热真空环境下着陆缓冲机构电爆展开高速摄影测量方法与流程

本发明属于工业测量技术领域，具体涉及一种热真空环境下着陆缓冲机构展开高速摄影测量方法，该方法主要应用于航天精密测量领域。

背景技术：

着陆缓冲机构是着陆器探测上重要机构之一，其主要功能是缓冲着陆器在月面着陆时的冲击，保证着陆器自身及其上有效载荷的安全，并为着陆器在月面工作提供可靠支撑，同时可作为月面起飞的发射平台。为了验证着陆缓冲机构在热真空环境下的工作能力，需要在真空环境下进行高、低温下的电爆展开，并对展开过程中的运动过程进行测量，准确给出展开时间，即从着陆缓冲机构运动开始到展开锁定时的时间，并可通过后处理获得“位移-时间”曲线。

运动时间、运动姿态和运动速度的传统方法是传统的利用加速度计等惯性元件，需要在被测对象上安装惯组系统，容易改变被测对象自身的配重特性，并且测量系统在热真空特殊环境下工作，系统的电子元件的性能将受到较大影响，无法保证测量精度和可靠性。

为解决以上问题，本文提出了一种热真空环境下着陆缓冲机构电爆展开高速摄影测量方法，利用该系统完成了月球探测器的缓冲着陆器的电爆展开过程中的展开时间、以及运动位移和速度。该测量系统具备非接触测量的优点，不会改变被测对象自身的配重特性。将高速摄像机架设在真空罐外，可通过光学测量舷窗，来记录罐内热真空环境下的着陆缓冲机构展开运动，避免热真空环境对测量系统的影响，测量精度高、可靠性高。测量结果可以满足试验的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热真空环境下着陆缓冲机构电爆展开高速摄影测量方法，以满足热真空环境下电爆开展试验的展开时间、位移、速度等参数的测量要求。

本发明是通过如下技术方案实现的：

热真空环境下着陆缓冲机构电爆展开高速摄影测量方法，包括以下步骤：

(1)在被测着陆缓冲机构表面上粘贴摄影测量靶标，确定靶标粘贴位置和靶标数量及大小；

(2)将着陆缓冲机构通过试验支架固定在真空罐内，并在罐内布设led光源；

(3)利用两台经纬仪，建立经纬仪测量系统，测量靶标中心点的三维坐标；

(4)在真空罐外架设高速摄像机，使其能够通过眩窗玻璃完整拍摄着陆缓冲机构，高速摄像机采集初始图像，通过经纬仪测出的靶标中心点的三维坐标值完成摄像机的参数标定；

(5)根据测量工况的温度梯度要求，在真空罐内进行真空低温循环试验，低温循环试验结束后，进行真空低温环境下的电爆展开；

(6)在电爆的过程中，利用高速摄像机记录展开的过程图像，通过图像处理法计算出真空低温环境下着陆缓冲机构展开运动位移和运动时间；

(7)展开后试验停机，对着陆缓冲机构进行重新压紧，然后再一次试验开机，进行高温下的电爆展开，具体操作过程同步骤(1)-步骤(6)。

其中，摄像机参数的标定采用针孔成像模型，利用经纬仪测出的多组靶标中心点的实际坐标值，以及靶标在图像中的像素位置，计算出图像水平和竖直方向的像素当量即每个像素实际表征的实际尺寸。

其中，利用高速摄像机记录展开的过程图像序列，在第一张图片上手动选择出要一个或多个测量的靶标点区域，利用图像相关算法在后续每张图片中每个靶标点区域附近进行相关搜索运算找出运动后的靶标点位置；当达到最大位移位置时比较其与初始位置的水平及竖直像素变化，并乘以像素当量，即可得到水平和竖直方向的位移量。

其中，展开时间的计算是通过计算出图像序列中开始运动的图像序号和达到最大位移时的图像序号之间的差值，再乘以每两张图片之间的采样间隔时间得到的。

本发明解决了着陆缓冲机构热真空环境下电爆展开的参数测量难题，具有如下的效果：

在着陆缓冲机构被测点表面粘贴摄影测量靶标，在电爆展开过程中通过眩窗外的高速摄像机拍摄运动过程图片，随后通过图像处理算法对运动过程图像序列计算出运动位移，通过找到从开始到最大位移的对应的图像序号计算出展开运动的图像数量从而计算出展开时间。测量靶标点可分布式粘贴着陆缓冲机构结构被测表面上，体积小，重量轻，对着陆缓冲机构影响可忽略不计。

本发明的测量方法该测量方法具有较好的精度和重复性，为研究热真空环境下着陆缓冲机构的展开运动提供了一种有效的实验方法，图像采样率可达每秒2000帧，位移测量精度优于0.2mm，时间测量精度为0.5ms。

附图说明：

图1为被测着陆缓冲机构的结构示意图。

图2为被粘贴的摄影测量靶标的示意图。

图3为热真空环境下着陆缓冲机构展开高速摄影测量方法布局示意图。其中，1为高速摄像机，2为真空罐，3为led光源，4为试验件固定支架，5为被测着陆缓冲机构，6为真空罐上的玻璃眩窗。

具体实施方案：

以下结合附图对本发明的测量过程进行详细说明，这些说明仅仅是示意性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

图1中为被测着陆缓冲机构的结构示意图，其表面粘贴有9个摄影测量靶标。靶标粘贴的位置如图1所示，每个靶标正对真空罐玻璃眩窗一侧，以确保其能被摄像机拍摄到。

图2为被粘贴的摄影测量靶标的示意图，摄影靶标为黑白相间的四象限圆形靶标，有不同规格尺寸，粘贴选择的尺寸取决于被测区域的大小。靶标的中心点为经纬仪测量及摄像机测量的目标点。

图3为热真空环境下着陆缓冲机构展开高速摄影测量方法布局示意图。着陆缓冲机构通过试验支架固定在真空罐内，并在罐内布设led光源。在真空罐外架设高速摄像机，使其正对真空罐眩窗，能够通过眩窗玻璃完整拍摄着陆缓冲机构。由于高速摄像机位于真空罐外不受罐内真空环境的影响，因此无需对高速摄像机进行密封、温控等防护措施。

首先，在真空罐外离被测着陆缓冲机构2米左右位置的正前架设两台经纬仪，两台经纬仪的连线与被测目标平行。两台经纬仪依次调平、互瞄、基于标尺定标，建立前方交会经纬仪测量系统，两台经纬仪连线在水平方向的投影为x轴，竖直向上位z轴，根据右手法则可确定y轴；随后，两台经纬仪测量两个靶标中心点p1和p2的三维坐标p1(x1,y1,z1)和p1(x2,y2,z2)。

在真空罐外架设高速摄像机，使其能够通过眩窗玻璃完整拍摄着陆缓冲机构，高速摄像机采集初始图像，通过计算出图像中两个靶标中心点p1和p2的像素位置p1(u1,v1)和p2(u2,v2)，u为水平方向，v为竖直方向。可计算出摄像机的水平像素当量u和竖直像素当量v：

测量精度由像素当量决定，以实际被测0.5m的区域像素数为2500，可计算出像素当量为0.2mm，即为每个像素实际代表的成像物体尺寸。

在电爆的过程中，利用高速摄像机以2000帧每秒的采样速率记录展开的过程图像。图像处理具体过程是，在第一张图片上手动选择出要一个测量的靶标点区域，计算出靶标点中心在图像中的位置，以初始位置为0点p0(u1,v1)。随后，利用图像相关算法在后续每张图片中每个靶标点区域附近进行相关搜索运算找出运动后的靶标点中心在图像中的位置，以第i张图片靶标点中心pi(ui,vi)；着陆缓冲机构在y方向位移很小，可忽略不计。此时，靶标点中心pi的实际位置pi(xi,zi)可由以下公式计算：

xi＝u*(ui-u1)

zi＝v*(vi-v1)

每张图像i对应的时间ti(单位为秒),可由以下公式计算：

ti＝1/2000*i

此时，每个点的位移及时间均可求出，即可绘制出“位移-时间”曲线图。

若第k张图像为最大位移图片，则展开时间t(即从着陆缓冲机构运动开始到展开锁定时的时间，单位为秒)可由以下公式计算：

t＝1/2000*k

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。