种基于摄影测量的艇载姿态稳定平台指向精度测试方法，步骤如下：

s1，将艇载姿态稳定平台1移动至开阔场地，确保组合导航设备gps收星正常，惯导数据工作正常；

s2，将相机2安装于姿态稳定平台工作台面5，安装时两者轴线要求平齐(即相机2(x”,y”,z”)轴系与工作台面5(x，,y，,z，)轴系匹配)并保持刚性连接，确保相机位姿参数与姿态稳定平台保持一致，即相机指向为平台指向；

在稳定平台方位、俯仰轴处于零位时，保持相机2(x”,y”,z”)轴系与组合导航4(x,y,z)轴系匹配且保持刚性连接；完成初始校准，装配模型如图4所示

s3，靶标为本次发明关键陪试件，用于被拍摄后其像素特征明显，易于识别及处理。常用的靶标为黑白十字靶标，其大小由指向距离及相机像素分辨能力确定。

在确定实验距离及靶标大小后，将靶标固定于一开阔点，确保与相机之间始终保持无视线遮挡。

在相机2可视范围内设置十字靶标，记录其gps坐标为(87.393813°，41.790061°，1075m)，将其设置为姿态稳定平台指向目标参数，控制姿态稳定平台处于指向跟踪模式，结合平台自身惯导信息，解算并驱动方位、俯仰电机旋转，实现平台(相机)对靶标的实时指向；

s4，由于相机拍摄的图片存在畸变量，故在开展实验前需要对相机进行标定。标定方式采用张正友棋盘法对相机进行内标定，获取相机准确焦距、光心位置、畸变等信息；在标定前需要调整相机对焦环，使得在其中心视场位置出现清晰靶标，之后保持相机参数配置不变。

相机2与工控机3连接，确保相机数据正常下传及处理；调整相机对焦环，使得在其中心视场位置出现清晰靶标；在相机完成标定，确定畸变量后，保持相机参数配置不变；

s5，控制姿态稳定平台工作与指向跟踪模式，将获取的靶标坐标信息作为驱动参数输入至姿态稳定平台，此时姿态稳定平台实时指向靶标；采用最小光圈并调整曝光时间，使相机具有很深的景深，保证十字靶标与相机的距离在变动过程中，拍摄图像依然清晰，遂后控制相机对该位置进行拍照保存。

控制相机对靶标进行首次拍照，经后期图像处理，十字靶标中心点所在位置坐标为为(606.6993,463.6891)，该点为标准点；

s6，保持靶标位置固定，稳定平台工作模式及指向目标参数不变，改变姿态稳定平台位置(经度、纬度、姿态等)模拟飞艇运动，此时平台在跟踪模式下仍可保持工作台面(相机)对靶标的稳定指向，在跟踪模式下控制相机连续拍照，平台移动路径及方式如图5所示；提取其中某一帧图像，得到靶标中心点坐标为(652.1485,484.4238)，通过与标准点作比较，结合公式(1)，得出改变位置后平台指向误差角度为：0.7722°，处理软件界面如图6所示；

s7，通过重复提取帧图像中的靶标坐标位置并与标准位置对比，综合得出平台在各个位置姿态上的指向误差。

相机拍照后的图片可通过编程对靶标中心区域的像素灰度进行计算识别，并将识别的十字靶标中心点像素坐标记为(un，vn)，其中un，vn的单位为像素点。将首次拍照所得的靶标图片作为校准图片，图片中十字靶标中心点所在位置作为标准点，该标准点的像素坐标记为(u0，v0)。

若平台不存在指向偏差，显然靶标中心在图像中的坐标重合，即un＝u0,vn＝v0。但实际系统存在指向偏差，则靶标中心点在图像中的坐标相比标准点坐标有所差异，如图1和图2所示。根据小孔成像原理，可通过靶标先后在相机中的成像位置对指向误差进行分析，如图3所示，其中，p0,pn分别为十字靶标空间校准位置与平台位置变化后的空间位置，p0,pn为相应的十字靶标成像位置，分别记为(u0v0),(unvn)，结合勾股定理及余弦定理，指向角度误差计算公式如下：

其中，f,d,(ucvc)，α分别为相机焦距、像元大小、光心坐标及系统指向的圆心角偏差。成像位置采用harris角点提取方法提取具体坐标，然后根据相机标定结果，对畸变进行纠正，得到理想点位置。通过对拍摄的图像进行采样分析计算其误差范围，利用统计学得出本次实验所测得的系统指向精度。