专利名称：卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量技术，具体涉及一种卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置。
背景技术：
卫星气浮平台由气浮轴承和大理石底座组成，依靠压缩空气在气浮轴承与大理石底座之间形成的气膜，使气浮平台轴承浮起，气浮轴承和大理石底座之间摩擦极小，从而使气垫具有一维转动和平面两维平动能力，可以模拟卫星在太空中无摩擦的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，在卫星气浮平台上进行卫星控制系统全物理仿真实验能够检验系统的性能，是空间飞行器研制过程中的重要手段和方法。卫星气浮平台在试验过程中需要通过姿态测量系统动态地给出气浮台的二维运动参数，包括位移、速度、角度、角速度，以便完成控制闭环。由于卫星气浮平台需要为卫星姿态控制系统物理仿真提供无干 扰环境，以往接触式的测量装置和方法(如旋转变压器、感应同步器、光电码盘、光栅等)不适用于卫星气浮平台的测量，需要考虑新的测量方法和装置。经检索文献发现，中国发明专利申请号:200610010260.2，专利名称为:三轴气浮
台姿态角测量装置及其测量方法，该专利在卫星气浮平台上方安装有CCD摄像机，在气浮台台面上安装有测量LED光标系统，利用计算机视觉理论结合测量光标点间的距离信息，计算出气浮台台面相对于摄像机的相对运动参数。由于在视觉测量过程中需要计算出三个维度的姿态角和位移，计算速度受到限制。中国发明专利申请号:200610010435.X，专利名称为:非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法，该专利采用彩色CCD摄像机采集由4个红光LED和微型绿色激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的图像，利用计算机视觉理论并结合测量靶标及CCD摄像机安装信息，计算出气浮台台面的转动参数。但该方法不能计算平移信息。在文献“卫星气浮平台视觉测量系统研究”(发表于中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2008年第24卷第4-1期，124-126)中，北京理工大学的刘伟、徐斌介绍一种利用机器视觉识别物体颜色特征的方法来检测卫星气浮平台的姿态变化的方法，通过摄像头获取的图像检测到目标点颜色，以此计算求出气浮平台的姿态。本文通过采用自适应阈值、快速预测搜索算法。但该系统使用颜色信息作为测量特征，其精度受到限制，同时该文没有给出明确的角度计算方法。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种卫星气浮平台二维运动姿态参数测量装置，通过这种方式实现对卫星气浮平台的非接触、无扰动、高频率的测量。本发明解决问题所采用的技术如下:一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面、气浮轴承和大理石底座，气浮轴承安装在大理石底座上，卫星气浮轴承台面安装在气浮轴承上，通气后气浮轴承和大理石底座之间形成气膜，在气膜支撑下，卫星气浮轴承台面能够浮起，并且能够平动和转动。本装置还包括数字CXD摄像机、多个人工标志点、多个人工光源和计算机，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CCD摄像机，数字CCD摄像机与计算机连接，数字CCD摄像机的成像面与卫星气浮轴承台面平行，卫星气浮轴承台面的上方安装有多个人工光源，人工光源的光轴垂直于卫星气浮轴承台面，卫星气浮轴承台面上粘贴有多个人工标志点；数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。本发明还具有如下特征:1.以上所述的数字CXD摄像机为黑白CXD数字摄像机，数字CXD摄像机通过数据线与转换器相连，转换器与计算机相连，数字CXD摄像机的镜头为物方远心镜头。2.以上所述的人工标志点材料为回光反射膜，粘贴在气浮轴承台面上，人工标志点为两个，几何形状为圆形、三角形或矩形。3.以上所述的人工光源的数量根据气浮轴承的运动范围进行调整。4.以上所述的气浮轴承台面光滑平坦。5.以上所述的计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，具体为:(I)、使用中值滤波法去除图像噪声；(2)、使用双峰法进行图像分割，统计图像所有像素点像素值，确定分割阈值，比照阈值将各像素二值化归类；(3)、提取人工标志特征，根据图像分割结果，采用8邻域区域生长法确定光标特征像素；(4)、采用重心法对光标进行亚像素高精度定位。7、以上所述的利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数采用几何相似法测量原理，计算卫星气浮平台的二维运动参数。本发明具有如下优点:1.本发明采用非接触式视觉测量，卫星气浮平台的二维运动参数测量过程不会对气浮平台的运动产生干扰；2.本发明采用黑白数字摄像机通过转换器向计算机传输数据，对卫星气浮平台工作的电磁环境具有抗干扰能力；3.本发明采用回光反射膜材质的人工标志点，配合人工光源，通过低强度曝光可以产生高对比度标志图像，标志点的影像特别清晰而突出，有利于精确定位；降低测量过程对环境的要求，简化图像处理的过程，提高测量的精度和速度；4.本发明采用回光反射膜材质的人工标志点，直接粘贴在气浮平台上表面，无需额外提供电源，不增加平台载荷，其重力矩对气浮平台的影响，可以忽略不计；5.本发明采用回光反射膜材质的人工标志点，标志点数目为2个，几何形状为圆形，2个标志点的直径不同。本发明对2个标志点之间的距离、几何形状没有特殊要求，只要它们的像点之间不粘连、具有适当的距离即可。这降低了对人工标志点结构、工艺的要求，系统结构简单、成本低、容易实现；6.本发明所涉及的摄像机标定、摄像机相对标定是一次性计算，视觉测量过程直接使用其计算结果，计算过程简洁、精度高、速度快。
图1为卫星气浮平台二维运动参数测量系统组成示意图；图2为本发明所述人工标志点的结构示意图；图3为卫星气浮平台二维运动参数测量流程图；图4为卫星气浮平台图像处理模块流程图；图5为本发明测量系统涉及到的坐标系；图6为人工标志点成像示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面5、气浮轴承
6和大理石底座7，气浮轴承5安装在大理石底座7上,卫星气浮轴承台面5安装在气浮轴承6上,气浮轴承6和大理石底座7的接触面上设计有节流孔,通气后气浮轴承6和大理石底座7之间形成有气膜，卫星气浮轴承台面5能够浮起，这样浮起的气浮轴承6和大理石底座7之间摩擦极小，气浮轴承台面5从而能够平动和转动，本装置还包括数字CXD摄像机2、
2个人工标志点1、多个人工光源4和计算机9，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CXD摄像机2，数字CCD摄像机2与计算机9连接，数字CCD摄像机2的成像面与卫星气浮轴承台面5平行，卫星气浮轴承台面5的上方安装有多个人工光源4，人工光源4的光轴垂直于卫星气浮轴承台面5，卫星气浮轴承台面5上粘贴有2个人工标志点1，两个人工标志点具有完全相同的运动属性，两个标志点I之间距离根据摄像机、镜头、气浮平台运动范围进行调整；数字CCD摄像机2连续采集人工标志点的图像并传输到计算机9，计算机9将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。数字CCD摄像机2选用黑白数字CCD摄像机，使用转换器8与计算机9相连，抗干扰。数字CXD摄像机2的镜头3为物方远心镜头。气浮轴承台面5要求非常光滑平坦。人工光源4为图像采集提供恒定、可靠的照明，人工标志点I的材料为回光反射膜。为保证标志点对光的反射能力，人工光源4光轴与摄影光轴同轴，此时回光反射膜的反射能力最强。气浮轴承台面5要求非常光滑平坦。实施例2本发明卫星气浮平台高精度二维运动参数测量的流程图如图3所示，主要包括以下几个模块:1、摄像机标定模块。使用2D平面标靶法对摄像机进行标定，确定摄像机内参数、畸变系数。如附图5所示，涉及到以下坐标系:
(I)世界坐标系0wxwywzw，三维空间参照系；(2)摄像机坐标系Oa^z。，其中O。是摄像机的透视原点，Zc是光轴；(3)摄像机的图像物理坐标系Oxy，该平面与光轴ζ。垂直交于像主点O。O。与O之间的距离为透镜的焦距f ;(4)摄像机的图像像素坐标系OciUV,图像像素坐标系和图像物理坐标系是表示同一个成像平面的不同参照系，区别在于前者使用像素为坐标系单位，后者使用物理长度单位做坐标系单位。摄像机标定方法和步骤参见张广军著作《视觉测量》，科学出版社，2008年3月第一版;2、摄像机相对标定模块。使用标准件法，对摄像机进行相对标定，建立图像像素和实际物理尺寸的比例关系。摄像机拍摄一幅标准件(如比例基准尺)图像后，对其进行图像处理，由于标准件包含精确的尺寸，图像处理得到的是像素单位的数值，这样，利用公式可以得到系统的水平像素当量和垂直像素当量。相对标定法的原理:通过相对标定法，能够确定摄像机成像面上一个像素与实际物理尺寸之间的关系。在几何相似法测量中，将利用该关系计算卫星气浮平台的位移参数。比例基准尺是提供基准长度量的比例尺，采用高稳定材料制作，尺上含有2个或多个标志点，标志点之间的长度经过预先精密校准可以给出准确值L，用于提供空间距离约束。设图5中世界坐标系Owxwywzw与摄像机坐标系具有以下关系:
权利要求
1.一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面、气浮轴承和大理石底座，气浮轴承安装在大理石底座上，卫星气浮轴承台面安装在气浮轴承上，通气后气浮轴承和大理石底座之间形成有气膜，卫星气浮轴承台面从而能够浮起，气浮轴承台面能够平动和转动，其特征在于:还包括数字CXD摄像机、多个人工标志点、多个人工光源和计算机，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CXD摄像机，数字CXD摄像机与计算机连接，数字CCD摄像机的成像面与卫星气浮轴承台面平行，卫星气浮轴承台面的上方安装有多个人工光源，人工光源的光轴垂直于卫星气浮轴承台面，卫星气浮轴承台面上粘贴有多个人工标志点；数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。
2.根据权利要求1所述的一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，其特征在于:所述的数字CXD摄像机为黑白CXD数字摄像机，数字CXD摄像机通过数据线与转换器相连，转换器与计算机相连，数字CCD摄像机的镜头为物方远心镜头。
3.根据权利要求1所述的一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，其特征在于:所述的人工标志点材料为回光反射膜，粘贴在气浮轴承台面上，人工标志点为两个，几何形状为圆形、三角形或矩形。
4.根据权利要求1所述的卫星气浮台二维运动参数测量装置，其特征在于:所述的人工光源的数量根据气浮轴承的运动范围进行调整。
5.根据权利要求1所述的卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，其特征在于:所述的气浮轴承台面光滑平坦。
6.根据权利要求1所述的卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，其特征在于:所述的计算机将图像信息进行分析与处理，包括图像去噪、图像分割、提取人工标志特征和亚像素定位，具体为: (1)、使用中值滤波法去除图像噪声； (2)、使用双峰法进行图像分割，统计图像所有像素点像素值，确定分割阈值，比照阈值将各像素二值化归类； (3)、提取人工标志特征，根据图像分割结果，采用8邻域区域生长法确定光标特征像素； (4)、采用重心法对光标进行亚像素高精度定位。
7.根据权利要求1所述的卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，其特征在于:所述的利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数采用使用几何相似法测量原理，计算卫星气浮平台的二维运动参数。
全文摘要
本发明公开了一种卫星气浮台二维运动姿态参数测量装置，包括卫星气浮轴承台面、气浮轴承和大理石底座，本装置还包括数字CCD摄像机、人工标志点、人工光源和计算机，卫星气浮轴承台面的上方安装有数字CCD摄像机和多个人工光源，人工光源的光轴垂直于卫星气浮轴承台面，卫星气浮轴承台面上粘贴有多个人工标志点；数字CCD摄像机连续采集人工标志点的图像并传输到计算机，计算机将图像信息进行分析与处理，确定人工标志点的像素坐标后，利用计算机视觉理论计算出卫星气浮平台的二维运动参数，包括位移、速度、旋转角度和角速度。通过这种方式实现对卫星气浮平台的非接触、无扰动、高频率的测量，本发明计算过程简洁、精度高、速度快。
文档编号G01P3/38GK103196374SQ20131010943
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者李莉, 夏红伟, 马广程, 王常虹, 马闯, 王艳敏, 屈祯深, 陆智俊 申请人:哈尔滨工业大学