關(guān)覃粼 李勝宇

摘 要：飛行器技術(shù)一直以來都是前沿科學(xué)的主要發(fā)展領(lǐng)域，其中對(duì)于其空間姿態(tài)的測(cè)試手段有助于飛行器飛行軌跡的控制，具有極大的研究?jī)r(jià)值。本文針對(duì)飛行器近景實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的三維解構(gòu)測(cè)量，對(duì)光學(xué)測(cè)量手段進(jìn)行研究分析，對(duì)這一測(cè)量方法的具體原理，應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行具體說明，為未來的飛行器技術(shù)的發(fā)展提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測(cè)量;飛行器;空間姿態(tài);軌跡控制

對(duì)于飛行器而言，目標(biāo)的空間運(yùn)動(dòng)三維姿態(tài)是將其飛行狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而在實(shí)際應(yīng)用中可以通過測(cè)量出的運(yùn)動(dòng)三維狀態(tài)參數(shù)對(duì)飛行器的飛行軌跡精度進(jìn)行評(píng)估，更好地確定改進(jìn)方向，其對(duì)于飛行器的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)以及故障分析等都具有重要的實(shí)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。空間三維的運(yùn)動(dòng)參數(shù)極為復(fù)雜，其測(cè)量難度較大，對(duì)于新技術(shù)的研究應(yīng)用也具有極大的價(jià)值。

一、光學(xué)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用必要性

1.1飛行器的空間三維測(cè)量的復(fù)雜性

飛行器的空間三維狀態(tài)，其空間姿態(tài)的測(cè)量的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在兩點(diǎn)：其一是空間姿態(tài)的測(cè)量參數(shù)極為復(fù)雜，空間運(yùn)動(dòng)的自由度一共有六個(gè)，并且這只是單個(gè)整體的自由度數(shù)目，當(dāng)擴(kuò)展到空間機(jī)械的時(shí)候更加復(fù)雜，因此在進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量時(shí)需要整體的三個(gè)移動(dòng)參數(shù)與三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精確的分析與整合，得出最終的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要測(cè)量的參數(shù)較為復(fù)雜。其二是測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性，飛行器在空間飛行時(shí)的工作環(huán)境是極為復(fù)雜的，可能存在極為惡劣的工作環(huán)境也就是測(cè)試環(huán)境。傳統(tǒng)的傳感器測(cè)量手段對(duì)測(cè)量的環(huán)境要求較高，因此測(cè)量設(shè)備的抗干擾能力要求也較高，并且傳感器測(cè)量設(shè)備需要在飛行器上安裝配合的測(cè)量設(shè)備，會(huì)對(duì)飛行器自身的重量結(jié)構(gòu)造成一定的改變，這對(duì)于飛行器測(cè)試階段的數(shù)據(jù)測(cè)量極為不利，嚴(yán)重影響對(duì)飛行器的飛行能力的評(píng)估改進(jìn)工作。并且飛行器測(cè)試中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在丟失的可能，可能會(huì)造成設(shè)備的損失，因此尋找新的測(cè)量方法時(shí)極具必要性的。

1.2 光學(xué)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

光學(xué)測(cè)量對(duì)于飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量是具有更大的優(yōu)勢(shì)，首先，它是非接觸式，不會(huì)有傳統(tǒng)傳感器測(cè)量中由于測(cè)量設(shè)備安裝在飛行器上，避免了由于測(cè)量設(shè)備的重量對(duì)飛行器的影響，增加飛行器運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量精度，其次光學(xué)測(cè)量是全場(chǎng)性的測(cè)量，可以最全面的收集飛行器空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，得到最佳的測(cè)咯昂結(jié)果。最后光學(xué)測(cè)量相對(duì)于其他測(cè)量方式還具有更加方便可靠、價(jià)格成本較低等優(yōu)勢(shì)，根據(jù)相關(guān)精度的需求不同，可以利用高速攝像機(jī)、經(jīng)緯儀及遠(yuǎn)距離照相機(jī)等光學(xué)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量，已經(jīng)成為較為常見的一種測(cè)量方式。

1.3 相關(guān)技術(shù)的完善

光學(xué)測(cè)量技術(shù)需要有完善的數(shù)字圖像技術(shù)的支持，只有強(qiáng)大的圖像處理技術(shù)才可以幫助光學(xué)測(cè)量技術(shù)真正運(yùn)用到實(shí)際的運(yùn)用中去。之前的光學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量是以點(diǎn)目標(biāo)，只能獲得飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡而無法獲得具體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。而為了獲得較為精確的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)則需要利用攝像設(shè)備對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行拍攝記錄，再通過事后較為復(fù)雜的目標(biāo)空間姿態(tài)參數(shù)分析與提取得到需要的三維運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，但是如此以來其實(shí)時(shí)性難以保證，對(duì)飛行器的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)極為不利。但是近年來的高速圖像處理技術(shù)與更好圖像處理算法的發(fā)展為進(jìn)行實(shí)時(shí)光學(xué)圖像分析提供了可能性。通過高速圖像處理技術(shù)可以有效分析空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維軌跡和三維姿態(tài)特別是目標(biāo)的俯仰角、偏航角等重要姿態(tài)，實(shí)時(shí)提取關(guān)鍵性信息，推動(dòng)飛行器空間三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的立體化測(cè)量發(fā)展。

二、光學(xué)測(cè)量的工作原理

光學(xué)測(cè)量技術(shù)作為一種被廣泛運(yùn)用的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法，工作原理并不復(fù)雜，傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量以光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為主，配合一些基于攝影、紅外、激光等技術(shù)的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行跟蹤測(cè)量，主要是對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行收集分析的一個(gè)過程，目前的發(fā)展也遵循這一原理。而光學(xué)測(cè)量質(zhì)量的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)也在于姿態(tài)測(cè)量方法和與此相關(guān)的圖像處理技術(shù)。

2.1 多站面面交會(huì)法

傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量方法主要依靠空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的點(diǎn)判讀方法，對(duì)于姿態(tài)的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，因此通過設(shè)置更多的目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)位，是一種較為直接的姿態(tài)測(cè)量方法，通過測(cè)量點(diǎn)交匯而成的測(cè)量線進(jìn)行測(cè)量，利用首位固定點(diǎn)的坐標(biāo)變換能夠?qū)崿F(xiàn)，根據(jù)空間點(diǎn)所確定的空間直線可以得到目標(biāo)的俯仰角與偏航角，得到空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，但是多站點(diǎn)的測(cè)量易出現(xiàn)時(shí)間同步誤差，并且各個(gè)儀器的測(cè)量也存在一定的定位誤差，導(dǎo)致拍攝的運(yùn)動(dòng)參數(shù)存在一定的偏差，這就導(dǎo)致通過多站點(diǎn)合成的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的精度難以確保，并且復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境更進(jìn)一步造成各站點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的偏差，因此這一方法的實(shí)際運(yùn)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(biāo)的三維姿態(tài)具有更加重要的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，而實(shí)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(xué)測(cè)量的精度需求，目前的主要難點(diǎn)在于圖像的處理，如何高速高精度的提取空間目標(biāo)的輪廓。而圖像分析的重點(diǎn)之一就是對(duì)光測(cè)圖像的預(yù)處理工作，只有在經(jīng)過合適的圖像預(yù)處理工作之后，后續(xù)的姿態(tài)測(cè)量工作才有繼續(xù)實(shí)行的基礎(chǔ)。預(yù)處理工作雖然重要但是其工作原理并不復(fù)雜，因此本文的重點(diǎn)在于后續(xù)的姿態(tài)測(cè)量，對(duì)于姿態(tài)測(cè)量而言，圖像分割是極為重要且具有難度的一項(xiàng)工作，它需要將圖像按照特征提取出感興趣的目標(biāo)，提取的標(biāo)準(zhǔn)可以由需求改變。這對(duì)于人而言似乎是一個(gè)極為自然的功能，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，這是一個(gè)極為復(fù)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(biāo)與其運(yùn)動(dòng)背景的差異，達(dá)到較好的圖像分割效果，這一技術(shù)的難點(diǎn)也在于需要分割的區(qū)域也就是目標(biāo)與背景之間的邊緣對(duì)比，造成邊緣檢測(cè)的抗噪性與測(cè)量精度之間的矛盾，在提升測(cè)量精度的同時(shí)不可避免的帶來輪廓的不合理，而在提高抗噪性時(shí)會(huì)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(jìn)行區(qū)域?qū)ふ遥歉鶕?jù)事先定義的標(biāo)準(zhǔn)將像素或子區(qū)域聚合成更大區(qū)域的過程，首先進(jìn)行分類分割，利用已知的訓(xùn)練樣本集在圖像的特征空間中找到?jīng)Q策的劃分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的區(qū)域劃分，此外還可以利用閾值分割法進(jìn)行區(qū)域提取，通過設(shè)定每一個(gè)特征的閥值進(jìn)行區(qū)域劃分，這一中區(qū)域劃分方法更加快速簡(jiǎn)便，但是實(shí)際上很難找到一個(gè)合適的閾值。第三，邊緣與區(qū)域結(jié)合的圖像分割方法，以上兩種方法各有優(yōu)劣，因此對(duì)這兩種方法進(jìn)行最大程度的綜合對(duì)于光學(xué)測(cè)量而言是很有價(jià)值的，同時(shí)利用目標(biāo)對(duì)象的邊緣信息與圖像的全局信息進(jìn)行分割，對(duì)于特定區(qū)域的提取效果較好。例如活動(dòng)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(biāo)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(biāo)分割匹配的精度與抗噪性的關(guān)系，達(dá)到一個(gè)較好的結(jié)果。由此可知，圖像分割對(duì)于空間目標(biāo)的三維姿態(tài)測(cè)量有著極大的運(yùn)用價(jià)值。并且好的圖像分割方法有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)三維姿態(tài)測(cè)量。

三、總結(jié)

飛行器的飛行姿態(tài)是評(píng)價(jià)飛行器質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，因此更好的評(píng)價(jià)手段可以有效促進(jìn)飛行器技術(shù)的發(fā)展。本文通過對(duì)飛行器三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量手段進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，介紹了光學(xué)測(cè)量技術(shù)的原理與主要運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，希望對(duì)這一技術(shù)的成熟與發(fā)展有所幫助。

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