专利名称：火箭偏摆、沉降的测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及火箭测量技术领域，具体地说，是涉及一种火箭偏摆、沉降的测量系统及方法。
背景技术：
新一代运载火箭的地面瞄准系统与目前相比有较大的区别。这主要表现在:(I)采用将瞄准间建设在发射勤务塔上的近距离水平瞄准的方法。(2)箭上采用捷联惯组初始定向方式，即惯组棱镜与箭体刚性固联。箭体随风摆的运动及日照、加注等造成的变形，将1:1传递给惯组棱镜，使惯组棱镜发生位移或方位扭转。若惯组棱镜偏移量过大，会导致瞄准功能失效。需要地面瞄准系统实时主动跟踪测量棱镜的位移。(3)火箭从液氢加注起，地面瞄准系统要在发射场无人的情况下，从后台实施远程监控，测量惯组棱镜的位移并且控制导轨进行跟踪。对于上述瞄准系统，如何在远控状态下及时直观的获得火箭惯组棱镜位移数据，是实现远控跟踪瞄准的关键技术之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，提供一种火箭偏摆、沉降的测量系统，以在远控状态下及时直观的获得火箭惯组棱镜位移数据。为了解决上述技术问题，本发明提供地火箭偏摆、沉降的测量系统，包括成像模块、图像采集模块、初始图像处理模块、位移后图像处理模块和显示装置，成像模块用于捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像；图像采集模块用于采集所述成像模块获取的标识符号图像，所述标识符号图像包括标识符号位于初始位置时的初始图像及标识符号发生位移后的位移后图像；初始图像处理模块根据所述成像模块的像素计算所述初始图像相对于一标定位置的第一坐标值；位移后图像处理模块根据所述成像模块的像素计算所述位移后图像相对于所述标定位置的第二坐标值，并根据所述第二坐标值相对所述第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量；显示装置用于显示所述位移量。上述的火箭偏摆、沉降的测量系统，其中，所述成像模块包括一瞄准仪和一 CXD摄像机，所述CXD摄像机设置在所述瞄准仪上，所述瞄准仪的镜头上设置有十字分化线。上述的火箭偏摆、沉降的测量系统，其中，所述初始图像处理模块包括:字符模板建立模块，其根据初始图像与十字分化线的中心位置关系建立所述第一坐标值；十字线标定模块，其用于标定所述十字分化线的中心与所述镜头零点间的关系，以获得所述标定位置的坐标；长度标定模块，其用于标定所述CCD摄像机的像素对应的实际毫米数。上述的火箭偏摆、沉降的测量系统，其中，所述第一坐标值及所述第二坐标值通过矩阵表示。进一步地，本发明提供一种火箭偏摆、沉降的测量方法，包括:S100，通过一成像模块捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像的步骤；S130，采集所述成像模块获取的标识符号图像步骤，所述标识符号图像包括标识符号位于初始位置时的初始图像及标识符号发生位移后的位移后图像；S200，初始图像处理步骤，根据所述成像模块的像素计算所述初始图像相对于一标定位置的第一坐标值；S300，根据所述成像模块的像素计算所述位移后图像相对于所述标定位置的第二坐标值，并根据所述第二坐标值相对所述第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量；以及S400，显示所述位移量步骤。上述的测量方法，其中，在所述SlOO步骤中，所述成像模块包括一瞄准仪和一 CXD摄像机，所述CXD摄像机设置在所述瞄准仪上，所述瞄准仪的镜头上设置有十字分化线。
上述的测量方法，其中，在所述S200步骤中，包括字符模板建立步骤S210，根据初始图像创建字符的模板文件，及根据初始图像与十字分化线的中心位置关系建立所述第一坐标值。上述的测量方法，其中，在所述S200步骤中，包括十字线标定步骤S220，用于标定所述十字分化线的中心与所述镜头零点间的关系，以获得所述标定位置的坐标。上述的测量方法，其中，在所述S200步骤中，包括长度标定步骤S230，用于标定所述CCD摄像机的像素对应的实际毫米数。上述的测量方法，其中，在所述长度标定步骤中，包括标定出CCD摄像机在长、宽两个方向每个像素对应的实际毫米数步骤。上述的测量方法，其中，在所述S300步骤中，包括:S310，灰度分割，形态学筛选步骤；S320，根据第i个字符模板找到相似度最高的位移后图像I ; S330，判断相似度分数是否高于一第一阈值，若是，进行步骤S340，若不是，进行步骤 S350 ；S340,获取位移后图像I的位置,计算出火箭的位移量Oi ；S350, i的值加1，并保存为i ；S360，判断i是否< η，η为标识符号的个数，若是，返回执行步骤S320 ;若不是，执行步骤S370 ；S370，判断位移量Oi的个数，若Oi的个数等于I，执行步骤S380 ;若Oi的个数等于2，执行步骤S390 ;若Oi的个数大于等于3，执行步骤S3110 ；S380，判断相似度分数是否小于一第二阈值，若不是，执行步骤S400;若是，执行步骤S3112 ；S390，判断两个位移量Oi的差值是否在超出一第一设定值或任何一个位移量(^所对应的相似分数小于一第三阈值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3114 ；S3110，判断多个位移量Oi相互间的差值是否超出一第二设定值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3116 ；S3112,剔除该位移量Oi,只显示初始图像；S3114,剔除该两个位移量Oi,只显示初始图像；S3116，删掉偏离多个位移量Oi的平均值最大的位移量Oi，并返回执行步骤S370。上述的测量方法，其中，在所述S400步骤中，当位移量Oi的个数等于I时，显示该一个Oi的值；当位移量Oi的个数大于I时，显示多个Oi的平均值。
本发明的有益功效在于，通过成像模块及两个图像处理模块的配合使用，两个图像处理模块接收来自成像模块的目标图像，并对图像中的目标进行特征识别，解算出火箭的位移，作为跟踪瞄准的输入判据，而且能够对火箭的棱镜位置状态和瞄准状态进行可视化、智能化的跟踪。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明的火箭偏摆、沉降的测量系统的结构框图；图2为一实施例的标识符号的初始图像；图3为一实施例的标识符号的位移后图像；图4为本发明的火箭偏摆、沉降的测量方法的原理框图；图5为本发明的火箭偏摆、沉降的测量方法的控制流程图。其中，附图标记100-测量系统10-成像模块11-瞄准仪12-CCD 摄像机130-图像采集模块20-初始图像处理模块21-字符模板建立模块22-十字线标定模块23-长度标定模块30-位移后图像处理模块31-计算比较模块40-显示装置SlOO S400 步骤200-被测目标
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。由于新一代的运载火箭的地面瞄准系统与以往运载火箭的瞄准系统有较大的区另IJ，需要在远控状态下及时直观的获得火箭惯组棱镜位移数据，以实现远控跟踪瞄准。本发明基于新一代的运载火箭的以下原理:火箭上采用捷联惯组初始定向方式，即火箭的惯组棱镜与火箭的箭体刚性固联，箭体随风摆的运动及日照、加注等造成的变形，将1:1传递给惯组棱镜，使惯组棱镜发生位移或方位扭转。也就是说火箭的箭体的位置变化即为火箭的惯组棱镜位置变化，基于此，本发明于火箭相应高度的壳体表面设置标识符号(如图2中的Μ、Z、H、B、K字符，当然，此处的Μ、Z、H、B、K字符只是举例，在实际使用中亦可以是别的任何方便识别的字符)，通过成像模块、图像采集模块和两个图像处理模块对标识符号进行捕获、提取和处理，获得标识符号偏离初始位置的距离，标识符号移动的实际距离即为火箭偏摆、沉降的实际距离。以下就对本发明的火箭偏摆、沉降的测量系统100进行详细介绍。如图1所示，为了满足新一代的运载火箭的地面瞄准系统的需求，本发明提供的火箭偏摆、沉降的测量系统100，包括成像模块10、图像采集模块130、初始图像处理模块20、位移后图像处理模块30以及显示装置40，其中，成像模块10用于捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像，此处的火箭壳体上的至少一标识符号对应为图1中的被测目标200 ;图像采集模块130用于采集成像模块10获取的标识符号图像，标识符号图像包括标识符号位于初始位置时的初始图像及标识符号发生位移后的位移后图像，初始图像如图2所示，位移后图像如图3所示；初始图像处理模块20根据成像模块10的像素计算初始图像相对于一标定位置的第一坐标值；位移图像处理模块30根据成像模块10的像素计算位移后图像相对于所述标定位置的第二坐标值，并根据所述第二坐标值相对所述第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量；显示装置40用于显示所述位移量。成像模块10可以包括一瞄准仪11和一 CXD摄像机12，CXD摄像机12设置在瞄准仪11上，瞄准仪11的镜头上设置有十字分化线。初始图像处理模块20包括字符模板建立模块21、十字线标定模块22、长度标定模块23，字符模板建立模块21根据初始图像与十字分化线的中心位置关系建立第一坐标值；十字线标定模块22用于标定所述十字分化线的中心与所述镜头零点间的关系，以获得所述标定位置的坐标；长度标定1 块23用于标定CCD摄像机12的像素对应的实际毫米数；位移后图像处理模块30主要包括一计算比较模块31，其用于计算所述第二坐标值相对所述第一坐标值变化以计算出火箭的位移量。字符模板建立模块21运行时需要提供较好的环境条件和较少的干扰，具体而言，可将火箭上的待识别的目标棱镜中心与瞄准仪10的镜头上的十字分划线的中心重合，采集一幅较好的图像(即初始图像)，获取其中的字符，并记录此时十字分划线的中心位置与字符之间的关系，以如图2中的M、Z、H、B、K五个字符为例，记录的是此时十字分划线的中心位置与Μ、Z、H、B、K五个字符之间的关系，该关系可以通过矩阵表示，并将位置关系和字符模板存入系统参数文件。当字符位置，笔划粗细，宽度、高度或字符本身发生变化时，通过调用该模块，重新保存字符模板。十字线标定模块22用于标定十字分划线的中心与镜头零点间的关系，标定时，目标为白背景，此时需要识别十字分划线的中心位置，将十字分划线中心位置对应在CXD摄像机上的坐标存入系统参数文件。长度标定模块23用于标定CXD摄像机12的像素对应的实际毫米数，由于待识别目标架设距离不确定，所以CCD摄像机上一个像素对应的远处目标的实际长度也不确定，该长度标定模块23标定出CCD摄像机像素在长、宽两个方向每个像素对应的毫米数。如图4所示，采用上述测量系统对火箭偏摆、沉降进行测量时，包括:S100，通过成像模块10捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像的步骤。S130，采集成像模块10获取的标识符号图像步骤，所述标识符号图像包括标识符号位于初始位置时的初始图像及标识符号发 生位移后的位移后图像。该步骤通过图像采集模块130来完成，此处的图像采集模块130可以为图像采集卡。S200，初始图像处理步骤，根据所述成像模块的像素计算所述初始图像相对于一标定位置的第一坐标值。
S300，根据所述成像模块的像素计算所述位移后图像相对于所述标定位置的第二坐标值，并根据所述第二坐标值相对所述第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量。S400，显示所述位移量步骤。在所述S200步骤中，火箭转场后，由于惯组棱镜初始安装的不确定性，需进行粗瞄，初寻找惯组棱镜中心法线在瞄准间的位置，并且标定、存储惯组棱镜的初始位置，建立标识字符的模版文件并计算各个标识字符中心位置到惯组棱镜中心的转换矩阵(即，根据初始图像创建字符的模板文件，及根据初始图像与十字分化线的中心位置关系建立所述第一坐标值)。标定工作进行时需要保证箭体标识字符周围环境光线均匀明亮，无遮挡、烟雾，箭体无明显摇摆等。在通过成像模块10捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像后，尤其是在获得位移后图像之前，最好对整个系统先初始化，如初始化图像采集卡等，并对环境条件进行判断，如环境条件发生了变化，则需要重新采集初始图像，并重新十字线标定(亦叫零点标定)和长度标定，根据重新采集初始图像、重新标定的零点坐标及重新长度标定后获得的转换矩阵得到第一坐标值。如外部环境条件没有发生变化，可直接采用系统参数文件中储存的零点坐标及转换矩阵。此处的外部环境条件例如是标识符号位置、笔划粗细、宽度、高度或字符本身发生变化。如图5所示，本发明的位移后图像处理步骤包括:S310，灰度分割，形态学筛选步骤。S320，根据第i个字符模板找到相似度最高的位移后图像I。仍以上述M、Z、H、B、K五个字符为例，每个字符对应一个字符模板，即，有五个字符模板，在该步骤中，若先根据字符M来计算火箭的位移量，则需要根据第一个字符模板(即M字符模板)找到位移后的M字符图像。S330，判断相似度分数是否高于一第一阈值，若是，进行步骤S340，若不是，进行步骤S350。此处的第一阈值可为80 90，如，判断位移后的M字符图像与M字符模板的相似度分数是否为80 90。 S340，获取位移后图像I的位置，计算出火箭的位移量Op仍以M字符为例，计算出位移后的M字符图像的位置，该位置即为前述的第二坐标值，将该第二坐标值与M字符模板的初始坐标值(即第一坐标值)相比较得到火箭的位移量OpS350，i的值加1，并保存为i。S360，判断i是否彡n，n为标识符号的个数(如图2的实施例中，η的值为5)，若是，返回执行步骤S320 ;若不是，执行步骤S370。S370，判断位移量Oi的个数，若Oi的个数等于I，执行步骤S380 ;若Oi的个数等于2，执行步骤S390 ;若Oi的个数大于等于3，执行步骤S3110。S380，判断相似度分数是否小于一第二阈值，若不是，执行步骤S400;若是，执行步骤S3112。此处的第二阈值可为95 99，图5给出的实施例中第二阈值为99。S390，判断两个位移量Oi的差值是否超出一第一设定值或任何一个位移量Oi所对应的相似分数小于一第三阈值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3114。在图5的实施例中，该第三阈值为90。需要说明的是，该第一设定值主要用来判断两个位移量Oi的差别，在实际使用中，可根据需要进行选择。S3110，判断多个位移量Oi相互间的差值是否超出一第二设定值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3116。需要说明的是，该第二设定值主要用来判断多个位移量Oi相互间的差别，在实际使用中，可根据需要进行选择。S3112，剔除该位移量Oi，只显示初始图像。S3114,剔除该两个位移量Oi,只显示初始图像。S3116，删掉偏离多个位移量Oi的平均值最大的位移量Oi，并返回执行步骤S370。在所述S400步骤中，当位移量Oi的个数等于I时，显示该一个Oi的值(如图5中的S41步骤)；当位移量Oi的个数大于I时，显示多个Oi的平均值(如图5中的S42、S43步骤)。在实际操作中，采用本发明的系统和方法进行火箭偏摆、沉降测量时，可以通过人机交互界面进行操作，于人机交互界面上设置“实时显示”按钮、“创建模版”按钮，点击人机交互界面上的“实时显示”按钮，主界面中的图像开始实时显示。输入箭体上各个标识字符的实际宽度和高度(喷涂的宽度和高度值都为30mm或以上)，点击“创建模版”按钮，字符模板建立模块会自动分离出作为特征点的各个标识字符。假如在文件参数规定路径下没有模板文件，字符模板建立模块会自动采集当前标识字符的图像创建模板。并获取各个标识字符的中心位置，再根据十字分化线中心算出对应于每个字符，该字符和棱镜中心的转换矩阵，并存储下来。一幅图像的每个字符都辨认出来的瞬间，人机交互界面显示出辨认出来的各个字符，从而完成标定过程。当需要实时跟踪的时候，点击“实时显示”按钮，系统就可以自动判断出惯组棱镜相对于初始位置的位移极性及大小，并实时显示在显示装置的主界面上，该显示装置可以是与人机交互界面一体的，也可以是分体的。对新一代运载火箭采取上述方法来测量火箭的偏摆、沉降，有以下优点:(I)经过试验证明，背景光强度一定范围的变化不影响对标识字符的识别，测量系统能适应的光照度变化范围为3001x-1000001x以上；(2)可以剔除贯穿整个视场的狭长细线以及加强筋等对图像识别的干扰，并能完整保留除掉干扰线后的字符。(3)当由于外界干扰或遮挡的情况下，会导致CCD摄像头采集到的字符数量不够，但只要采集到至少I个字符，都可以推算出棱镜中心位置，降低了对周围环境条件的要求。(4)经过试验证明，该方法可以在距离火箭25m距离下，测量火箭惯组棱镜的位移量，测量分辨率达到Imm,识别精度达到5mm。(5)对惯组棱镜的位移进行实时跟踪和测量的处理时间在IOOms以内。(6)能够对棱镜位置状态和瞄准状态进行可视化、智能化的跟踪。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种火箭偏摆、沉降的测量系统，其特征在于，包括: 成像模块，用于捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像； 一图像采集模块，用于采集所述成像模块获取的标识符号图像，所述标识符号图像包括标识符号位于初始位置时的初始图像及标识符号发生位移后的位移后图像； 一初始图像处理模块，其根据所述成像模块的像素计算所述初始图像相对于一标定位置的第一坐标值； 一位移后图像处理模块，其根据所述成像模块的像素计算所述位移后图像相对于所述标定位置的第二坐标值，并根据所述第二坐标值相对所述第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量；以及 一显示装置，用于显示所述位移量。
2.根据权利要求1所述的火箭偏摆、沉降的测量系统，其特征在于，所述成像模块包括一瞄准仪和一 CXD摄像机，所述CXD摄像机设置在所述瞄准仪上，所述瞄准仪的镜头上设置有十字分化线。
3.根据权利要求2所述的火箭偏摆、沉降的测量系统，其特征在于，所述初始图像处理模块包括: 字符模板建立模块，其根据初始图像创建字符的模板文件，及根据初始图像与十字分化线的中心位置关系建立所述第一坐标值； 十字线标定模块，其用于标定所 述十字分化线的中心与所述镜头零点间的关系，以获得所述标定位置的坐标； 长度标定模块，其用于标定所述CCD摄像机的像素对应的实际毫米数。
4.根据权利要求1所述的火箭偏摆、沉降的测量系统，其特征在于，所述第一坐标值及所述第二坐标值通过矩阵表示。
5.一种火箭偏摆、沉降的测量方法，其特征在于，包括: S100，通过一成像模块捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像的步骤；S130，采集所述成像模块获取的标识符号图像步骤，所述标识符号图像包括标识符号位于初始位置时的初始图像及标识符号发生位移后的位移后图像； S200，初始图像处理步骤，根据所述成像模块的像素计算所述初始图像相对于一标定位置的第一坐标值； S300，位移后图像处理步骤，根据所述成像模块的像素计算所述位移后图像相对于所述标定位置的第二坐标值，并根据所述第二坐标值相对所述第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量；以及 S400,显示所述位移量步骤。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在所述SlOO步骤中，所述成像模块包括一瞄准仪和一 CXD摄像机，所述CXD摄像机设置在所述瞄准仪上，所述瞄准仪的镜头上设置有十字分化线。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在所述S200步骤中，包括字符模板建立步骤S210，根据初始图像创建字符的模板文件，及根据初始图像与十字分化线的中心位置关系建立所述第一坐标值。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在所述S200步骤中，包括十字线标定步骤S220，用于标定所述十字分化线的中心与所述镜头零点间的关系，以获得所述标定位置的坐标。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，在所述S200步骤中，包括长度标定步骤S230，用于标定所述CCD摄像机的像素对应的实际毫米数。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在所述长度标定步骤中，包括标定出CCD摄像机在长、宽两个方向每个像素对应的实际毫米数步骤。
11.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在所述S300步骤中，包括: S310，灰度分割，形态学筛选步骤； S320，根据第i个字符模板找到相似度最高的位移后图像I ; S330,判断相似度分数是否高于一第一阈值，若是，进行步骤S340，若不是，进行步骤S350 ； S340，获取位移后图像I的位置，计算出火箭的位移量Oi ； S350, i的值加I，并保存为i ; S360，判断i是否< η，η为标识符号的个数，若是，返回执行步骤S320 ;若不是，执行步骤 S370 ； S370，判断位移量Oi的个数，若Oi的个数等于1，执行步骤S380 ;若(^的个数等于2，执行步骤S390 ;若Oi的个数大于等于3，执行步骤S3110 ； S380,判断相似度分数是否小于一第二阈值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3112 ； S390，判断两个位移量Oi的差值是否超出一第一设定值或任何一个位移量Oi所对应的相似分数小于一第三阈值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3114 ； S3110,判断多个位移量Oi相互间的差值是否超出一第二设定值，若不是，执行步骤S400 ;若是，执行步骤S3116 ； S3112，剔除该位移量Oi，只显示初始图像； S3114,剔除该两个位移量Oi,只显示初始图像； S3116，删掉偏离多个位移量Oi的平均值最大的位移量Oi，并返回执行步骤S370。
12.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，在所述S400步骤中，当位移量Oi的个数等于I时，显示该一个Oi的值；当位移量Oi的个数大于I时，显示多个Oi的平均值。
全文摘要
本发明涉及一种火箭偏摆、沉降的测量系统及方法，测量系统包括成像模块、图像采集模块、初始图像处理模块、位移后图像处理模块和显示装置，成像模块用于捕获设置于火箭壳体上的至少一标识符号并将其成像；图像采集模块用于采集成像模块获取的标识符号图像，标识符号图像包括初始图像及位移后图像；初始图像处理模块根据成像模块的像素计算所述初始图像相对于一标定位置的第一坐标值；位移后图像处理模块根据成像模块的像素计算位移后图像相对于标定位置的第二坐标值，并根据第二坐标值相对第一坐标值的变化量计算出火箭的位移量；显示装置用于显示所述位移量。本发明能够对火箭的棱镜位置状态和瞄准状态进行可视化、智能化的跟踪。
文档编号G01C11/36GK103090796SQ201110340328
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者柳雨杉, 贺长水, 王岩, 丁爽, 吴中华, 姜华, 宋小艳 申请人:北京航天发射技术研究所, 中国运载火箭技术研究院