飞行器地面试验运动参数视觉测量系统关键问题研究

摘要

飞行器地面试验是飞行器研制过程中不可或缺的一部分，通过飞行器地面试验可以有效提高飞行器的可靠性，并降低研制成本、缩短研制周期。在飞行器地面试验中，试验飞行器的位置、姿态等参数是运动学和动力学研究中的基本参数，可用于飞行器试验鉴定、事故分析以及工业设计等多个方面。视觉测量是目前广泛使用的一种运动参数测量方法。本文针对飞行器地面试验运动参数的高精度、大范围测量问题，在传统的运动参数视觉测量方法基础上，进一步探讨研究一种基于光束向量的运动参数测量方法，并对运动参数视觉测量系统研制过程中涉及的视觉测量系统的优化、大视场摄像机的标定、合作目标光束投影光斑的跟踪识别等问题进行研究。
　　首先，对运动参数视觉测量系统的优化问题进行了研究。视觉测量系统的优化可以为系统的设计提供理论依据。在介绍了基于光束向量的飞行器地面试验运动参数测量原理及系统方案的基础上，充分考虑测量过程中的干扰因素，建立了以测量精度和测量范围为优化目标的测量系统多目标优化模型，并提出了一种基于多层次信息交互的多目标粒子群优化算法，给出了测量系统优化的Pareto最优解集，在规避干扰因素的同时，满足了系统不同测量精度和测量范围的设计需求，增强了系统的扩展性。
　　其次，对大视场摄像机的现场标定问题进行了研究。为了满足飞行器地面试验运动参数视觉测量系统中大视场摄像机的高精度、快速、现场标定需求，分析了摄像机标定的相关理论基础，提出了一种基于平面单应性的大视场摄像机现场标定方法，该方法主要由基于平面单应性的大视场摄像机柔性标定与基于先验信息的标定参数现场校正两部分组成。上述方法仅通过靶标平面上少数特征点便实现了对大视场摄像机的现场标定，提高了标定效率，并且标定精度与传统摄像机标定方法相当，保证了标定精度。
　　接着，对合作目标光束投影光斑的跟踪识别问题进行了研究。在测量过程中，为了获得合作目标光束的方向向量，需要对每条光束对应的投影光斑进行辨识，这一问题可通过对合作目标光束投影光斑跟踪识别来解决。在阐述了特征点跟踪识别问题以及传统的特征点跟踪识别方法(包括统计性方法和确定性方法)基础上，提出了一种基于多源信息的合作目标光束投影光斑跟踪识别方法。在跟踪识别过程中，该方法充分利用了光束投影光斑的位置预测信息、运动约束信息以及测量系统相关信息等多源信息，对光束投影光斑进出视场情况进行了有效处理，实现了合作目标光束投影光斑的准确跟踪识别。
　　最后，对飞行器地面试验运动参数的大范围测量问题进行了研究。为了实现飞行器地面试验运动参数的高精度、大范围测量，在基于光束向量的运动参数测量方法基础上，增加合作目标以及合作目标中直线光束的数目，并提出了一种基于多合作目标的运动参数大范围测量方法。该方法有效地解决了运动参数大范围测量时弹体坐标系中合作目标光束方向向量的求取、参与运动参数解算的合作目标光束的选择以及旋转矩阵到欧拉角转换的奇异性等问题。同时，对运动参数测量过程中涉及的坐标系进行了分析，并给出了相应的坐标系标定及数据转换方法。最后，对本文飞行器地面试验运动参数视觉测量系统进行了测试，测试结果表明本文飞行器地面试验运动参数视觉测量系统能够实现对试验飞行器运动参数的高精度、大范围测量。

目录

第 1章绪论

1. 1 课题背景及意义

1. 2 飞行器地面试验运动参数测量研究现状

1. 3 运动参数视觉测量相关问题及研究现状

1. 4 本文主要研究内容

第 2章飞行器地面试验运动参数视觉测量系统的多目标优化设计

2. 1 引言

2. 2 飞行器地面试验运动参数视觉测量系统方案

2. 3 飞行器地面试验运动参数视觉测量系统的多目标优化模型

2. 4 飞行器地面试验运动参数视觉测量系统的多目标优化设计

2. 5 本章小结

第 3章基于平面单应性的大视场摄像机高精度现场标定

3. 1 引言

3. 2 理论基础

3. 3 基于平面单应性的大视场摄像机现场标定方法

3. 4 测试结果与分析

3. 5 本章小结

第 4章基于多源信息的合作目标光束投影光斑的跟踪识别

4. 1 引言

4. 2 传统的特征点跟踪识别方法

4. 3 基于多源信息的合作目标光束投影光斑跟踪识别方法

4. 4 测试结果与分析

4. 5 本章小结

第 5章基于多合作目标的运动参数大范围测量及系统测试

5. 1 引言

5. 2 基于多合作目标的运动参数大范围测量方法

5. 3 多坐标系标定及数据转换方法

5. 4 飞行器地面试验运动参数视觉测量系统测试

5. 5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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