一种振动环境下火箭发动机结构件位姿运动补偿方法与流程

1.本发明涉及一种振动环境下火箭发动机结构件位姿运动补偿方法，其适用于火箭发动机试车试验位姿精密测量技术领域。


背景技术：

2.火箭发动机作为火箭和导弹武器的动力装置，其性能的优劣直接关系着火箭和导弹武器的性能，火箭发动机点火试验及其测试技术对火箭的发展有着举足轻重的作用，是火箭技术的重要组成部分，是火箭发动机的预研、模样、初样、试样和批生产等诸阶段中一种主要的试验方式和不可缺少的工作环节。
3.火箭发动机的点火试验往往产生冲击和振动，对火箭发动机的本体结构件产生较大影响。为了评估火箭发动机的本体结构件设计的合理性，需要对试验过程中的结构件的位姿进行实时测量。一般而言，对于动态位姿测量，可以采用多台摄像机联机进行测量的摄影测量方法，在火箭发动机结构件上预先设置特征标识，该特征标识由特殊定向反光材料制成，并对带标识部段进行图像采集，通过图像精密处理、特征匹配、双目视觉解算、三维位置解算等关键步骤，获取不同部段间的相对三维空间位置姿态关系。
4.但是在火箭发动机试车试验中，摄像机受冲击振动的影响，造成摄像机与拍摄物体之间的相对运动，导致相邻帧的内容发生偏移而这种偏移会影响测量的精度。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.针对现有技术中的上述不足和需求，本发明提出振动环境下火箭发动机结构件位姿运动补偿方法，为火箭发动机试车试验位姿视觉测量时，对拍摄到的图像进行运动补偿，找出不同帧之间的相对位移关系，并对偏移进行补偿。该方法提高了位姿视觉测量系统在冲击振动环境下，火箭发动机结构件位姿解算精度。
7.(二)技术方案
8.一种振动环境下火箭发动机结构件位姿运动补偿方法，包括以下步骤：
9.s1：粘贴标志点；
10.s2：摄像机标定；
11.s3：图像采集；
12.s4：特征点提取及匹配；
13.s5：图像解算。
14.步骤s1具体为：在火箭发动机试车试验之前，在火箭发动机各个结构件位置粘贴编码标志点，在试验背景的相对静止位置也粘贴若干编码标志点，以获取摄像机的运动位姿。
15.步骤s2具体为：采用标定板对摄像机进行标定，从不同位置和方向拍摄标定板的9幅图像对，获得摄像机的内参数矩阵和外参数矩阵。
16.步骤s3具体为：火箭发动机试车试验开始，摄像机同步拍摄，得到图像数据。
17.步骤s4具体为：为了求解摄像机运动参数，需要获得不同帧之间的特征点对。
18.步骤s5具体为：对火箭发动机各个结构件的位姿进行解算，对试验背景的相对静止位置的特征点进行解算；将所述相对静止位置的特征点解算矩阵补偿到对应的帧频图像的相应结构件的位姿解算结果中去。
19.步骤s2还包括建立摄像机运动模型的步骤，具体的：
20.将试验背景与摄像机之间的相对运动看作是在试验背景静止条件下成像平面的运动，三维空间中任一点q在齐次坐标系平面上的投影，可表示为如下公式(1)和(2)：
[0021][0022][0023]
上式(1)和上式(2)中，x、y、z为齐次坐标系中q点的坐标值，x、y为齐次坐标系中q点的坐标值投影后的坐标值；s为比例缩放因子；r、t分别为从世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，二者是摄像机的外参数；m为摄像机的内参数矩阵；f
x
、f
y
分别为摄像机在x、y方向上的焦距；c
x
、c
y
分别为摄像机在x、y方向上的图像中心坐标，所述图像中心为光轴与图像平面的交点。
[0024]
建立摄像机运动模型的步骤还包括：
[0025]
通过设定世界坐标系，将试验背景平面定义在z＝0处，这样就将旋转矩阵r分解成3个3
×
1向量，即r＝(r1,r2,r3)，其中r1、r2、r3分别为旋转矩阵r的第一向量，第二向量，第三向量，因不再需要其中的一个列向量，故上式(1)能够表示为下式(3)：
[0026][0027]
三维空间中任一点q到成像平面的单应性矩阵为h＝sm[r1,r2,t]，摄像机同被拍摄物体之间的相对运动造成的图像背景变形能够用8个参数的透视模型来描述。
[0028]
步骤s4中具体包括：
[0029]
为了求解摄像机运动参数，需要获得不同帧之间的特征点对，采用具有旋转不变性、抗噪声能力强的圆形靶标点作为特征点，圆形靶标点经过镜头投影到成像平面上后变成了椭圆特征点，采用椭圆拟合法来拟合图像中椭圆特征点的边缘，进而求解出椭圆特征点的中心坐标，在二维直角坐标系中，椭圆方程为：
[0030]
f(p,m)＝ax2 bxy cy2 dx ey f＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
式中，p、m为椭圆方程参数，其中p＝[a,b,c,d,e,f]，m＝[x2,xy,y2,x,y,1]，a,b,c,d,e,f为二元二次椭圆方程各项的系数。
[0032]
进一步，引入约束|p|＝1，将p进行单位化，并构造代价函数f(p)：
[0033][0034]
式中，m为罚因子，n为参与椭圆拟合的点数；
[0035]
因此，椭圆方程的求解问题就变成了代价函数f(p)极小值的求解问题，采用牛顿法求解p，进而根据求得的参数p，通过以下公式(6)求解出椭圆特征点的中心坐标(u0,v0)：
[0036][0037]
其中，(u0,v0)为椭圆特征点的中心坐标。
[0038]
(三)有益效果
[0039]
本发明的一种振动环境下火箭发动机结构件位姿运动补偿方法，为火箭发动机试车试验位姿视觉测量时，对拍摄到的图像进行运动补偿，找出不同帧之间的相对位移关系，并对偏移进行补偿。该方法提高了位姿视觉测量系统在冲击振动环境下，火箭发动机结构件位姿解算精度。
具体实施方式
[0040]
本发明的一种振动环境下火箭发动机结构件位姿运动补偿方法，包括以下步骤：
[0041]
s1：粘贴标志点：
[0042]
在火箭发动机试车试验之前，在火箭发动机各个结构件位置粘贴编码标志点，在试验背景的相对静止位置也粘贴若干编码标志点，以获取摄像机的运动位姿；
[0043]
s2：摄像机标定：
[0044]
采用标定板对摄像机进行标定，从不同位置和方向拍摄标定板的9幅图像对，获得摄像机的内参数矩阵和外参数矩阵；
[0045]
s3：图像采集：
[0046]
火箭发动机试车试验开始，摄像机同步拍摄，得到图像数据；
[0047]
s4：特征点提取及匹配：
[0048]
为了求解摄像机运动参数，需要获得不同帧之间的特征点对；
[0049]
s5：图像解算：
[0050]
对火箭发动机各个结构件的位姿进行解算，对试验背景的相对静止位置的特征点进行解算；将所述相对静止位置的特征点解算矩阵补偿到对应的帧频图像的相应结构件的位姿解算结果中去。
[0051]
在上述步骤s2中还包括建立摄像机运动模型的步骤，具体的：
[0052]
将试验背景与摄像机之间的相对运动看作是在试验背景静止条件下成像平面的运动，三维空间中任一点q在齐次坐标系平面上的投影，可表示为如下公式(1)和(2)：
[0053][0054][0055]
上式(1)和上式(2)中，x、y、z为齐次坐标系中q点的坐标值，x、y为齐次坐标系中q点的坐标值投影后的坐标值；s为比例缩放因子；r、t分别为从世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，二者是摄像机的外参数；m为摄像机的内参数矩阵；f
x
、f
y
分别为摄像机在x、y方向上的焦距；c
x
、c
y
分别为摄像机在x、y方向上的图像中心坐标，所述图像中心为光轴与图像平面的交点。
[0056]
进一步的，建立摄像机运动模型的步骤还包括：
[0057]
通过设定世界坐标系，将试验背景平面定义在z＝0处，这样就将旋转矩阵r分解成3个3
×
1向量，即r＝(r1,r2,r3)，其中r1、r2、r3分别为旋转矩阵r的第一向量，第二向量，第三向量，因不再需要其中的一个列向量，故上式(1)能够表示为下式(3)：
[0058][0059]
三维空间中任一点q到成像平面的单应性矩阵为h＝sm[r1,r2,t]，摄像机同被拍摄物体之间的相对运动造成的图像背景变形能够用8个参数的透视模型来描述。
[0060]
采用背景配准方法，通过代入4个背景对应特征点对，建立包含8个不相关方程的方程组加以求解得到所述单应性矩阵h。
[0061]
所述步骤s4中具体包括：
[0062]
为了求解摄像机运动参数，需要获得不同帧之间的特征点对，采用具有旋转不变性、抗噪声能力强的圆形靶标点作为特征点，圆形靶标点经过镜头投影到成像平面上后变成了椭圆特征点，采用椭圆拟合法来拟合图像中椭圆特征点的边缘，进而求解出椭圆特征点的中心坐标，在二维直角坐标系中，椭圆方程为：
[0063]
f(p,m)＝ax2 bxy cy2 dx ey f＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0064]
式中，p、m为椭圆方程参数，其中p＝[a,b,c,d,e,f]，m＝[x2,xy,y2,x,y,1]，a,b,c,d,e,f为二元二次椭圆方程各项的系数。
[0065]
进一步，引入约束|p|＝1，将p进行单位化，并构造代价函数f(p)：
[0066][0067]
式中，m为罚因子，n为参与椭圆拟合的点数。
[0068]
因此，椭圆方程的求解问题就变成了代价函数f(p)极小值的求解问题，采用牛顿
法求解p，进而根据求得的参数p，通过以下公式(6)求解出椭圆特征点的中心坐标(u0,v0)：
[0069][0070]
其中，(u0,v0)为椭圆特征点的中心坐标。
[0071]
在进行视觉测量时，通过摄像机的实时采集，得到特征点的图像，实现发动机不同位置的位姿测量。视觉测量系统不仅要考虑精度，还需要测量实效性，故采用基于位置约束的快速匹配方法。