本发明涉及现场校准方法来源于摄影测量学领域,旨在解决一种浮空器囊体体积测量装置(基于普通工业相机的视觉测量装置)在现场应用中的参数校准问题。
背景技术：
：浮空器囊体体积测量装置是“基于人工标志和自然纹理成像的近影摄像测量原理”的工作系统，测量装置所用普通工业相机需要通过现场校准，确定相机外部参数，也是确定三维空间点和二维图像点间映射关系的过程。确定所有相机相对于校准参考坐标系(称为世界坐标系)的三维位置和方向(称为相机外参数)，是测量装置准确地从二维图像重建三维空间模型的关键，实现大型浮空器囊体体积测量的基础。浮空器在飞试前，通过对浮空器囊体空间尺寸和囊体体积进行现场测量，通过评估其有效载荷条件下的平衡性能、气动特性，成为评价和验证设计参数的有效手段，对提高浮空器飞行品质产生重要影响。因此，研究一种在外场试验环境中，能适应于一定风场、气流变化影响条件下，能准确标准浮空器囊体体积测量装置的现场校准技术，成为本专利核心。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种大型浮空器囊体体积测量装置的现场校准方法。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型浮空器囊体体积测量装置的现场校准方法，包括以下步骤：1)在大型浮空器囊体周围10米以外布设P个地面控制点，为确保大型浮空器囊体体积测量装置的每台相机均可拍摄到2根以上的精密标定杆，在被测对象侧边1m以外布设2P根精密标定杆，设定现场校准区域；2)采用1台激光全站仪和2个棱镜组件，依次在P个地面控制点设立测站，按照测回法测定P个地面控制点的边角网，进而计算平面坐标，按照三角高程测量法测定P个地面控制点的高程网，进而计算高程坐标，构成地面控制点的局部三维坐标；3)在被测对象侧边的4个地面控制点设立测站，用激光全站仪和棱镜组件按照极坐标法观察得到大型浮空器囊体侧边精密标定杆上所有准校点的局部三维坐标；4)将大型浮空器囊体头部的地面控制点A设为的原点，以大型浮空器囊体头部的地面控制点指向尾部方向定义为X轴正方向，垂直于X轴从地面指向天空的方向定义为Z轴正方向，Y轴定义符合右手定则，建立校准参考坐标系；将地面控制点、精密标定杆的局部三维坐标，统一在校准参考坐标系中精确求得所有校准点的相对位置关系，确定校准点的像点坐标及其对应的物方点坐标，从而构建完整的现场校准场；大型浮空器囊体体积测量装置对精密标定杆上的校准点进行拍摄获得图片，利用像点坐标和地面控制点三维坐标的对应关系，以及事先标定好的相机内方位元素，采用后方交会测量的方法解算得到测量装置的每个相机的外方位元素，得到大型浮空器囊体体积测量装置位置和姿态完成校准工作。步骤4)中，校准参考坐标系的建立过程包括以下步骤：1)以测站点A为第一个测站，并设为基准站，之后设站顺序依次为测站B、C、D、E、F，选择第一个测站点A为坐标原点，测站点A右方的观测点为x轴正方向，与x轴垂直的方向为y轴，确定AB方向为x轴正方向，与AB垂直且以F方向为y轴正方向，建立起平面xoy坐标系，然后将z轴设为水平面；2)在测站点A设站，获得A、F两测站间的平距DAF,A、B两测站间的平距DAB，观测水平角∠AF盘左、∠AF盘右、∠AB盘左、∠AB盘右，竖直角仪器高IA，棱镜高VB；在测站B设站，获得B、A两测站间的平距DBA,B、C两测站间的平距DBC,水平角∠BA盘左、∠BA盘右、∠BC盘左、∠BC盘右，竖直角仪器高IB，棱镜高VC；同理，依次在测站C、D、E、F设站，获得一系列的测量数据；3)计算平距：计算水平角：计算每个内角的改正数νβ：νβ＝—((∠A+∠B+∠C+∠D+∠E+∠F)-(m-2)×180°)/m；m＝6；对内角进行改正，得到改正后的内角：4)设定测站点A的平面坐标为(0,0)，测站点B的平面坐标为(DAB，0)，故αAB＝0°，计算方位角：5)对各测站的X、Y坐标进行计算：XA=0YA=0XB=DABYB=0XC=XB+DBC·cosαBCYC=YB+DBC·sinαBCXD=XC+DCD·cosαCDYD=YC+DCD·sinαCDXE=XD+DDE·cosαDEYE=YD+DDE·sinαEFXF=XE+DEF·cosαEFYF=YE+DEF·sinαEF;]]>6)将AB方向的x轴绕测站点A逆时针旋转∠β，与AD为正方向的X轴重合，在校准参考坐标系中，设D的坐标为(DAD，0)；而在以AB为x轴正方向的坐标中，D的坐标为(XD，YD)，根据平面坐标系平移公式，求得：7)进行坐标旋转：XA=0YA=0X′B=DAB·cos∠β-0·sin∠βY′B=DAB·sin∠β+0·cos∠β;]]>X′C=XC·cos∠β+YC·sin∠βY′C=XC·sin∠β+YC·cos∠βX′D=DADY′D=0X′E=XE·cos∠β-YE·sin∠βY′E=XE·sin∠β+YE·cos∠βX′F=XF·cos∠β-YF·sin∠βY′F=XF·sin∠β+YF·cos∠β;]]>8)计算各测站的Z坐标，设测站A的Z坐标ZA＝0，根据三角高程测量公式，求得测站A、B、C、D、E、F的高程Z坐标；9)最小化误差：[(DAB-(XA-XB)2+(YA-YB)2)2+(DBC-(XB-XC)2+(YB-YC)2)2+(DCD-(XC-XD)2+(YC-YD)2)2+(DDE-(XD-XE)2+(YD-YE)2)2+(DEF-(XE-XF)2+(YE-YF)2)2+(DFA-(XF-XA)2+(YF-YA)2)2]ϵ+[(∠A-Q(F,A,B))2+(∠B-Q(A,B,C))2+(∠C-Q(B,C,D))2+(∠D-Q(C,D,E))2+(∠E-Q(D,E,F))2+(∠F-Q(E,F,A))2](1-ϵ),]]>在约束条件为时最小，其中，Q(F，A，B)表示由测站点F、A、B的X、Y平面坐标计算出的∠FAB，Q(A，B，C)···Q(E，F，A)同理；令在约束条件为时最小，其中，i＝A，B，C，D，E，F顺次循环；10)在大型浮空器囊体侧边的4个地面控制点设立测站，用激光全站仪和棱镜组件按照极坐标法观察得到被测对象侧边精密标定杆上所有准校点的局部三维坐标,确立校准参考坐标系。步骤4)中，利用测量相机对精密标定杆上的校准点进行拍摄，各测量相机的参数获取方法包括以下步骤：1)各测量相机由IO卡控制曝光采集图像，每个测量相机保证能拍到至少4个校准点，在每张图像上量取至少3个校准点的像点坐标；2)求得某一测量相机的外方位元素：XS，YS，ZS，ω，κ：其中：X0s、Y0s、Z0s、ω0、κ0代表外方位元素的近似值，取值如下：Z0s＝f，n为单张影像上像点的个数；Xi、Yi为单张影像上像点对应的地面平面坐标；ΔX1s，ΔY1s，ΔZ1s，Δω1，Δκ1为测量相机外方位元素改正数第一次迭代的结果值，ΔX2s，ΔY2s，ΔZ2s，Δω2，Δκ2为测量相机外方位元素改正数第二次迭代的结果值，依此类推；ΔXs，ΔYs，ΔZs，Δω，Δκ为测量相机外方位元素近似值的改正数。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明解决了测量装置在任意场景下浮空器囊体体积测量的应用问题，同时，解决了测量装置使用中需要搬动情况下的校准问题。本发明为准确测量大型浮空器囊体体积提供了技术基础，具有重要实现意义。附图说明图1为本发明—实施例现场校准整体示意图；图2为本发明—实施例激光全站仪实际导线测量示意图；图3为本发明—实施例精密标定杆上校准点坐标测量示意图；图4为本发明—实施例各测量相机进行拍摄示意图；其中，1-测量装置，2-地面控制点，3-精密标定杆，4-激光全站仪，5-棱镜组件。具体实施方式本发明的具体实现过程如下：1)布置现场校准区域所述被测对象大型浮空器囊体周围10米以外布设6个地面控制点2，在被测对象侧边1m以外布设12根精密标定杆3，设定现场校准区域，确保大型浮空器囊体体积测量装置1的每台相机均可拍摄到2根以上的精密标定杆。2)标测地面控制点的局部三维坐标采用1台激光全站仪4和2个棱镜组件5，依次在6个地面控制点2设立测站，按照测回法测定6个地面控制点2的边角网，进而计算平面坐标，按照三角高程测量法测定6个地面控制点2的高程网，进而计算高程坐标，构成地面控制点2的局部三维坐标。3)标测精密标定杆上所有校准点的局部三维坐标在被测对象侧边的4个地面控制点设立测站，用激光全站仪4和棱镜组件5按照极坐标法观察得到被测对象侧边精密标定杆3上所有准校点的局部三维坐标。4)校准参考坐标系与测量坐标系的统一技术将被测对象头部的地面控制点A设为的原点，以被测对象头部的地面控制点指向尾部方向定义为X轴正方向，垂直于X轴从地面指向天空定义为Z轴正方向，Y轴定义符合右手定则，建立校准参考坐标系；将地面控制点2、精密标定杆3的局部三维坐标，统一在校准参考坐标系中精确求得所有准校点的相对位置关系，确定校准点的像点坐标及其对应的物方点坐标，从而构建完整的现场校准场。测量装置1对精密标定杆3上的校准点进行拍摄获得图片，利用像点坐标和地面控制点三维坐标的对应关系，以及事先标定好的相机内方位元素，采用后方交会测量的方法解算得到测量装置1的每个相机的外方位元素，得到其位置和姿态完成校准工作。本发明原理如下:(1)确定校准参考坐标系测量系统的坐标系即相机的外方位元素所在的坐标系，而校准系统的坐标系是指以全站仪的第1个测站作为基准的坐标系。首先，所有的校准点(基准点)的坐标是通过全站仪观测的，并且全部换算到了全站仪的基准坐标系中；其次，相机的外方位元素是通过视控制点坐标为真值的单片空间后方交会方法计算得到的，后方交会的原理决定了外方位元素与校准点在同一个坐标系中。因此，测量系统坐标系与校准系统坐标系其实是同一个坐标系，即以全站仪为基准的坐标系。以全站仪为基准的参考坐标系建立方法原理：如图1所示，以测站点A为第一个测站，并设为基准站，之后设站顺序依次为测站B、C、D、E、F。设定AD方向为X轴，以被测对象头部的地面控制点A指向尾部方向的地面控制点D定义为X轴正方向，垂直于X轴从地面指向天空定义为Z轴正方向，Y轴定义符合右手定则，建立校准参考坐标系。XOY为校准参考坐标系起初在实际测量中，选择第一个测站点A为坐标原点，其右方的观测点为x轴正方向，与X轴垂直方向为y轴，如图2为所示，确定AB方向为x轴正方向，与AB垂直且以F方向为y轴正方向，建立起平面xoy坐标系，xoy为实际测量坐标系，然后将z轴设为水平面。测量完毕后，将此实际测量坐标系逆时针旋转∠β，与校准参考坐标系重合，即完成校准参考坐标系的确定。校准参考坐标系确立的具体步骤：1)激光全站仪获取测量数据在测站点A设站，获得得A、F两测站间的平距DAF,A、B两测站间的平距DAB,观测水平角∠AF盘左、∠AF盘右、∠AB盘左、∠AB盘右，竖直角仪器高IA，棱镜高VB；在测站B设站，获得得B、A两测站间的平距DBA,B、C两测站间的平距DBC,水平角∠BA盘左、∠BA盘右、∠BC盘左、∠BC盘右，竖直角仪器高IB，棱镜高VC；同理，依次在测站C、D、E、F设站，获得一系列的测量数据。①平距计算②水平角计算2)每个内角的改正数νβνβ＝—((∠A+∠B+∠C+∠D+∠E+∠F)-(n-2)×180°)/n(3)在这里，n＝6。3)内角改正后的大小∠A′=∠A+νβ∠B′=∠B+νβ......∠E′=∠E+νβ∠F′=∠F+νβ---(4)]]>4)方位角计算设定测站点A的平面坐标为(0,0)，测站点B的平面坐标为(DAB，0)，故αAB＝0°，5)各测站X、Y坐标计算XA=0YA=0XB=DABYB=0XC=XB+DBC·cosαBCYC=YB+DBC·sinαBCXD=XC+DCD·cosαCDYD=YC+DCD·sinαCDXE=XD+DDE·cosαDEYE=YD+DDE·sinαDEXF=XE+DEF·cosαEFYF=YE+DEF·sinαEF---(6)]]>6)旋转坐标系①计算旋转角度将AB方向的x轴绕测站点A逆时针旋转∠β，与AD为正方向的X轴重合。在校准参考坐标系中，设D的坐标为(DAD，0)；而在以AB为x轴正方向的坐标中，D的坐标为(XD，YD)。根据平面坐标系平移公式，列出下面的平移方程，见公式(7)：DAD=XDcos∠β-YDsin∠β0=XD·sin∠β+YD·cos∠β---(7)]]>解得：∠β=arcsin(-DAD·YD(XD2+YD2))---(8)]]>②进行坐标旋转XA=0YA=0X′B=DAB·cos∠β-0·sin∠βY′B=DAB·sin∠β+0·cos∠β---(9)]]>X′C=XC·cos∠β+YC·sin∠βY′C=XC·sin∠β+YC·cos∠βX′D=DADY′D=0X′E=XE·cos∠β-YE·sin∠βY′E=XE·sin∠β+YE·cos∠βX′F=XF·cos∠β-YF·sin∠βY′F=XF·sin∠β+YF·cos∠β---(10)]]>7)计算各测站的Z坐标设测站A的ZA＝0，根据三角高程测量公式：Zi+1=Zi+Di(i+1)·tan∂i(i+1)+Ii-Vi+1---(11)]]>其中，i＝A，B，C，D，E，F顺序循环；Di(i+1)为测站点i和测站点i+1之间的平距；为在测站i观测立在测站i+1上的棱镜的竖直角；Ii为在测站点i量取的仪器高；Vi+1为立在测站点i+1上的棱镜高。根据上述的三角高程测量公式，求得测站A、B、C、D、E、F的高程Z坐标。8)最小化误差令：[(DAB-(XA-XB)2+(YA-YB)2)2+(DBC-(XB-XC)2+(YB-YC)2)2+(DCD-(XC-XD)2+(YC-YD)2)2+(DDE-(XD-XE)2+(YD-YE)2)2+(DEF-(XE-XF)2+(YE-YF)2)2+(DFA-(XF-XA)2+(YF-YA)2)2]ϵ+[(∠A-Q(F,A,B))2+(∠B-Q(A,B,C))2+(∠C-Q(B,C,D))2+(∠D-Q(C,D,E))2+(∠E-Q(D,E,F))2+(∠F-Q(E,F,A))2](1-ϵ)---(12)]]>在约束条件为：XA=0YA=0YD=0---(13)]]>下为最小。其中，Q(F，A，B)表示由测站点F、A、B的X、Y平面坐标计算出的∠FAB，Q(A，B，C)···Q(E，F，A)同理。由于平距的测量误差为2mm,水平角测角误差为2″，故取ε＝0.5。令：[(Ii+Di(i+1)tan∂i(i+1)-Vi+1)-(Zi+1-Zi)]---(14)]]>在约束条件为：XA=0YA=0ZA=0YD=0---(15)]]>下为最小。其中，i＝A，B，C，D，E，F顺次循环。9)精密标定杆上校准点坐标计算在被测对象侧边的4个地面控制点设立测站，用激光全站仪④和棱镜组件⑤按照极坐标法观察得到被测对象侧边精密标定杆③上所有准校点的局部三维坐标。如图3所示，在测站B设站，测站B与校准点a平距DBa，测得校准点a与BA方向的水平角θa，竖直角量得仪器高IB，棱镜高则为Va＝0。由步骤4)得到方位角αBa＝αAB+θa-180°。由步骤5)得到校准点a的平面坐标：Xa=XB+DBacosαBaYa=YB+DBasinαBa---(16)]]>由步骤7)得到校准点a的Z坐标：Za=IB+DBatan∂Ba-Va---(17)]]>同理，由步骤4)、5)、7)可得到其它校准点的三维坐标。到此，根据步骤1)、2)...8)、9)得到校准参考坐标系的测站点和校准点的三维坐标，完全确立了校准参考坐标系。3、确定各测量相机的参数如图4所示，测量装置①中的各测量相机对精密标定杆③上的校准点进行拍摄，获得校准点的影像，在获取的影像上量取各个校准点的像点坐标。利用各个校准点的像点坐标和其相对应的地面控制点三维坐标，以及事先标定好的相机内方位元素，采用后方交会测量的方法解算得到测量装置①的每个相机的外方位元素，得到其位置和姿态完成校准工作。具体的各测量相机参数获取方法如下：1)量测校准点的像点坐标测量装置①中的各测量相机由IO卡控制曝光采集图像，每个相机保证能拍到至少4个校准点。在每张图像上量取至少3个校准点的像点坐标，本方法量取4个校准点。如在一张图像上量取到校准点a、b、c、d的像点坐标：a(xa,ya)、b(xb,yb)、c(xc,yc)、d(xd,yd)。2)后方交会解算相机的外方位元素相机的外方位元素有6个：XS，YS，ZS，ω，κ。由校准点的像点坐标及其对应的控制点三维坐标，已知的相机的内方位元素(xo,yo,f)，依据共线条件方程一般式：x-x0=-fa1(XA-XS)+b1(YA-YS)+c1(ZA-ZS)a3(XA-XS)+b3(YA-YS)+c3(ZA-ZS)y-y0=-fa2(XA-XS)+b2(YA-YS)+c2(ZA-ZS)a3(XA-XS)+b3(YA-YS)+c3(ZA-ZS)---(18)]]>列出检校点的共线方程：x-xo=-fa1(X-XS)+b1(Y-XS)+c1(Z-XS)a3(X-XS)+b3(Y-XS)+c3(Z-XS)y-yo=-fa2(X-Xs)+b2(Y-Xs)+c2(Z-XS)a3(X-XS)+b3(Y-XS)+c3(Z-XS)---(19)]]>具体的为：xa-xo=-fa1(Xa-XS)+b1(Ya-XS)+c1(Za-XS)a3(Xa-XS)+b3(Ya-XS)+c3(Za-XS)ya-yo=-fa2(Xa-XS)+b2(Ya-XS)+c2(Za-XS)a3(Xa-XS)+b3(Ya-XS)+c3(Za-XS)xb-xo=-fa1(Xb-XS)+b1(Yb-XS)+c1(Zb-XS)a3(Xb-XS)+b3(Yb-XS)+c3(Zb-XS)yb-yo=-fa2(Xb-XS)+b2(Yb-XS)+c2(Zb-XS)a3(Xb-XS)+b3(Yb-XS)+c3(Zb-XS)......---(20)]]>其中，相机的外方位元素有6个，即为6个未知数，由一个像点坐标可以列2个方程式，故至少需要3个像点才可进行方程求解。本方法选用4个像点进行求解，以第一个相机的图像上校准点为a、b、c、d例。①共线方程线性化②误差方程式的建立V＝AX-L,P(25)其中，P为像点观测值的权，其它符号对应每一个像点为：Vi＝[vxvy]T(26)Li＝[lxly]T＝[x-(x),y-(y)]T(27)Ai=a11a12a13a14a15a16a21a22a23a24a25a26---(28)]]>③法方程求解法方程式：ATPAX＝ATPL(29)法方程解：X＝(ATPA)-1ATPL(30)从而可求出相机外方位元素近似值的该正数ΔXs，ΔYs，ΔZs，Δω，Δκ。④改正后的外方位元素由于共线方程在线性化过程中各系数取自泰勒级数展开式的一次项，且未知数的初值一般都是比较粗糙的，因此计算需要迭代进行。每次迭代时用未知数近似值与上次迭代计算的改正后数之和作为新的近似值，重复计算过程，求出新的该正数，这样反复趋近，直到该正数小于某一个限值为止，最后得出相机的6个外方位元素的解：其中，Z0s＝f，n为单张影像上像点的个数；Xi、Yi为单张影像上像点对应的地面平面坐标。至此，根据步骤①、②、③、④可求得一个相机的6个外方位元素，同理，重复步骤①、②、③、④，可将所有相机的外方位元素求出，完成相机参数的测量。当前第1页1 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