噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù).pdf

1、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管姿態(tài)的圖象處理對(duì)控制飛行器運(yùn)行姿態(tài)、提高目標(biāo)命中精度等具有重要的意義。應(yīng)用基于離散特征點(diǎn)的立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車過(guò)程中噴管的三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量是一種新的測(cè)試技術(shù)。然而噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)問(wèn)題仍未解決，這一問(wèn)題是關(guān)系該測(cè)量系統(tǒng)正確運(yùn)行和量值溯源的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　課題“噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)”的研究目的就是研制一種可以提供噴管擺心、擺角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)基準(zhǔn)值的校準(zhǔn)裝置，并利用該裝置探討研究一種可以直接

2、獲取視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)噴管運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的校準(zhǔn)技術(shù)，以解決噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)問(wèn)題。本課題的研究將對(duì)完善和改進(jìn)噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用，并為其它視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)特定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量誤差校準(zhǔn)問(wèn)題提供了一種可借鑒的技術(shù)途徑。
　　首先為了提供一套時(shí)變的運(yùn)動(dòng)量值基準(zhǔn)應(yīng)用于噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，提出并研制了一種新型的基于雙軸搖擺和直線運(yùn)動(dòng)組合機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)裝置。其實(shí)際上是一部高精度的火箭噴管運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，可作為運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)

3、器給定火箭噴管的擺心、擺角、擺動(dòng)角速度、角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)基準(zhǔn)值。針對(duì)運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)裝置的研制，提出了總體方案和技術(shù)指標(biāo)；并從機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振分析、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析、關(guān)鍵元件選型計(jì)算等方面進(jìn)行了研究；建立了搖擺臺(tái)框架的動(dòng)力學(xué)模型，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，以及運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)模型，提出了控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成以及復(fù)合控制策略。校準(zhǔn)裝置的研制解決了噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)有效溯源到長(zhǎng)度、角度和時(shí)間基準(zhǔn)的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　針對(duì)校準(zhǔn)裝置自身誤差的分析和測(cè)試問(wèn)題，基于多

4、體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征，建立了擺角誤差（軸線指向誤差）和擺心誤差模型，為校準(zhǔn)裝置的精度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過(guò)仿真分析了擺角誤差和擺心誤差在運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)的分布，以及二者對(duì)各單項(xiàng)幾何誤差的靈敏度，指出了軸系間的相交度誤差和垂直度誤差分別對(duì)擺心誤差和擺角誤差影響最大?；趩雾?xiàng)幾何誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)擺心基準(zhǔn)和擺角基準(zhǔn)的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)果表明擺角基準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為11.7″，擺心基準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為17.3μ

5、m，滿足指標(biāo)要求。
　　基于研制的校準(zhǔn)裝置，提出了一種針對(duì)噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。該方法通過(guò)校準(zhǔn)裝置提供給模擬噴管兩次不同軸的擺動(dòng)推導(dǎo)出視覺(jué)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系與校準(zhǔn)裝置初始坐標(biāo)系（噴管擺角坐標(biāo)系）之間的位姿關(guān)系，求解出二者的位姿矩陣和平移向量后，在視覺(jué)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中建立了噴管的擺角坐標(biāo)系，以此確立了噴管運(yùn)動(dòng)參數(shù)基準(zhǔn)值與視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值在空間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系；接著通過(guò)時(shí)間同步系統(tǒng)向校準(zhǔn)裝置和視覺(jué)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送同步時(shí)間

6、基準(zhǔn)信號(hào)和同步觸發(fā)信號(hào)，將二者的采樣時(shí)間同步，確立了基準(zhǔn)值與測(cè)量值在采樣時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上提出了噴管擺角、擺心、角速度、角加速度測(cè)量誤差的具體算法，從而直接獲得了噴管運(yùn)動(dòng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。該校準(zhǔn)方法為實(shí)現(xiàn)噴管運(yùn)動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　最后進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，分別校準(zhǔn)了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)噴管在±12°運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)的擺心、擺角、角速度、角加速度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量誤差。驗(yàn)證了校準(zhǔn)方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擺心和擺角測(cè)量