飛機(jī)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)

1、文章編號(hào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)李磊剛，梁晉 ，唐正宗，郭成，崔學(xué)龍西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 摘要：基于近景攝影測(cè)量理論和立體視覺(jué)技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)件在飛行狀態(tài)下的軌跡、姿態(tài)、位移、變形等多種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量方法。研究了基于工業(yè)近景攝影測(cè)量的多相機(jī)快速自標(biāo)定方法；飛行狀態(tài)下相機(jī)動(dòng)態(tài)定 位及抖動(dòng)消除技術(shù)；剛性結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)的快速求取和通過(guò)多相機(jī)協(xié)作實(shí)現(xiàn)非編碼標(biāo)志點(diǎn)陣列的精確匹配 等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在模擬飛行環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，相機(jī)標(biāo)定的重投影誤差小于，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)測(cè)量 精度可達(dá)，關(guān)鍵點(diǎn)位移變形測(cè)量精度可達(dá)，根本滿足飛機(jī)測(cè)試行業(yè)的精度和

2、可靠性測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。關(guān) 鍵 詞：相 機(jī) 自 標(biāo) 定 ；相 機(jī) 動(dòng) 態(tài) 定 位 ；軌 跡 姿 態(tài) 求 取 ；多 相 機(jī) 匹 配 ；立 體 視 覺(jué)中圖分類號(hào)：；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：， ， ，：， ， ， ， ， ， ， ：；收稿日期：；修訂日期：基金工程：國(guó)家科學(xué)自然基金資助工程；江蘇省科技支撐方案資助工程光學(xué)精密工程第卷攝影測(cè)量理論的柔性自標(biāo)定方法，該方法不要求高精度的標(biāo)定板，只需在剛性標(biāo)定板上任意放 置多個(gè)標(biāo) 志 點(diǎn) 就 可 準(zhǔn) 確 地 標(biāo) 定 出 相 機(jī) 的 內(nèi) 外 參 數(shù)。其次，針對(duì)飛行狀態(tài)下需要消除或補(bǔ)償機(jī)載 相機(jī)的抖動(dòng)，本文提出了一種動(dòng)態(tài)定位相機(jī)的方 法。再次，針對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)的測(cè)量，考慮

3、王習(xí)文、趙立榮等提出一系列基于經(jīng)緯儀測(cè) 量的方法精度較差，采集速度有限制，本文基于單 像空間前方交會(huì)理論，提出一種動(dòng)態(tài)定位運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)的方法，該方法能快速并準(zhǔn)確地獲得剛體的運(yùn) 動(dòng)軌跡和姿態(tài)。 最后，針對(duì)在基于標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)的 三維測(cè)量中，常用的雙目立體視覺(jué)僅適用在以編 碼標(biāo)志點(diǎn)為圖像匹配根底的情況或者采用稀疏非 編碼標(biāo)志點(diǎn)排布的條件，而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件位移、變 形測(cè)量中，常常需要對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行密集的點(diǎn)陣 測(cè)量，僅使用外極線約束進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)匹配的方法 出錯(cuò)率很高，無(wú)法滿足需要的問(wèn)題，本文在普通雙 目測(cè)量方法的根底上，使用多個(gè)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)匹配，由于約束條件的增多，圖像匹配的成功率和精度得到了很大的提升。引言

4、在現(xiàn)代飛機(jī)性能測(cè)試中，飛機(jī)及其結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)分析絕大多數(shù)都是基于理論模擬或者風(fēng)洞實(shí) 驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的。然而，在實(shí)際飛行中，飛機(jī)的變形和 應(yīng)變情況復(fù)雜多變，尤其是機(jī)翼的起伏變形、艙門 的開閉軌跡、起落架的伸展姿態(tài)等均直接影響飛 機(jī)的空中平安性以及空氣動(dòng)力性能。 因此，通過(guò) 快速、高精度的在線測(cè)量方法，獲取飛機(jī)飛行過(guò)程 中的變形分布情況，對(duì)提高飛機(jī)可靠性和縮短飛 機(jī)的研發(fā)測(cè)試周期具有重大意義。針對(duì)該應(yīng)用背 景，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)件及機(jī) 載物在空中飛行狀態(tài)下軌跡、姿態(tài)、位移、變形等 多種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量方法。主要思路是 將攝像機(jī)安裝在飛機(jī)上，機(jī)體飛行中實(shí)時(shí)采集影 像，結(jié)束 后進(jìn) 行數(shù)據(jù)分

5、析和處理，從 而 獲 得 測(cè) 量 結(jié)果。視頻測(cè)量模型變形 ，即在模型上粘貼標(biāo)志點(diǎn)， 采用一個(gè)或多個(gè)相機(jī)同時(shí)拍攝模型外表標(biāo)志點(diǎn)的 變形視頻圖像，通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)和立體視覺(jué)技 術(shù)計(jì)算出每幀中標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而獲得每 個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在受載時(shí)的位移和變形。 從世紀(jì) 年代開始，美 國(guó) 國(guó) 家 航 空 航 天 局的 風(fēng) 洞 試驗(yàn)室就開始研究該技術(shù)，二十多年來(lái)一直進(jìn)行 改良和完善，并逐步應(yīng)用于低速、高速、超高速風(fēng) 洞模型的變形測(cè)量和 姿 態(tài) 測(cè) 量。 德 國(guó) 亞 琛 大學(xué)的 等在歐洲跨音速風(fēng)洞對(duì)柔性機(jī)翼 模型進(jìn)行了高雷諾系數(shù)下空氣結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)測(cè)試， 成功獲得了機(jī)翼振動(dòng)時(shí)的位 移 分 布。 近 幾 年， 隨著相機(jī)

6、工業(yè)的快速開展以及近景攝影測(cè)量理論 的完善，國(guó)外已經(jīng)成功將該方法應(yīng)用在實(shí)際飛行 測(cè)試中，如 荷 蘭 國(guó) 家 航 空 實(shí) 驗(yàn) 室 在 年利用數(shù) 字 圖 像 相 關(guān) 技 術(shù) 成 功 實(shí) 現(xiàn) 了 空 中 客 車 在飛行過(guò)程中機(jī)翼的變形測(cè)量。 而國(guó)內(nèi) 在這方面的應(yīng)用還處于起步階段，本課題組近期 已與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與開展中心合作，對(duì)大型 飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)的三維視頻動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方法進(jìn)行 了研究和實(shí)驗(yàn)。本系統(tǒng)的開發(fā)涉及到以下關(guān)鍵技術(shù)：首先，考 慮相機(jī)標(biāo)定是確定其內(nèi)參數(shù)的過(guò)程，其精度直接相 機(jī) 自 標(biāo) 定相機(jī)模型相機(jī)成像的理想模型是小孔成像模 型，在 這 個(gè)模型中，物方點(diǎn)、鏡頭中心和像點(diǎn)點(diǎn)共線，但 理想的相機(jī)是

7、不存在的，由于各種因素的干擾，使 得像點(diǎn)在成像平面上和其理論位置存在偏差，考 慮到這些因素，得到共線方程式： 烄 ，烅烆其中：，為主點(diǎn) 在像平面上投 影 點(diǎn)的坐標(biāo)，即主點(diǎn)偏差；，為 物 方 點(diǎn) 在 世 界 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；，為主點(diǎn) 在世界坐熿燄標(biāo)系中的坐標(biāo)； 燀是從世界坐標(biāo)系影響到最終的測(cè)量結(jié)果，本文提出使用基于近景燅李磊剛，等：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)第期到攝像機(jī)坐標(biāo)系的正交旋轉(zhuǎn)矩陣；， 為鏡頭畸變引起的像點(diǎn)偏差。本文的標(biāo)定算法將所有可能的畸變都考慮在 內(nèi)，所采用的畸變模型為：標(biāo)定流程主要如下：使用攝影測(cè)量系統(tǒng) 準(zhǔn)確測(cè)量出 標(biāo)定架上所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)備用；將帶有編碼標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)定架放

8、置于相機(jī) 前標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離處，通過(guò)移動(dòng)標(biāo)定架獲取其在多個(gè)不同位置和姿態(tài)的相機(jī)圖像并識(shí)別圖像 上的編碼點(diǎn)和非編碼點(diǎn)；利用編碼點(diǎn)對(duì)前兩幅圖片進(jìn)行相對(duì)定向，并重建編碼點(diǎn)三維坐標(biāo)。 如果失敗，直接將第一 步獲得的結(jié)果導(dǎo)入使用；利用前方交會(huì)計(jì)算其余圖片的外方位參 數(shù)，并利用前方交會(huì)計(jì)算所有非編碼點(diǎn)的三維坐標(biāo)；通過(guò)光束調(diào)整優(yōu)化算法對(duì)相機(jī)內(nèi)參數(shù)、外 參數(shù)、物方點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行整體的迭代優(yōu)化；優(yōu)化結(jié)束后就得到了相機(jī)內(nèi)參數(shù)、相對(duì)外 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)標(biāo)定。烄，烅烆其中：， 為徑向畸變參數(shù)；， 為偏心 畸變系數(shù)；， 為像平面畸變。，。相機(jī)標(biāo)定方法本文所使用的標(biāo)定算法是對(duì)方程式線性 化后的光束平差過(guò)程，具體方法及理論公式見(jiàn)文

9、 獻(xiàn)。為了滿足自動(dòng)化測(cè)量的需要和適應(yīng)飛機(jī)測(cè)試行業(yè)的大視場(chǎng)、短焦距，相機(jī)標(biāo)定專門設(shè)計(jì)了一種 帶有 編 碼 標(biāo) 志 點(diǎn) 的 米 字 型 標(biāo) 定 架，如 圖 所 示。 該標(biāo)定架上所有的標(biāo)志點(diǎn)均隨機(jī)分 層布置，不 在同一個(gè)平面上，這樣能很好地消除由于標(biāo)志點(diǎn) 共線共面后使用角錐法進(jìn)行前方交會(huì)時(shí)相機(jī)空間 方位初值計(jì)算出錯(cuò)的可能。與此同時(shí)，廣角相機(jī)的標(biāo)定極易因開 始 階 段 的相對(duì)定向出錯(cuò)而失敗，為解決該難題，本文結(jié)合 已開發(fā)的攝影測(cè)量系統(tǒng) ，在相機(jī)標(biāo)定前 使用單反相機(jī)精確獲得標(biāo)定架上所有點(diǎn)的準(zhǔn)確三 維坐標(biāo)并導(dǎo)入標(biāo)定程序，當(dāng)自標(biāo)定流程由于相對(duì) 定向失敗而終止時(shí)，可將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行后續(xù)的 絕對(duì)定向和光束平差

10、，使標(biāo)定過(guò)程順利完成。相機(jī)動(dòng)態(tài)定位及軌跡姿態(tài)測(cè)量 飛機(jī)在飛行過(guò)程中，機(jī)身各結(jié)構(gòu)件均 在 無(wú) 規(guī)律振動(dòng)，機(jī)載相機(jī)也會(huì)隨之振動(dòng)，振幅大小大大超 出測(cè)量精度。 本文通過(guò)的全局控制點(diǎn)，采用 空間前方交會(huì)方法實(shí)時(shí)定位相機(jī)。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明， 該方法可 以 有 效 消 除 由 相 機(jī) 抖 動(dòng) 帶 來(lái) 的 測(cè) 量 誤 差?？臻g前方交會(huì)單像空間前方交會(huì)解法，是把一張照 片 覆 蓋 的一定數(shù)量的控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)作為觀測(cè)值，并 求解該像片內(nèi)、外方位元素的過(guò)程。僅僅解算外方位元素的單像前方交 會(huì)，是 單 像空間前方交會(huì)的一個(gè)特例。 在這種情況下，內(nèi) 方位元素和控制點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的光束平差方 程可表示為：，其中： 是像點(diǎn)坐

11、標(biāo)殘差， 為外參數(shù)偏導(dǎo)矩陣，為外參數(shù)改正數(shù)， 是觀測(cè)值。因?yàn)橥夥轿辉刂挥?個(gè)未知數(shù)，所 以 至 少 需要個(gè)控制點(diǎn)才可進(jìn)行計(jì)算。單像空間前方交會(huì)算法是 對(duì) 非 線 性 方 程 進(jìn) 行 線 性 化 后 的 迭 代 運(yùn)算，因此需要未知數(shù)的初值。 本文使用攝影測(cè)量 中的三角錐算法來(lái)計(jì)算初值。圖米字型標(biāo)定架 光學(xué)精密工程第卷相機(jī)動(dòng)態(tài)定位飛行狀態(tài)下，雖然機(jī)身結(jié)構(gòu)件均在無(wú) 規(guī) 律 振 動(dòng)，但機(jī)身局部剛性件整體的柔性變形相對(duì)于機(jī) 載相機(jī)的剛性移動(dòng)可忽略不計(jì)，所以，本文描述的 定位方法前提是機(jī)身剛性結(jié)構(gòu)件無(wú)柔性變形。定位方法如圖 所示，如果測(cè)量相機(jī) 的 視 場(chǎng) 內(nèi)可以觀測(cè)到固定區(qū)域的控制點(diǎn)，那么使用的 控制點(diǎn)

12、三維坐標(biāo)和相機(jī)內(nèi)參數(shù)可直接計(jì)算出測(cè)量 相機(jī)坐標(biāo)系相 對(duì) 于 世 界 坐 標(biāo) 系 的 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣 和 平移矩陣，所使 用 方 法 即 為 上 文 描 述 的 空 間 后 方交會(huì)方法。然而，更多時(shí)候，由于飛機(jī)上 空 間 的 限 制，主 測(cè)量相機(jī)很難做到既觀測(cè)到待測(cè)目標(biāo)區(qū)域又觀測(cè) 到固定區(qū)域。此時(shí)可采用耦合相機(jī)的方法來(lái)間接 定位主測(cè)量相機(jī)。本文基于空間前方交會(huì)理論，提出一 種 快 速解算剛體形心運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)的方法，如圖 所 示。首先在剛體外表均勻放置多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)并精確 解算其三維坐標(biāo)在自身坐標(biāo)系下；然后，使用與 定位相機(jī)相同的方法求解剛體自身坐標(biāo)系與相機(jī) 坐標(biāo)系之間的關(guān)系 和 ，再利用的相機(jī) 位

13、置 和 間接反求出剛體坐 標(biāo) 系相對(duì)于世 界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣 和平移矩陣，即姿態(tài)與 軌跡，計(jì)算方法如式所示。圖軌跡姿態(tài)測(cè)量 圖相機(jī)動(dòng)態(tài)定位烄 烅烆其中：矩陣 對(duì)應(yīng)著目標(biāo)形心相對(duì)于世界坐標(biāo)系的軌跡，而 并非對(duì)應(yīng)著目標(biāo)形心相對(duì)于世界坐 標(biāo)系的姿態(tài)，需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換。飛行數(shù)據(jù)中，姿態(tài)所代表的是目標(biāo)相 對(duì) 于 某 特定坐標(biāo)系個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)量，如圖所示。首先，將主相機(jī)和耦合副相機(jī)剛性連接，測(cè)量過(guò)程中兩者之間位置關(guān)系不發(fā)生變化，在實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境下標(biāo)定出兩相機(jī)的相對(duì)關(guān)系，即副相機(jī)坐標(biāo) 系相對(duì)主相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣 和平移矩陣 。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，副相機(jī)觀測(cè)固定區(qū)域，主相機(jī) 觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域，這樣先使用上文描述的定位算法

14、 獲得 和，再 根 據(jù) 兩 相 機(jī) 已 知 的 位 置 關(guān) 系 間 接求取主 相 機(jī) 相 對(duì) 于 世 界 坐 標(biāo) 系 的 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣 和平移矩陣。軌跡姿態(tài)測(cè)量試飛過(guò)程需要精確獲得飛機(jī)上剛性件的運(yùn)動(dòng) 軌跡與姿態(tài)，如起落架伸縮時(shí)候的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)載 裝備在空投開始階段的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等。針對(duì)該類問(wèn) 題，試飛領(lǐng)域現(xiàn)今主要采用的方法是傳感器、經(jīng)緯 儀測(cè)量或者簡(jiǎn)單的二維影像跟蹤測(cè)量，這些方法圖飛機(jī)姿態(tài)示意圖能粗略地估算出飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，屬定性分析。 李磊剛，等：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)第期繞 軸旋轉(zhuǎn)角 稱為傾角，繞 軸旋轉(zhuǎn)角稱為回滾角，繞 軸旋轉(zhuǎn)角 稱為航向角。圖姿態(tài)解算方法根據(jù)上圖所示，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)

15、單推導(dǎo)計(jì)算得 到 個(gè)角度的計(jì)算公式：圖對(duì)極幾何 烄下的齊次坐標(biāo)矩陣，那么極線方程可以表示為： 其中： 是立體視覺(jué)中根底矩陣。烅多相機(jī)匹配在匹配時(shí)，由于核線約束是一維約束，而且像 點(diǎn)存 在 誤 差，僅考慮兩幅圖片時(shí)，很 容 易 產(chǎn) 生 歧 義，即沿某一極線搜索時(shí)有多個(gè)像點(diǎn)會(huì)被選為對(duì) 應(yīng)像點(diǎn)，而利用 幅或者 幅以上圖像之間的多 個(gè)外極線約束即可消除或大大降低匹配出錯(cuò)的可 能性。烆其中： 為旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)應(yīng)的行列數(shù)值。， 的象限區(qū)間由公式中 的正負(fù)號(hào)決定。位 移 變 形 測(cè) 量位移變形測(cè)量是結(jié)構(gòu)件性能和運(yùn)動(dòng)分析的主要方法，機(jī)翼起伏、艙門開閉等都需要精確測(cè)量關(guān) 鍵點(diǎn)的三維位移與變形。位移變形測(cè)量的根底是

16、三維點(diǎn)測(cè)量，即三維重建，一般的三維測(cè)量系統(tǒng)均 為雙目測(cè)量，針對(duì)稀疏、散亂分布的編碼點(diǎn)可以準(zhǔn) 確測(cè)量；但對(duì)于密集陣列排布的非編碼點(diǎn)，由于左 右匹配的不穩(wěn)定性，三維重建準(zhǔn)確率很低。因此， 本文使用多相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行三維點(diǎn)測(cè)量，由于能有效地消除非編碼標(biāo)志點(diǎn)的誤匹配，該方法獲得了很好的測(cè)量結(jié)果。核線匹配兩幅圖像之間的對(duì)極幾何是圖像平面與以基 線為軸的平面束交線的幾何，如圖所示。 基線 定義為兩 相 機(jī) 中 心 的 連 線。 假 定 三 維 空 間 點(diǎn) 在兩幅視圖中成像，在第一幅圖像上的像為，在 第二幅圖像上的像為。 從圖中可以看出，像點(diǎn) ，空間點(diǎn) 和相機(jī)中心是共面的。 核線約束 是指，如果道其中一張圖片上

17、的像點(diǎn)，那么另 外一張圖片上 的 對(duì) 應(yīng) 像 點(diǎn) 必 然 在 像 點(diǎn) 在 第 二張圖片上對(duì)應(yīng)的核線上；反之亦然。圖密集點(diǎn)陣的多相機(jī)匹配 針對(duì)圖所示的密集點(diǎn)陣目標(biāo)，對(duì)于 圖 像 點(diǎn)，如果使用典型的雙目匹配，在相機(jī)和相機(jī) 下，很容易 出 現(xiàn) 一 對(duì) 多 的 匹 配 問(wèn) 題 、 、 ，這種情況出現(xiàn)的概率非常高，而且一 旦出現(xiàn)很難防止。相比之下，如果使用個(gè)相機(jī)， 雖然也 會(huì) 出 現(xiàn) 一 對(duì) 多 問(wèn) 題 、 、 ，但是出現(xiàn)概率非常小，而且可以 使用額外約束條件予以消除。假設(shè) ，分別是投影點(diǎn)，在圖像坐標(biāo)系光學(xué)精密工程第卷多相機(jī)匹配流程如圖 所示，其中匹 配 約 束判定條件有以下項(xiàng)：每個(gè)非編碼點(diǎn)必須在至少

18、張圖片上出 現(xiàn)并且兩兩符合外極線約束條件。個(gè)圖 像 點(diǎn) 兩 兩 三 維 重 建 獲 得 的 個(gè) 物 體點(diǎn)在空間里的聚集度小于給定值 。計(jì)算獲得的物體點(diǎn)的平均值，其在每張圖 片上的重投影誤差小于給定值 。成功匹配對(duì)數(shù)等于。重復(fù)匹配全過(guò)程，直到成功匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)不 再增加。在實(shí)驗(yàn)中，如果用雙相機(jī)進(jìn)行非編碼的重建， 由于匹配錯(cuò)誤率很高，幾乎沒(méi)有正確重建的三維 點(diǎn)；而使用三相機(jī)時(shí)，所有相機(jī)拍攝到的非編碼點(diǎn) 均能準(zhǔn)確匹配并重建出來(lái)。為 ，如圖所示。 由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖像及數(shù)據(jù)不便公開，本文僅展示一組室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，如圖所示。被測(cè)物體為一個(gè)可以上下移動(dòng)的金屬 板，幅面大小為，模擬飛機(jī)艙門 開閉過(guò)程。機(jī)構(gòu)上半局部在整

19、個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持 不動(dòng)，下半局部向下緩慢勻速運(yùn)動(dòng)。 為了更真實(shí) 地模擬機(jī)載環(huán)境，本次實(shí)驗(yàn)采用密集排布的非編 碼點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，并且使用三相機(jī)進(jìn)行位移跟蹤 測(cè)量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)定位相機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，下半部 分使用特 殊 機(jī) 械 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 以 保 證 單 方 向 剛 性 平 動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速 度 為 。 從 理 論 上 分 析，下 半局部上所有待測(cè)點(diǎn)的位移及其形心軌跡應(yīng)完全 相同，并且運(yùn) 動(dòng) 姿 態(tài) 旋 轉(zhuǎn) 量始 終 為 ，因 此，可 以通過(guò)對(duì)測(cè)量區(qū)域的多個(gè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)以及目標(biāo)形 心軌跡姿態(tài)進(jìn)行分析，間接反映出兩套系統(tǒng)的測(cè) 量精度以及結(jié)果的統(tǒng)一性。 針對(duì)該方面的測(cè)量， 由于行業(yè)內(nèi)還無(wú)更高精度的測(cè)量設(shè)備，因

20、此，本文 僅能使用靜態(tài)測(cè)量結(jié)果與動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果比對(duì)的方 法。測(cè)量過(guò)程中，開始和結(jié)束階段均為靜態(tài)，可使 用工程組已開發(fā)的攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量所有點(diǎn)的靜 態(tài)值，然后匹配同名點(diǎn)，獲得相對(duì)位移。圖多相機(jī)匹配流程圖 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證使用上文描述的測(cè)量原理，自主開發(fā) 了 一 套支持多相機(jī)的位移變形動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)李磊剛，等：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)第期本次實(shí)驗(yàn)使 用 的 相 機(jī) 為 千 兆 網(wǎng) 相機(jī)，型號(hào)為 ，幅 面 大 小 為 ，像素 大 小 為 ，最 高 采 集 速 度 為 ，鏡頭為施耐德 定焦鏡頭。 本次實(shí) 驗(yàn)的采集頻率為，共采集幀圖像。相機(jī)標(biāo)定用攝像機(jī)從不同角度拍攝標(biāo)定板幅照片， 使用上

21、文描述的標(biāo)定方法，對(duì)本次模擬實(shí)驗(yàn)使用 的個(gè)相機(jī)的內(nèi)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn) 表。表相機(jī)標(biāo)定結(jié)果 參數(shù)相機(jī)相機(jī)相機(jī) 自標(biāo)定張正友可以看出，本文描述的柔性自標(biāo)定方法重投影誤差比張正友提出的標(biāo)定方法低一個(gè)數(shù)量級(jí)，已完全滿足工業(yè)測(cè)量的精度要求。，驗(yàn)證了本次實(shí)驗(yàn)姿態(tài)始終不變的假設(shè)。，列數(shù)據(jù)為形心的軌跡數(shù)據(jù)。 第幀數(shù) 據(jù) 的 值 與 系 統(tǒng) 的 測(cè) 量 值表比擬， 系統(tǒng) 測(cè) 量 精 度 已 被 證 明 在 。 兩 者 測(cè) 量 偏 差 最 大 為，最小 偏 差 為 ，因 此，可 以認(rèn)為兩系統(tǒng)測(cè)量精度根本相同。系統(tǒng)軌跡姿態(tài) 模塊的測(cè)量精度可到達(dá)。軌跡姿態(tài)測(cè)量軌跡姿態(tài)數(shù)據(jù)可由單相機(jī)采集的全部圖像數(shù) 據(jù)計(jì)算獲

22、得，為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的測(cè)量精度，本文分層 收取幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如表所示。，列數(shù)據(jù)為物體形心的相對(duì)姿態(tài)，可以看出，所有數(shù)據(jù)均小于，根本接近于表軌跡姿態(tài)測(cè)量結(jié)果狀態(tài)號(hào)光學(xué)精密工程第卷表 系統(tǒng)獲得的末狀態(tài)位移結(jié)果 狀態(tài)號(hào)最大位移最小位移平均位移標(biāo)準(zhǔn)差位移變形測(cè)量為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)位移變形測(cè)量精度，本 文 分 層 抽取個(gè)狀態(tài)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如表所示。 其中，系統(tǒng)的位移數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差均低于。為了比照出系統(tǒng)的測(cè)量精度，本實(shí)驗(yàn) 將 所 有數(shù)據(jù)與上文獲得的軌跡數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì) 結(jié)果如表所示，比照兩份結(jié)果，可得兩系統(tǒng)在當(dāng) 前實(shí)驗(yàn)幅面下位移測(cè)量偏差平均值低于。 將系統(tǒng)測(cè)量偏差轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn) 幅面下，累計(jì)誤差通過(guò)合成為：其中

23、：第一個(gè)代表系統(tǒng)自身的 跳動(dòng) 偏 差；第 二 個(gè) 代 表 系 統(tǒng) 與 的相 對(duì) 偏 差； 為 的 自 身 偏 差，三者互相獨(dú)立，可線性疊加，因此可以用三者 的算數(shù)和表示誤差累計(jì)的最大值，即測(cè)量精度。綜合分析，系統(tǒng)位移變形測(cè)量模塊的 精 度 為，同時(shí)，能夠成功解算所有非編碼標(biāo) 志點(diǎn)，直接證明了多相機(jī)匹配方法的有效性。表位移測(cè)量結(jié)果狀態(tài)號(hào)最大位移最小位移平均位移標(biāo)準(zhǔn)差軌跡系統(tǒng)偏 差的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn) 行了研究和改良，包 括：相 機(jī) 自 標(biāo)定；相機(jī)動(dòng)態(tài)定位與消抖；軌跡姿態(tài)快速求?。欢?相機(jī)立體匹配等。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：相機(jī)標(biāo)定的重 投影誤 差 小 于 ，在 有 效 消 除 相 機(jī) 抖 動(dòng) 的同時(shí)，軌跡 姿態(tài)

24、測(cè)量精度可達(dá) ， 關(guān)鍵點(diǎn)位移變形測(cè)量精度可達(dá)，根本 滿足飛機(jī)測(cè)試行業(yè)精度和可靠性的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論針對(duì)飛機(jī)測(cè)試行業(yè)在線測(cè)量的需求，本 文 基于近景攝影測(cè)量理論和立體視覺(jué)技術(shù)提出并實(shí)現(xiàn) 了一種針對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)件軌跡、姿態(tài)、位移、變形等 多種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)涉及李磊剛，等：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)第期 ， ：，梁 晉 ，肖 振 中 ，唐 正 宗 ，大 型 飛 機(jī) 風(fēng) 洞 變 形測(cè)量的相 機(jī) 標(biāo) 定 研 究西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ，：， ， ， ，：劉 建 偉 ，梁 晉 ，梁 新 合 ，大尺寸工業(yè)視覺(jué)測(cè) 量系統(tǒng)光 學(xué) 精 密 工 程 ，：， ， ：胡 浩 ，梁 晉 ，

25、唐 正 宗 ，大 視 場(chǎng) 多 像 機(jī) 視 頻 測(cè)量系統(tǒng)的全局 標(biāo) 定 光 學(xué) 精 密 工 程 ，： ， ， ，：王 習(xí) 文 ，馬 軍 ，陳 娟 ，飛 機(jī) 三 維 姿 態(tài) 測(cè) 量 的角平分線方向向量法光 學(xué) 精 密 工 程 ，： ， ，：趙 立 榮 ，柳 玉 晗 ，朱 瑋 ，光 電 經(jīng) 緯 儀 單 站 空間余弦及多站面面交匯的飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量光學(xué) 精 密 工 程 ，： ， ， ， ：顧 征 ，蘇 顯 渝 三目自適應(yīng)權(quán)值立體 匹 配 和 視 差 校準(zhǔn)算法光 學(xué) 學(xué) 報(bào) ，：， ：參考文獻(xiàn)： ， ， ：， ， ， ， ： ， ，： ：， ， ， ， ，：， ， ， ，： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，： ， ，光學(xué)精密工程第卷作者簡(jiǎn)介：郭 成，男，山 東 濰 縣 人，博士，教授，博 士 生 導(dǎo) 師， 年、 年、 年 于 西 安 交 通 大 學(xué) 分 別 獲 得 學(xué) 士、碩 士、博 士 學(xué) 位，