魏宗康，江 麒，呂 騰

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慣性測量系統(tǒng)火箭橇試驗圖像測速方法

魏宗康，江 麒，呂 騰

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

在慣性測量系統(tǒng)火箭橇試驗中，目前主要采用雷達(dá)測量設(shè)備、遮光板時空測量裝置測量橇體的運(yùn)行位置和速度?；鸺咙c(diǎn)火時，會產(chǎn)生高速度，強(qiáng)尾焰，大噪聲和劇烈振動等外測條件，雷達(dá)測量設(shè)備、遮光板時空測量裝置無法準(zhǔn)確測量火箭橇運(yùn)行的速度。為滿足未來軌道延長和火箭橇多級點(diǎn)火越來越迫切的需求，提出火箭橇試驗圖像測速方法，彌補(bǔ)上述兩種方法缺陷并提高速度測量的精度。研究了照片反求，特征點(diǎn)提取，速度噪聲的頻譜分析，橇體運(yùn)行速度的計算值和平滑值，為慣性測量系統(tǒng)火箭橇試驗提供高精度的位置速度變化模型。

火箭橇試驗；圖像測速；照片反求；頻譜分析

0 引 言

火箭橇試驗是利用特殊設(shè)計的平臺，搭載試驗件和測試輔助設(shè)備，利用推進(jìn)系統(tǒng)推動平臺沿與地面固連的高精度機(jī)械導(dǎo)向滑軌運(yùn)行，模擬試驗件在啟動、空氣飛行、功能實現(xiàn)等工作剖面的動力學(xué)工況環(huán)境，通過測試系統(tǒng)獲取試驗環(huán)境參數(shù)和試驗件的性能參數(shù)，并依此開展試驗件性能驗證、評價及失效模式分析工作的一項綜合性試驗技術(shù)。該實驗具有產(chǎn)生大過載、高速度、強(qiáng)振動和沖擊等綜合條件的能力，可以最大程度地模擬導(dǎo)彈真實飛行環(huán)境。

目前，主要采用雷達(dá)測量設(shè)備或遮光板時空測量裝置測量橇體的位置和速度。火箭橇軌道逐漸由3 km向9 km甚至16 km發(fā)展，采用多級點(diǎn)火的需求越來越迫切。在慣性測量系統(tǒng)火箭橇試驗中，雷達(dá)測速對于低速物體測量精度較低，遮光板時空測量裝置會受到尾焰高光影響，均存在不足。因此迫切需要一種新的方法來準(zhǔn)確測得火箭橇運(yùn)行速度。

1 圖像測速原理和設(shè)計

照片的數(shù)據(jù)是由像素點(diǎn)的二維坐標(biāo)附加顏色值構(gòu)成，其中像素點(diǎn)的顏色值由紅色、綠色和藍(lán)色不同比值構(gòu)成[1]。利用此幅照片的數(shù)據(jù)，通過一組顏色值，即可找到滿足這組顏色值的像素點(diǎn)坐標(biāo)。

照相機(jī)拍攝的照片中，物體實際尺寸存在畸變。利用照片反求技術(shù)，計算其畸變的關(guān)系，然后矯正照片，使其中每個像素點(diǎn)大小代表的實際空間尺寸相同。照相機(jī)連續(xù)拍攝照片的時間間隔相同，找到一組照片中橇體上特征點(diǎn)的位置變化，組合這些特征點(diǎn)位置變化得到火箭橇位置變化，通過換算即可得到火箭橇橇體的速度變化。

目前，火箭橇試驗場已經(jīng)架設(shè)高速照相機(jī)，但只用于觀察發(fā)動機(jī)點(diǎn)火瞬時橇體分離是否正常等功能監(jiān)測用途。利用火箭橇試驗場已經(jīng)架設(shè)的高速照相機(jī)拍攝照片，結(jié)合上述步驟可以得到橇體速度變化，該方法為慣性測量系統(tǒng)火箭橇試驗提供高精度的位置和速度數(shù)據(jù)。

2 照片反求及矯正

2.1 反求工程

反求工程也稱逆向工程，它的思想最初來自從油泥模型到產(chǎn)品的實物設(shè)計過程，隨后發(fā)展成一個以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實物、技術(shù)軟件（圖紙、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖片、照片等）為依據(jù)的生成幾何模型的方法，它是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)在先進(jìn)制造領(lǐng)域里的新技術(shù)。目前，比較常用的方法有激光掃描法、坐標(biāo)測量法等。但它們都有不盡如人意的地方，如使用較為廣泛的三坐標(biāo)測量儀，它需要一定的工作環(huán)境，速度慢、效率低且價格昂貴。隨著計算機(jī)及光電技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)式非接觸測量方法與光學(xué)成像法等越來越受到人們的青睞。另外，相對于傳統(tǒng)的手工測繪工藝，利用照片來進(jìn)行三維反求更有其明顯的優(yōu)勢，因為它是通過相機(jī)拍下來的照片來反求出實體尺寸，可以大大提高設(shè)計效率。因而，這方面的研究越來越受到設(shè)計人員關(guān)注。從工程技術(shù)角度來看，反求工程技術(shù)包含實物反求、軟件反求和影像反求等3個方面，其中影像反求設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品的說明書、圖片、照片及廣告介紹等相關(guān)參考資料，開展產(chǎn)品設(shè)計的一種現(xiàn)代設(shè)計方法，照片反求是影像反求中的一種[4~6]。

2.2 照片坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換

圖1為原始照片像素點(diǎn)坐標(biāo)系。是以照片左上角為原點(diǎn)、軸垂直向下的右手坐標(biāo)系；原始照片中心點(diǎn)坐標(biāo)系1是以照片中心為原點(diǎn)、1軸水平向右的右手坐標(biāo)系，其中，0為原始照片中縱向邊長的像素個數(shù)，0為原始照片中橫向邊長的像素個數(shù)。

圖1 原始照片坐標(biāo)系

坐標(biāo)系和1坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中為原始照片中縱向邊長某點(diǎn)的像素個數(shù)；為原始照片中橫向邊長的某點(diǎn)像素個數(shù)。

圖2 矯正后照片坐標(biāo)系

2.3 照片矯正

實物實際尺寸會在照片中發(fā)生畸變，通過照片反求得到實物實際尺寸，計算出畸變關(guān)系，從而矯正照片。

圖3為從左到右依次提取原始照片中扣件在1系的坐標(biāo)值（pp）（12），其中方框為扣件位置，根據(jù)lll用最小二乘法計算系數(shù)l和l的值。

圖3 原始照片中扣件位置

計算相鄰兩個扣件的距離和相鄰兩個扣件中心位置坐標(biāo)(0,q0,q)121；采用最小二乘法計算系數(shù)和：

其中，

由上述求得系數(shù)、l和l的值，設(shè)置1和1，并且矯正原始照片：

3 特征點(diǎn)提取及火箭橇位置變化

在火箭橇運(yùn)行過程中，尾焰、障礙物、光線等外界因素都會對火箭橇上的特征點(diǎn)顏色值產(chǎn)生影響，因此需要選取合適的特征點(diǎn)才能分析出火箭橇的位置變化。利用上述照片反求和矯正方法，得到矯正后火箭橇照片像素點(diǎn)的單位長度所代表的實際空間距離相等，從而通過觀察矯正后照片火箭橇上特征點(diǎn)的位置變化即可得到火箭橇橇體的位置變化。

3.1 特征點(diǎn)選取

照片實際是由像素點(diǎn)構(gòu)成，每個像素點(diǎn)有一組二維坐標(biāo)和顏色值數(shù)據(jù)。根據(jù)像素點(diǎn)顏色值數(shù)據(jù)，可以在照片數(shù)據(jù)信息中讀取出像素點(diǎn)位置。

圖4為照片在放大之后得到每個像素點(diǎn)坐標(biāo)，其中標(biāo)記為特征點(diǎn)的像素點(diǎn)顏色值與周圍像素點(diǎn)的顏色值差值大。此點(diǎn)的辨識度高并且環(huán)境光線對其的影響較小，所以選取此點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

圖4 像素點(diǎn)照片

3.2 特征點(diǎn)組合

火箭橇在運(yùn)行過程中，近似為形狀不變的剛體，所以不同特征點(diǎn)在橇體的坐標(biāo)關(guān)系在每一時刻保持不變。特征點(diǎn)并不能在整個過程保持顏色值不發(fā)生顯著變化，最好選取多個特征點(diǎn)組合分析橇體位置變化。圖5為火箭橇點(diǎn)火前示意圖。

圖5 火箭橇點(diǎn)火前示意

如圖5所示，在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火前特征點(diǎn)I和特征點(diǎn)II都可以作為特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)出現(xiàn)時間和障礙物影響，首先使用特征點(diǎn)I，當(dāng)特征點(diǎn)I被障礙物遮擋時再使用特征點(diǎn)II。圖6為火箭橇點(diǎn)火后示意圖。

圖6 火箭橇點(diǎn)火后示意

如圖6所示，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后特征點(diǎn)II被尾焰強(qiáng)光完全覆蓋無法識別，這時再一次使用特征點(diǎn)I。

3.3 火箭橇位置變化

根據(jù)各個特征點(diǎn)在火箭橇橇體上的坐標(biāo)關(guān)系，不同的特征點(diǎn)位置變化可以組合為火箭橇橇體的位置變化。

從第1幅矯正后的照片開始，等間隔選取幅照片，找到這些照片橇體特征點(diǎn)坐標(biāo)；同時提取橇體的特征點(diǎn)在此位置的像素值。根據(jù)這些等間隔照片確定橇體特征點(diǎn)顏色紅色、綠色、藍(lán)色域值范圍以及橇體特征點(diǎn)坐標(biāo)所在的范圍。

從第1幅矯正后的照片開始，讀取每1幅照片信息，若特征點(diǎn)坐標(biāo)所在的范圍內(nèi)，有坐標(biāo)點(diǎn)滿足橇體特征點(diǎn)紅色、綠色、藍(lán)色域值范圍，則確定此坐標(biāo)點(diǎn)為特征點(diǎn)的位置[2]。

圖7為將不同的特征點(diǎn)位置變化組合得到火箭橇橇體位置變化。

圖7 火箭橇橇體位置變化

4 橇體速度求取和平滑

從第1幅矯正在得到火箭橇橇體位置變化以及上述參數(shù)后，求取橇體的瞬時速度[7]：

式中為比例系數(shù)；為單個像素點(diǎn)對應(yīng)的長度；為相機(jī)拍攝的頻率；+1和分別表示第+1張照片和第張照片中火箭橇橇體位置的水平方向坐標(biāo)，1 ≤≤– 1，為照片幅數(shù)。

對火箭橇速度噪聲頻譜分析[8]，橇體速度噪聲主要頻段為大于10 Hz的高頻段；因此，采用二階低通濾波器對速度進(jìn)行濾波以消除高頻噪聲[3]，如圖8所示。

圖8 火箭橇速度噪聲頻譜分析

式中0，1，2，1，2為離散化二階低通濾波器的參數(shù)[5]。

求取+1時刻s+1，并更新1(-1)和2(-1)，重復(fù)上述步驟直到=-1時為止，得到速度平滑后的曲線，如圖9所示，可以清晰地看到火箭橇橇體在整個運(yùn)行過程的速度變化。

圖9 速度平滑曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)目前火箭橇速度測量的方法以及未來火箭橇發(fā)展方向，提出了一種火箭橇試驗圖像測速方法。該方法不受火箭橇速度和尾焰點(diǎn)火高溫高光影響，火箭橇試驗中關(guān)鍵時刻的速度測量精度比遮光板時空測量裝置更高，同時成本可控，更加適應(yīng)于未來延長火箭橇軌道和多級點(diǎn)火的火箭橇試驗。

[1] 張錚, 王艷平, 薛桂香. 數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺—Visual C++與Matlab實現(xiàn)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

[2] 薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計—MATLAB語言與應(yīng)用 （第2版）[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

[3] 陳東升, 魏宗康. 慣性測量裝置火箭橇試驗?zāi)M導(dǎo)彈飛行過載方法[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2009(4): 10-15.

[4] 聶冬金. 基于照片反求產(chǎn)品原型的研究[D]. 上海: 華東理工大學(xué), 2013.

[5] 夏剛, 魏宗康, 陳東生, 王常虹. 慣性平臺系統(tǒng)火箭橇試驗數(shù)據(jù)處理方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報, 2010(2): 5-8.

[6] 栗全慶, 王宏, 張英杰, 趙汝嘉. 實物反求工程的關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計, 2000(6): 4-6.

[7] 李國慶. 火箭橇外測系統(tǒng)的研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

[8] 段宇鵬, 魏宗康, 劉建波, 劉璠. 慣性測量裝置火箭橇試驗外測數(shù)據(jù)融合方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報, 2013(1): 25-39.

Velocity Measurement of Photographs on IMU Rocket Sled Testing

Wei Zong-kang, Jiang Qi, Lv Teng

(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing, 100039）

On IMU rocket sled testing, radar and light interrupter are usually used to measure rocket sled testing’s velocity and position. When rocket sled ignites, it produces high velocity, strong tail fire, large noise and vibration.Measurement of radar and light interrupter cannot get accurate velocity of rocket sled. To meet the needs of longer track and multistage ignition, Velocity measurement of photographs can cover the shortage of measurement of radar and light interrupter and improve the precision of rocket sled testing. It includes reversion of photographs, characteristic points extracting, the optimization of characteristic points’ position, frequency spectrum analysisof noises on velocity and velocity calculating and smoothing, it also provides a high precise model of position and velocity on IMU rocket sled testing.

Rocket sled testing; Velocity measurement of photographs; Reversion of photographs; Analysis of frequency spectrum

1004-7182(2017)06-0056-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170613

V448.25+2

A

2016-12-17；

2017-01-19

魏宗康（1973-），男，研究員，主要研究方向為導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制