专利名称：：一种舵偏角同步动态测量系统及其实现方法
技术领域：
：本发明涉及角度测量技术，具体涉及一种舵偏角同步动态测量系统及其实现方法。
背景技术：
：有舵飞行器在飞行过程中主要依靠舵面转动来改变飞行姿态，因此在飞行器的研制开发过程中，同步动态测量舵面不同负载情况下的舵偏角，对飞行器的研制开发具有重要意义。现有的舵偏角测量方法主要有两种第一种是依靠舵机内部的角位移传感器进行测量。具体做法是将舵面和角位移传感器安装在一起，这样舵面转动多少度，就可以直接在角位移传感器上显示出来。该方法中，虽然角位移传感器可以得到很高的精度，但大多数情况，舵机和舵面之间是依靠机械传动装置连接的，比如齿轮、连杆等，机械连接装置之间不可避免的会存在间隙，并且在受力时会发生变形，因此，角位移传感器测量的数值并不能准确代表舵面的真实转动角度，从而影响测量结果。第二种是人工釆用平台高度尺手动测量。这种方法通过卡尺手动测量舵面上标记点的位置来确定舵面偏角，可以看出，该测量方法只能实现静态测量,不能实现同步动态测量，并且不可避免的会将人为测量误差带入测量结果中，测量精度差、效率低。故此，研究一套非接触、全自动、高精度的舵偏角同步动态测量技术，对于改进和提高飞行器舵机及舵面的设计、控制和工艺技术水平有着重要的意义。
发明内容有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种舵偏角同步动态测量系统及其同步动态测量，而且能提高测量的精度、效率和准确性。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的本发明提供了一种舵偏角同步动态测量系统，包括计算机、信号发生器、激光视觉测量箱以及激光视觉测量箱支撑平台；其中，所述计算机，装有系统测量软件和图像采集卡，用于完成包括图像采集、算法实现、测量结果显示在内的功能；所述信号发生器，用于发出一路以上同步触发信号，对一个以上视觉传感器同步进行舵偏角测量；所述激光视觉测量箱，用于在箱内安装一个以上光视觉传感器，箱内设置有滑道；所述激光视觉测量箱支撑平台，用于支撑激光视觉测量箱。上述方案中，所述激光视觉测量箱内包括基准视觉传感器、第一视觉传感器、第二视觉传感器、第三视觉传感器、第四视觉传感器和箱支撑结构；其中，所述基准视觉传感器，用于拍摄基准装置，确定基准坐标系；所述第一至第四视觉传感器，分别用于测量相应被测舵面；所述第一至第四视觉传感器各自与基准传感器构成一个舵偏角同步动态测量通道；所述基准视觉传感器、第一至第四视觉传感器通过内部设置的滑道在激光视觉测量箱内前后滑动。上述方案中，所述基准视觉传感器、第一至第四视觉传感器均为线结构光视觉传感器。所述视觉传感器包括摄像机、两个激光器。本发明还提供了一种舵偏角同步动态测量的实现方法，包括A、对舵偏角测量系统进行标定；B、进行舵偏角测量。其中，步骤A进一步包括Al、对视觉传感器进行标定；A2、对多视觉传感器进行全局校准。上述方案中，步骤A2所述全局校准为每次从多视觉传感器中选出两个，设定其中一个所选视觉传感器的测量坐标为全局坐标系，两个视觉传感器分别与一维靶标有相交点，对每次选出的两个视觉传感器进行下述操作直到完成多视觉传感器的全局校准A21、根据交比不变性，分别计算每个视觉传感器光条与一维乾标相交点之间的空间距离；A22、分别测量每个视觉传感器对应的相交点在各自测量坐标系下的三维坐标，经坐标转换得到相交点的测量距离；A23、将一维乾标在合适位置处摆放多次，建立相交点之间空间距离与测量距离为最小的优化目标函数，采用非线性优化方法得到多视觉传感器之间的旋转矩阵和平移向量。上述方案中，步骤Al所述对视觉传感器进行标定包括All、计算相交点之间的空间距离；A12、计算相交点之间的测量距离；A13、对得到的测量距离进行非线性优化。上述方案中，步骤B所述对舵偏角进行测量进一步包括Bl、各视觉传感器根据信号发生器发出的触发信号频率采集光条图像；B2、基准视觉传感器根据采集的光条图像测量基准装置，建立基准坐标系；B3、各视觉传感器测量被测舵面在各自视觉传感器坐标下的法向矢量；B4、根据系统标定结果计算被测舵面在基准坐标系的偏转角。本发明所提供的舵偏角同步动态测量系统及其实现方法，先对舵偏角测量系统进行标定；再测量舵偏角、不同舵面之间传动比、及舵面在基准坐标系下相对于某自定义平面的偏角。由于本发明釆用四个测量舵面的视觉传感器和一个基准视觉传感器，每个测量舵面的视觉传感器与基准视觉传感器构成一个通道，所以可实现四通道舵偏角的同步动态测量。由于将所有被测舵面的角度统一到基准坐标系下，本发明能够实现联动舵面传动比测量和舵面零位时舵偏角测量。图1为本发明实施例舵偏角同步动态测量系统的组成结构示意图2为激光视觉测量箱组成结构示意图3为激光视觉测量箱中每个视觉传感器的组成结构示意图4为本发明舵偏角同步动态测量方法的实现流程示意图5为多视觉传感器结构的关系示意图6为全局校准中坐标系转换示意图7为测量原理结构示意图8为视觉传感器结构参数标定用靶标示意图9(a)~9(c)为测量通道1、3的试验结果示意图10(a)~10(c)为测量通道2、4的试验结果示意图。具体实施例方式本发明的基本思想是先用舵面视觉传感器将两根光条照射在被测舵面上，通过舵面的光条图像，计算被测舵面在舵面视觉传感器坐标系下的法向矢量；然后根据系统标定结果，将计算出的法向矢量转换到基准视觉传感器坐标系下，并利用基准视觉传感器通过测量基准装置建立基准坐标系，求解基准视觉传感器坐标系到基准坐标系的转换矩阵；再将计算出的舵面法向矢量转换到基准坐标系下；最后根据不同时刻被测舵面在基准坐标系下的法向矢量即可确定舵偏角、不同舵面之间传动比、及舵面在基准坐标系下相对于某自定义平面的偏角。这里，所述视觉传感器为线结构视觉传感器，有一个以上。一较佳实施例是釆用五个视觉传感器，其中一个作为基准视觉传感器，用于确定基准坐标系；其余四个视觉传感器用于测量相应被测舵面，可称为舵面视觉传感器，上述流程中所述舵面视觉传感器为四个舵面视觉传感器中的任意一个。四个舵面视觉传感器中的每一个均可分别与基准视觉传感器构成一个舵偏角同步动态测量通道，因此，所述较佳实施例中可构成四个测量通道，每个测量通道可独立工作。下文中，除基准视觉传感器以外，所述视觉传感器均指舵面视觉传感器。7所述自定义平面由用户根据自身测量需求定义，一般先根据飞行器结构，固定安装基准装置，将基准坐标系的一个平面与过飞行器轴线的平面平行，这样，该基准装置的这个平面就是自定义平面。这里，自定义平面可以是任意平面，用于确定基准坐标系。图1为本发明实施例舵偏角同步动态测量系统的组成结构示意图，如图1所示，该舵偏角同步动态测量系统包括装有系统测量软件和图像采集卡的计算机ll、信号发生器12、激光视觉测量箱13、激光视觉测量箱支撑平台14。其中，所述计算机ll，用于装载系统软件，完成包括图像采集、算法实现、测量结果显示在内的功能；所述信号发生器12,用于发出一路以上同步触发信号，经由舵机驱动控制装置对被测舵面的一个以上视觉传感器同步进行舵偏角测量；所述激光视觉测量箱13，用于在自身内部安装一个以上光视觉传感器，测量箱内设置有滑道，一个以上视觉传感器通过滑道在激光视觉测量箱体内前后运动；所述激光视觉测量箱支撑平台14，用于支撑激光视觉测量箱，主要负责抬高激光视觉测量箱体，让摄像机可以摄到被测舵面，支撑平台上设有滑道，激光视觉测量箱体可以左右移动，以便于调节。图1中所述激光视觉测量箱的具体组成结构如图2所示，该激光视觉测量箱内包括基准视觉传感器20、第一视觉传感器21、第二视觉传感器22、第三视觉传感器23、第四视觉传感器24、箱支撑结构25。其中，所述基准视觉传感器20，用来拍摄基准装置，确定基准坐标系；所述第一至第四视觉传感器2124，分别用来测量相应被测舵面，每个视觉传感器与基准传感器构成一个舵偏角同步动态测量通道；五个视觉传感器均可以通过内部设置的滑道在激光视觉测量箱内前后滑动。相应的，对于具有五个视觉传感器的激光视觉测量箱13，计算机11需要有三块双通道的1394高速图像采集卡，通过1394电缆与激光视觉测量箱13相连。这里，因为每个图像采集卡仅有两个通道，五个视觉传感器就需要三块图像采集卡。图2中所示每个视觉传感器的具体结构如图3所示，进一步包括摄像机31、激光器32和激光器33。其中，摄像机31选用DHSV-1410FMCCD数码摄像机，具有光学镜头；激光器32和激光器33为线激光器，选用StockYaleSNF-701L-660-35-30o单线激光器。摄像机31和激光器32、33的位置被固定在铝支架上，为了更好的适应不同测量环境需求，两个激光器被设计成可以单独进行上下和俯仰调节；摄像机31也可以进行上下、俯仰、偏航等方向调节。进行动态测量前，先将激光视觉测量箱13根据被测舵面的位置摆放在一个合适的位置上，然后根据被测舵面所在位置调节激光视觉测量箱13中各个视觉传感器的前后位置，并调节每个视觉传感器内部的摄像机和激光器，让激光器照射在被测舵面上的光条成像在摄像机像平面的中间位置，如此类推，依次将所有视觉传感调整固定。测量时，先打开视觉传感器中的激光器，并用基准视觉传感器拍摄基准装置，建立基准坐标系；其余四个视觉传感器拍摄被测舵面，根据所摄制的舵面光条图像计算被测舵面在当前视觉传感器坐标系下的法向矢量；之后，根据标定结果将所有被测舵面的法向矢量，通过坐标变换都转换到基准坐标系下；然后在计算舵面转角时，只需计算不同时刻被测舵面法向矢量的夹角即可。并且，根据被测舵面法向矢量也可以得到同一时刻不同舵面之间的传动比、以及舵面在基准坐标系下相对某自定义平面的夹角。下面结合附图具体说明该系统实现舵偏角同步动态测量的过程，如图4所示，本发明实施例的舵偏角同步动态测量方法包括以下步骤步骤41:对舵偏角测量系统进行标定。本实施例系统标定包括两个部分第一部分实现视觉传感器标定；第二部分进行多视觉传感器全局校准，也就是确定四个视觉传感器坐标系到基准视觉传感器坐标系的转换矩阵。具体包括以下步骤步骤41a:对视觉传感器进行标定；将带有特征点的平面靶标在视觉传感器前无约東摆放两次以上，通过交比得到光平面标定点，将所得到的标定点拟合得到光平面在视觉传感器坐标系下的平面方程，具体标定过程参见周富强、张广军在机械工程学报，2005，419(3):175-179发表的、名称为"表面视觉传感器模型参数的简易标定方法"的文章。对于每个视觉传感器，均分别进行上述操作。步骤41b:对多视觉传感器进行全局校准。如图5所示，为不失一般性，以两个线结构光视觉传感器作为研究对象为例。将线结构光视觉传感器51的测量坐标系设定为全局坐标系，两个线结构光视觉传感器51、52的光条分别与一维靶标的相交点分别为C,、q点。多线结构光视觉传感器进行全局校准的主要校准过程为i)根据交比不变性，分别计算每个线结构光视觉传感器光条与一维靶标相交点之间的空间距离；ii)分别测量每个线结构光视觉传感器对应的相交点在各自测量坐标系下的三维坐标，经坐标转换得到相交点的测量距离；iii)将一维靶标在合适位置处摆放多次，建立相交点之间空间距离与测量距离为最小的优化目标函数，采用非线性优化的方法得到多线结构光视觉传感器之间的旋转矩阵和平移向量；iv)通过两两校准的方式完成多个线结构光视觉传感器的全局校准，其中，所述全局校准是指任一视觉传感器到基准视觉传感器的校准。基于此，所述线结构光视觉传感器标定方法具体包括以下步骤步骤al:计算相交点之间的空间距离；这里，根据交比不变性可以得到C,、q在靶标坐标系下的齐次坐标<:"=[>,,。i了'、ct,2=[x,,2oi丫.定义C、q点的空间距离为TargetDistance=(x"(1)步骤a2:计算相交点之间的测量距离；这里，通过已标定完毕的两个线结构光视觉传感器，可得C,、q在各自测量坐标系下的三维坐标、了、Cw,2=[^2凡,2、2了。设C^在线结构光视觉传感器1测量坐标系下(即全局坐标系)的坐标为C，2=[、2、2、2了'，C^与C^的转换关系如下《,2=Rc2,Cw,2+TL.2,cl(2)其中，R&,，T^为线结构光视觉传感器2测量坐标系到线结构光视觉传感器1测量坐标系的旋转矩阵和平移矢量。定义C,、C2点的观!l量距离MeasureDistance为MeasureDistance=竿f((x^-)2+OV2—J^)2+Oh^—Z恥,)2)步骤a3:对得到的测量距离进行非线性优化；具体的，将一维靶标摆放m次，建立如下目标函数,(")二mbi(Z(]VfeasuiieDistance(i)—TaiggtDistance(i)))(/=1，，，，附)(4)其中，"=BlAd,T力J。采用非线性优化方法，如Levenberg-Marquardt就可以得到"的最优解。标定完成后，就对多线结构光视觉传感器进行全局校准。当线结构光视觉传感器多于两个时，釆用步骤ala3提到的方法，通过两两线结构光视觉传感器校准即可。完成多线结构光视觉传感器的全局校准，具体过程如图6所示。步骤42:进行舵偏角测量。图7为四通道舵面偏转角度动态测量系统的测量原理图，图7中，％x6为基准坐标系，其中^轴方向为弹轴方向。^x』,A,为基准视觉传感器坐标系，^,&为Z,S平面在基准视觉传感器坐标系下的单位法向矢量。^表示第M各被测舵面在测量视觉传感器坐标系下的单位法向矢量。Aw为基准视觉传感器坐标系到基准坐标系的旋转矩阵。及。—为测量第w个舵面的视觉传感器"坐标系到基准视觉传感器坐标系的旋转矩阵。图7中右部分为各被测舵面在基准坐标系。^^下的单位法向矢量。本实施例的舵偏角同步动态测量系统进行测量时的具体步骤可分为五步第一步、开启设备电源，将激光器打开，确保摄像机能拍摄到带有光条的舵面图像；第二步、计算机发出同步信号给信号发生器及被测舵机，舵机转动输入角度，信号发生器发出多路触发信号，各视觉传感器根据触发信号频率采集光条图像；第三步、基准视觉传感器根据釆集的光条图像测量基准装置，建立基准坐第四步、各视觉传感器测量被测舵面在各自视觉传感器坐标下的法向矢量；第五步、根据系统标定结果计算被测舵面在基准坐标系的偏转角。其中，第三至第五步的具体测量过程是这样步骤A:建立基准坐标系；在飞行器设计过程中，不但需要确定舵面的转动角度，也常常需要确定舵面相对飞行器上某个特定平面的偏角。例如舵机在处于零度角位置时，舵面是否处于理论零位等情况，因此，通过安装基准装置来建立一个基准坐标系就显得十分必要。在具体使用时，可以根据测量需要将已有的基准装置安装固定在飞行器的合适位置上。基准视觉传感器将两根光条照射在基准装置的4B两个斜面上，根据基准视觉传感器拍摄的光条图像，分别计算-4,5两平面上光条在基准视觉传感器坐标系下的三维坐标。由每个平面上两根光条的三维坐标拟合得到该平面在基准视觉传感器坐标系下的平面方程，进而确定AS两个平面的法向矢量^,/i。根据^&可得公式(5):<W=^x&'。A/2其中,0^,0(^,0^为基准视觉传感器坐标系下的基准坐标系X,乂2轴方向上12进一步，可通过公式(6)得到基准视觉传感器到基准坐标系的旋转矩阵<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(6)其中，/为单位阵。步骤B:确定被测舵面在基准坐标系下的法向矢量；视觉传感器"将两根光条照射在被测舵面"上，摄像机拍摄光条图像，计算光条中心在当前视觉传感器坐标系下的三维坐标。由光条中心数据拟合得到被测舵面在当前视觉传感器坐标系下的平面方程和法向矢量^。根据《—及/—,将"—"统一到基准坐标系下，如公式(7):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(7)其中，《A=[&々,&6,Z,A:r为被测舵面w在基准坐标系下的法向矢量。步骤C:计算舵偏角及传动比；同理，也可以得到步骤B所述时刻所有被测舵面在基准坐标系下的法向矢量。在计算舵面转角时，只需计算不同时刻被测舵面法向矢量的夹角即可，同时，还可以得到同一时刻不同舵面之间的夹角、以及舵面在基准坐标系下相对某自定义平面的夹角。具体实施例下面通过具体实施例来说明本发明舵偏角同步动态系统测量的实施过程-.首先，对线结构光视觉传感器进行标定；图8为结构光标定用陶瓷靶标，特征点个数为23x11，特征点横纵间距2.5mm，精度为0.002mm。采用本文中提到的方法，即步骤41a、步骤41b所述的方法标定视觉传感器结构参数，其中陶瓷靶标移动IO次。表1为单个视觉传感器的标定结果。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表1其次，对多视觉传感器进行全局校准；将平面靶标在两个待校准视觉传感器全局校准前合适位置摆放io次，具体标定结果见表2，表2为多视觉传感器全局标定结果。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表2第三，进行系统测角精度评价；为了有效评价系统测角精度，下面介绍一种评价方法将一个由A、B两个平面构成的高精度靶标摆放在两个视觉传感器前，该高精度靶标单个平面的平面度为0.005mm,A、B两平面夹角为n",不确定度为o.03"。基准视觉传感器的两个光条照射在A平面上，视觉传感器"的两个光条照射在B平面上，分别计算所测量平面在各自坐标系下的平面方程。根据全局校准结果，测量在全局坐标系下A、B两个平面的夹角，通过和标称值进行比较评定全局校准精度。将高精度靶标在两个视觉传感器前摆放10个位置，得到系统测量角度的总i^ff误差为土0.05度。其中，各通道测角/A/S误差见表3，表3为精度评价表。测量通道l测量通道2测量通道3测量通道4系气测角廳Q^4^,误差(度)表3最后，对四通道舵偏角进行动态测量；试验中，基准坐标系的z轴方向与四个被测舵面的转轴方向平行，设OJ^平面为自定义的基准平面，该平面与舵机零位时舵面理论上的平面平行。测量通道1、3所测舵面通过连杆结构连接为联动舵面，其中测量通道3所测舵面由舵机驱动，测量通道1所测舵面为从动舵面无舵机驱动。同样测量通道2、4所测舵面与测量测量通道1、3所测舵面一样为联动舵面，其中测量通道4所测舵面由舵机驱动，测量通道2所测舵面为从动舵面。计算机发出同步信号给舵机和信号发生器，舵机控制系统接受同步信号驱动四个舵机同时进行周期为6秒，幅值为30度的正弦转动。信号发生器接受同步信号向激光视觉测量箱发出五路时间总长为6秒，频率为10Hz的触发信号，用于五个视觉传感器同步釆集舵面光条数据。计算机根据视觉传感器所拍摄的光条图像，由系统标定结果计算舵面在基准坐标系下相对基准平面的转动角度。具体数据结果如图9、IO所示。其中，图9(a)为驱动电机转动角度的测量曲线，图9(b)为舵面l转动角度的测量曲线，图9(c)为舵面3转动角度的测量曲线；图10(a)为驱动电机转动角度的测量曲线，图10(b)为舵面2转动角度的测量曲线，图10(c)为舵面4转动角度的测量曲线。表4分别为测量通道1、3和测量通道2、4所测联动舵面的传动比。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表4以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。权利要求1、一种舵偏角同步动态测量系统，其特征在于，该系统包括计算机、信号发生器、激光视觉测量箱以及激光视觉测量箱支撑平台；其中，所述计算机，装有系统测量软件和图像采集卡，用于完成包括图像采集、算法实现、测量结果显示在内的功能；所述信号发生器，用于发出一路以上同步触发信号，对一个以上视觉传感器同步进行舵偏角测量；所述激光视觉测量箱，用于在箱内安装一个以上光视觉传感器，箱内设置有滑道；所述激光视觉测量箱支撑平台，用于支撑激光视觉测量箱。2、根据权利要求l所述的同步动态测量系统，其特征在于，所述激光视觉测量箱内包括基准视觉传感器、第一视觉传感器、第二视觉传感器、第三视觉传感器、第四视觉传感器和箱支撑结构；其中，所述基准视觉传感器，用于拍摄基准装置，确定基准坐标系；所述第一至第四视觉传感器，分别用于测量相应被测舵面；所述第一至第四视觉传感器各自与基准传感器构成一个舵偏角同步动态测量通道；所述基准视觉传感器、第一至第四视觉传感器通过内部设置的滑道在激光视觉测量箱内前后滑动。3、根据权利要求2所述的同步动态测量系统，其特征在于，所述基准视觉传感器、第一至第四视觉传感器均为线结构光视觉传感器。4、根据权利要求2或3所述的同步动态测量系统，其特征在于，所述视觉传感器包括摄像机、两个激光器。5、一种舵偏角同步动态测量的实现方法，其特征在于，该方法包括A、对舵偏角测量系统进行标定；B、进行舵偏角测量。6、根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于，步骤A进一步包括Al、对视觉传感器进行标定；A2、对多视觉传感器进行全局校准。7、根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，步骤A2所述全局校准为每次从多视觉传感器中选出两个，设定其中一个所选视觉传感器的测量坐标为全局坐标系，两个视觉传感器分别与一维靶标有相交点，对每次选出的两个视觉传感器进行下述操作直到完成多视觉传感器的全局校准A21、根据交比不变性，分别计算每个视觉传感器光条与一维靶标相交点之间的空间距离；A22、分别测量每个视觉传感器对应的相交点在各自测量坐标系下的三维坐标，经坐标转换得到相交点的测量距离；A23、将一维靶标在合适位置处摆放多次，建立相交点之间空间距离与测量距离为最小的优化目标函数，采用非线性优化方法得到多视觉传感器之间的旋转矩阵和平移向量。8、根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，步骤A1所述对视觉传感器进行标定包括All、计算相交点之间的空间距离；A12、计算相交点之间的测量距离；A13、对得到的测量距离进行非线性优化。9、根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于，步骤B所述对舵偏角进行测量进一步包括Bl、各视觉传感器根据信号发生器发出的触发信号频率釆集光条图像；B2、基准视觉传感器根据采集的光条图像测量基准装置，建立基准坐标系；B3、各视觉传感器测量被测舵面在各自视觉传感器坐标下的法向矢量；B4、根据系统标定结果计算被测舵面在基准坐标系的偏转角。全文摘要本发明公开了一种舵偏角同步动态测量系统，包括计算机、信号发生器、激光视觉测量箱以及激光视觉测量箱支撑平台；其中，所述计算机，装有系统测量软件和图像采集卡，用于完成包括图像采集、算法实现、测量结果显示在内的功能；所述信号发生器，用于发出一路以上同步触发信号，对一个以上视觉传感器同步进行舵偏角测量；所述激光视觉测量箱，用于在自身内部安装一个以上光视觉传感器，箱内设置有滑道；所述激光视觉测量箱支撑平台，用于支撑激光视觉测量箱。本发明还同时公开了一种舵偏角同步动态测量的实现方法，先对舵偏角测量系统进行标定；再进行舵偏角测量。采用本发明能实现舵偏角同步动态测量，并能提高测量的精度、效率和准确性。文档编号G01B11/26GK101493318SQ20091011910公开日2009年7月29日申请日期2009年3月3日优先权日2008年9月16日发明者震刘,孙军华,张广军,李庆波,虹雷,魏振忠申请人:北京航空航天大学