空投物出艙過程運(yùn)動(dòng)參數(shù)影像測量方法研究

張亞葛，胡小英

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021）

0 引言

空中投放以其準(zhǔn)確性、突然性、遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，成為各國在應(yīng)對各種危機(jī)以及突發(fā)事件中優(yōu)先使用的手段?？胀犊战凳侵笍倪\(yùn)輸機(jī)上投放并使用降落傘等將相關(guān)人員和重要物資投送到目標(biāo)地點(diǎn)的一種技術(shù)。運(yùn)輸機(jī)的空投空降系統(tǒng)試飛科目，需要關(guān)注飛機(jī)各艙門的開啟關(guān)閉狀態(tài)。在運(yùn)輸機(jī)空投裝備或大量貨物時(shí)，容易導(dǎo)致飛機(jī)質(zhì)心位置連續(xù)后移，重心可能會(huì)超過全機(jī)焦點(diǎn)，將使飛機(jī)穩(wěn)定裕度減小，飛行品質(zhì)和操縱特性發(fā)生很大變化。因此，在運(yùn)輸機(jī)空投飛行中要保證飛行的安全，需要考慮貨物的移動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，貨物出艙速度也會(huì)影響空投的精確度。

目前，試飛測試影像測量方法主要有光電經(jīng)緯儀交會(huì)測量和攝影相機(jī)交會(huì)測量。光電經(jīng)緯儀體積較大，適用于在地面測量飛機(jī)的航跡參數(shù)。攝影相機(jī)交會(huì)測量應(yīng)用于物品投放等空中試飛科目，相機(jī)安裝位置距離目標(biāo)有足夠的縱深，采用兩臺(tái)相機(jī)進(jìn)行雙站交會(huì)測量就可以滿足測量需求。

1 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測量場構(gòu)建

飛機(jī)艙內(nèi)可供相機(jī)機(jī)械安裝的位置有艙前壁、艙左右側(cè)壁等，且高度不能高于艙內(nèi)吊車軌道。相機(jī)安裝位置距離待測量貨物較近，最近距離僅為1 ～2 m，而貨物移動(dòng)待測軌道長度則較大，待測視場范圍廣。要測量貨物的三維移動(dòng)軌跡，應(yīng)采用8-高分辨率攝影相機(jī)組合交會(huì)進(jìn)行攝影測量。艙內(nèi)相機(jī)分布及各相機(jī)視場范圍示意，如圖1 所示。

圖1 艙內(nèi)相機(jī)分布及各相機(jī)視場范圍

圖1中，1號(hào)相機(jī)與3～5號(hào)相機(jī)進(jìn)行交會(huì)測量，2 號(hào)相機(jī)與6 ～8 號(hào)相機(jī)進(jìn)行交會(huì)測量，測量區(qū)域覆蓋全部貨艙貨物的移動(dòng)軌道。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)包括8 部高分辨率測量攝影相機(jī)、2 臺(tái)高分辨率視頻信號(hào)采集記錄器，測量原理如圖2所示。高分辨率測量攝影相機(jī)用于獲取貨物運(yùn)動(dòng)的視頻，高分辨率視頻記錄器用于記錄視頻數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)與機(jī)載全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）時(shí)間同步，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）編碼下傳[1]。

圖2 高分辨率測量原理

2 測量方法

2.1 相機(jī)的標(biāo)校

攝影相機(jī)的精確標(biāo)校在工程應(yīng)用中一般分為內(nèi)標(biāo)定和外標(biāo)定兩個(gè)過程?？胀敦浳矬w積較大，在移動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)測量相機(jī)只能覆蓋部分貨物表面的情況。為了確保被覆蓋貨物表面具有測量標(biāo)志，需要在貨物四周粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)，每個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)使用全站儀標(biāo)定坐標(biāo)。在8-高分辨率攝影相機(jī)組合交會(huì)測量場內(nèi)，每件貨物具有單獨(dú)的可區(qū)分的編碼標(biāo)志組合。在貨物移動(dòng)過程中，每段交會(huì)測量場內(nèi)拍攝的貨物標(biāo)志與前后測量場內(nèi)的貨物標(biāo)志有較好的連續(xù)性[2]。

2.2 數(shù)字影像標(biāo)志點(diǎn)圖像判讀

2.2.1 自動(dòng)判讀流程

為了提高測量精度，需要實(shí)現(xiàn)亞像素的圖像判讀，由于獲取的圖像較多（通常每次測量達(dá)到幾千幀），還需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判讀的功能。標(biāo)志點(diǎn)判讀流程如圖3 所示。

圖3 標(biāo)志點(diǎn)判讀流程

2.2.2 序列圖像標(biāo)志點(diǎn)跟蹤精確定位

在基于特征點(diǎn)的相機(jī)標(biāo)定技術(shù)中，對標(biāo)志點(diǎn)位置的精準(zhǔn)檢測直接影響最后的計(jì)算精度，因此該檢測精度是攝影測量中的關(guān)鍵性問題。依次通過圖像處理、標(biāo)志點(diǎn)定位和編碼點(diǎn)識(shí)別，獲取編碼點(diǎn)的編碼和標(biāo)志點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)，作為后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)[3]。

2.2.3 復(fù)雜背景條件下的圖像處理方法

編碼標(biāo)志點(diǎn)的定位過程主要包括灰度化、二值化、邊緣提取和中心坐標(biāo)計(jì)算。對于復(fù)雜環(huán)境條件下的編碼標(biāo)志，需要研究有效的二值化算法，準(zhǔn)確區(qū)分背景與目標(biāo)。針對該測量場，擬采用以下3 種方法最大限度提高目標(biāo)提取的精確度[4]。第一，背景簡化方法。采用接近編碼標(biāo)志背景色的布或其他材料覆蓋貨艙內(nèi)背景復(fù)雜的區(qū)域，操作難度大，對飛行的影響有待評(píng)估，不能全區(qū)域覆蓋。第二，視場規(guī)避方法。對視場進(jìn)行調(diào)節(jié)，規(guī)避容易引起誤判的背景近景拍攝。第三，算法優(yōu)化。采用區(qū)域二值化算法分割圖像，為每個(gè)區(qū)域選取最優(yōu)閾值。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模擬測量場構(gòu)建

模擬測量場由3 臺(tái)高分辨率攝影相機(jī)與1 臺(tái)高分辨率視頻采集記錄器組成，相機(jī)布置于高處拍攝貨物，拍攝角度為40°～60°，拍攝位置與拍攝角度均模擬機(jī)上實(shí)際情況。1 號(hào)相機(jī)分別與2 號(hào)、3 號(hào)相機(jī)構(gòu)成交會(huì)測量場，地面放置紙箱作為模擬貨物，在其四周表面粘貼編碼標(biāo)志，同時(shí)在地面粘貼編碼標(biāo)志作為消抖控制點(diǎn)[5]。

3.2 測量相機(jī)標(biāo)校

采用編碼標(biāo)志標(biāo)校架在各相機(jī)視場內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，標(biāo)校測量場內(nèi)相機(jī)的內(nèi)方位元素，標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 測量場各相機(jī)內(nèi)方位元素標(biāo)定結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)處理

推動(dòng)紙箱若干次以獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)判讀與計(jì)算后得到模擬貨物的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)。由于在地面移動(dòng)，設(shè)Y方向位移為零。模擬投放物軌跡如圖4 所示。

圖4 模擬投放物軌跡

3.4 精度分析

3.4.1 誤差源分析

影響測量精度的主要因素有測量相機(jī)的安裝位置、相機(jī)與機(jī)體的連接穩(wěn)定性、相機(jī)消抖計(jì)算誤差、基準(zhǔn)坐標(biāo)校準(zhǔn)誤差、相機(jī)檢校誤差和影像標(biāo)志點(diǎn)提取誤差。在相機(jī)安裝布局時(shí)，盡量保證交會(huì)角相對較大，這樣有利于提高測量精度。同時(shí)，保證相機(jī)與機(jī)體之間的安裝精度及剛度，減少相機(jī)與機(jī)體之間的相對位移，消抖控制基準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)的數(shù)量、分布區(qū)域大小以及基準(zhǔn)本身的穩(wěn)定性等將對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響[6]。

試驗(yàn)中通過相機(jī)獲得被測部件的運(yùn)動(dòng)影像，需要進(jìn)行事后的影像標(biāo)志點(diǎn)精確提取和解算，得到各標(biāo)志點(diǎn)的影像坐標(biāo)。由于標(biāo)志點(diǎn)的提取坐標(biāo)誤差會(huì)對最終的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，實(shí)際測量解算中采用亞像素中心點(diǎn)的提取方法，能夠?qū)崿F(xiàn)小于1 個(gè)像素的精確判讀，在進(jìn)行精度估計(jì)時(shí)可假設(shè)判讀誤差為1 個(gè)像素[7]。

3.4.2 測量精度估算

從計(jì)算結(jié)果中隨機(jī)抽取幾個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，對它們進(jìn)行點(diǎn)-點(diǎn)的距離計(jì)算，然后對比全站儀的測量結(jié)果，獲得位移誤差。通過計(jì)算，最大誤差為1.5 mm。飛行試驗(yàn)中圖像像素當(dāng)量放大3 倍，考慮部分標(biāo)定誤差、人為誤差等因素后，實(shí)際測量精度優(yōu)于5 mm，滿足空投貨物運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測量需求。

4 結(jié)語

根據(jù)某型飛機(jī)貨物空投運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測量需求，分析測量目標(biāo)特性，建立8-高分辨率攝影相機(jī)組合交會(huì)測量場，研究了測量場基于組合標(biāo)定的攝像機(jī)位姿解算方法，并對測量理論進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與精度分析。結(jié)果證明，該測量方法可以滿足空投貨物運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測量需求。