光學測量的飛行器空間姿態(tài)測量方法

關覃粼 李勝宇

摘 要：飛行器技術一直以來都是前沿科學的主要發(fā)展領域，其中對于其空間姿態(tài)的測試手段有助于飛行器飛行軌跡的控制，具有極大的研究價值。本文針對飛行器近景實驗中的運動姿態(tài)的三維解構測量，對光學測量手段進行研究分析，對這一測量方法的具體原理，應用特點與應用的優(yōu)勢進行具體說明，為未來的飛行器技術的發(fā)展提供參考價值。

關鍵詞：光學測量;飛行器;空間姿態(tài);軌跡控制

對于飛行器而言，目標的空間運動三維姿態(tài)是將其飛行狀態(tài)進行運動解構的運動參數(shù)，而在實際應用中可以通過測量出的運動三維狀態(tài)參數(shù)對飛行器的飛行軌跡精度進行評估，更好地確定改進方向，其對于飛行器的設計、實驗、改進以及故障分析等都具有重要的實用價值與現(xiàn)實價值?？臻g三維的運動參數(shù)極為復雜，其測量難度較大，對于新技術的研究應用也具有極大的價值。

一、光學測試技術的應用必要性

1.1飛行器的空間三維測量的復雜性

飛行器的空間三維狀態(tài)，其空間姿態(tài)的測量的復雜性主要表現(xiàn)在兩點：其一是空間姿態(tài)的測量參數(shù)極為復雜，空間運動的自由度一共有六個，并且這只是單個整體的自由度數(shù)目，當擴展到空間機械的時候更加復雜，因此在進行姿態(tài)測量時需要整體的三個移動參數(shù)與三個轉(zhuǎn)動參數(shù)進行精確的分析與整合，得出最終的運動軌跡，需要測量的參數(shù)較為復雜。其二是測量環(huán)境的復雜性，飛行器在空間飛行時的工作環(huán)境是極為復雜的，可能存在極為惡劣的工作環(huán)境也就是測試環(huán)境。傳統(tǒng)的傳感器測量手段對測量的環(huán)境要求較高，因此測量設備的抗干擾能力要求也較高，并且傳感器測量設備需要在飛行器上安裝配合的測量設備，會對飛行器自身的重量結構造成一定的改變，這對于飛行器測試階段的數(shù)據(jù)測量極為不利，嚴重影響對飛行器的飛行能力的評估改進工作。并且飛行器測試中運動目標存在丟失的可能，可能會造成設備的損失，因此尋找新的測量方法時極具必要性的。

1.2 光學測量技術的應用優(yōu)勢

光學測量對于飛行器運動狀態(tài)的測量是具有更大的優(yōu)勢，首先，它是非接觸式，不會有傳統(tǒng)傳感器測量中由于測量設備安裝在飛行器上，避免了由于測量設備的重量對飛行器的影響，增加飛行器運動軌跡測量精度，其次光學測量是全場性的測量，可以最全面的收集飛行器空間運動姿態(tài)的相關數(shù)據(jù)參數(shù)，得到最佳的測咯昂結果。最后光學測量相對于其他測量方式還具有更加方便可靠、價格成本較低等優(yōu)勢，根據(jù)相關精度的需求不同，可以利用高速攝像機、經(jīng)緯儀及遠距離照相機等光學設備進行運動目標的測量，已經(jīng)成為較為常見的一種測量方式。

1.3 相關技術的完善

光學測量技術需要有完善的數(shù)字圖像技術的支持，只有強大的圖像處理技術才可以幫助光學測量技術真正運用到實際的運用中去。之前的光學測量技術對運動目標的測量是以點目標，只能獲得飛行器的運動軌跡而無法獲得具體的運動姿態(tài)。而為了獲得較為精確的運動姿態(tài)則需要利用攝像設備對空間運動目標的運動信息進行拍攝記錄，再通過事后較為復雜的目標空間姿態(tài)參數(shù)分析與提取得到需要的三維運動運動姿態(tài)，但是如此以來其實時性難以保證，對飛行器的測試時長極為不利。但是近年來的高速圖像處理技術與更好圖像處理算法的發(fā)展為進行實時光學圖像分析提供了可能性。通過高速圖像處理技術可以有效分析空間運動目標的三維軌跡和三維姿態(tài)特別是目標的俯仰角、偏航角等重要姿態(tài)，實時提取關鍵性信息，推動飛行器空間三維運動姿態(tài)的立體化測量發(fā)展。

二、光學測量的工作原理

光學測量技術作為一種被廣泛運用的目標運動參數(shù)測量方法，工作原理并不復雜，傳統(tǒng)的光學測量以光學望遠鏡為主，配合一些基于攝影、紅外、激光等技術的測量設備進行跟蹤測量，主要是對光學圖像進行收集分析的一個過程，目前的發(fā)展也遵循這一原理。而光學測量質(zhì)量的主要重點和難點也在于姿態(tài)測量方法和與此相關的圖像處理技術。

2.1 多站面面交會法

傳統(tǒng)的光學測量方法主要依靠空間運動目標的點判讀方法，對于姿態(tài)的測量難以實現(xiàn)，因此通過設置更多的目標測量點位，是一種較為直接的姿態(tài)測量方法，通過測量點交匯而成的測量線進行測量，利用首位固定點的坐標變換能夠?qū)崿F(xiàn)，根據(jù)空間點所確定的空間直線可以得到目標的俯仰角與偏航角，得到空間運動姿態(tài)，但是多站點的測量易出現(xiàn)時間同步誤差，并且各個儀器的測量也存在一定的定位誤差，導致拍攝的運動參數(shù)存在一定的偏差，這就導致通過多站點合成的運動姿態(tài)的精度難以確保，并且復雜的測量環(huán)境更進一步造成各站點測量結果的偏差，因此這一方法的實際運用可能性不高。

2.2 單站圖像分析法

單站圖像確定空間目標的三維姿態(tài)具有更加重要的實際運用價值，而實際上從圖像獲取而言，單站圖像的質(zhì)量早已可以滿足光學測量的精度需求，目前的主要難點在于圖像的處理，如何高速高精度的提取空間目標的輪廓。而圖像分析的重點之一就是對光測圖像的預處理工作，只有在經(jīng)過合適的圖像預處理工作之后，后續(xù)的姿態(tài)測量工作才有繼續(xù)實行的基礎。預處理工作雖然重要但是其工作原理并不復雜，因此本文的重點在于后續(xù)的姿態(tài)測量，對于姿態(tài)測量而言，圖像分割是極為重要且具有難度的一項工作，它需要將圖像按照特征提取出感興趣的目標，提取的標準可以由需求改變。這對于人而言似乎是一個極為自然的功能，但是對于計算機而言，這是一個極為復雜的“病態(tài)”問題，它是模糊的、多解的，為了解決這一問題，目前已經(jīng)有了幾種圖像分割方法的發(fā)展方向。第一，基于邊緣的圖像分割方法，它利用了目標與其運動背景的差異，達到較好的圖像分割效果，這一技術的難點也在于需要分割的區(qū)域也就是目標與背景之間的邊緣對比，造成邊緣檢測的抗噪性與測量精度之間的矛盾，在提升測量精度的同時不可避免的帶來輪廓的不合理，而在提高抗噪性時會出現(xiàn)漏檢和位置偏差的可能。第二，基于區(qū)域的圖像分割方法，它直接進行區(qū)域?qū)ふ遥歉鶕?jù)事先定義的標準將像素或子區(qū)域聚合成更大區(qū)域的過程，首先進行分類分割，利用已知的訓練樣本集在圖像的特征空間中找到?jīng)Q策的劃分點，實現(xiàn)對圖像的區(qū)域劃分，此外還可以利用閾值分割法進行區(qū)域提取，通過設定每一個特征的閥值進行區(qū)域劃分，這一中區(qū)域劃分方法更加快速簡便，但是實際上很難找到一個合適的閾值。第三，邊緣與區(qū)域結合的圖像分割方法，以上兩種方法各有優(yōu)劣，因此對這兩種方法進行最大程度的綜合對于光學測量而言是很有價值的，同時利用目標對象的邊緣信息與圖像的全局信息進行分割，對于特定區(qū)域的提取效果較好。例如活動輪廓模型。該類方法通過使用從圖像數(shù)據(jù)獲得的約束信息和目標的其他參數(shù)信息，如位置、大小、形狀等等，可以較好的均衡目標分割匹配的精度與抗噪性的關系，達到一個較好的結果。由此可知，圖像分割對于空間目標的三維姿態(tài)測量有著極大的運用價值。并且好的圖像分割方法有助于實現(xiàn)后續(xù)空間運動目標三維姿態(tài)測量。

三、總結

飛行器的飛行姿態(tài)是評價飛行器質(zhì)量的一個關鍵標準，因此更好的評價手段可以有效促進飛行器技術的發(fā)展。本文通過對飛行器三維運動姿態(tài)的測量手段進行簡單分析，介紹了光學測量技術的原理與主要運用優(yōu)勢，希望對這一技術的成熟與發(fā)展有所幫助。

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