一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法。步骤1：建立多飞行器推进器的坐标系；步骤2：投影尺度因子集为γ＝{γ

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法
本专利技术属于飞行器地面仿真测试的
；具体涉及一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法。
技术介绍
推进器姿态角精确控制是实现飞行器稳定、安全运行的基础，对推进器姿态角获取的精度直接关系到飞行器控制性能的准确性和可靠性；然而由于推进器受高压载荷、装配误差、加工精度、结构变形等因素的影响，会导致实际推进器位姿变化与控制输入数据存在一定的偏差，因此推进器位姿的精确测量技术是制约飞行器发动机能否实现工程应用的主要因素之一。从现有的文献、专利调研来看，针对推进器姿态角信息获取的方法研究成果不是太多。推进器姿态角接触式获取方法成本较高，容易引入较大的人工误差，而且获取数据的精度和重复性难以保证，因此只需对比非接触式获取方法。本世纪初相关研究人员提出采用线阵CCD与自发光标线板相结合的推进器摆角获取方法。通过上标线位移分别计算在x轴、y轴方向上的推进器摆角分量以及z轴方向的位移，然后利用推进器摆角在x轴、y轴方向上的分量换算出推进器摆角，但是摆角测量范围仅仅是0～±8°；此外，实际上高压载荷条件下推进器摆心必然是移动的，从而上述方法虽然理论上可以获得较高的测量精度，但是实际测量精度难以评估；随后组合法测量姿态角被提出，通过将激光器固定于推进器上，推进器摆动时，激光束随之摆动；该方法在位移测量上的精度较高，但是由于其单纯采用位移测量代替角度测量，并且仅采用单个激光束进行位移测量，从而本质上是一维的测量方法，所以摆心移动，轴线移动等问题导致的测量精度问题难以解决；研究人员又采用红外光电探测和圆锥曲面拟合的推进器轴线、摆角等参数非接触测量方法，在推进器特定部位布置一些红外反光球，通过红外相机对特征点进行捕捉，但是系统搭建较为繁琐，无法确保测量的可靠性；还有一些文献中采用基于推进器圆锥曲面拟合的方法，而推进器表面加工误差等必然导致测量误差增大。然而上述的方法存在如下局限性：(1)姿态角获取精度较低，难以满足高精度测量需求；(2)测量成本高、灵活性差，在实际的推进器测量中很难实现；(3)都是针对单一推进器的姿态角获取进行尝试；(4)没有实现不同坐标轴方向的姿态角时空一致性。
技术实现思路
本专利技术采用非接触式传感器——面阵CCD相机实现对多推进器图像的高速采集，避免了传统接触式测量中传感器响应速度的限制，响应速度快，且高速摄像机可快速布置，实施方便，布置不受空间限制；接着通过特征点标记，识别隶属于不同推进器的特征点；考虑推进器工作环境、噪声干扰因素，引入投影尺度因子集，建立适用于实际情况下的多推进器运动参数估计最优目标函数；将姿态角矩阵进行参数化分解，得到多元线性空间方程组，求解最优方程完成对多推进器姿态角的高精度获取。本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法，所述方法具体包括以下步骤：步骤1：建立多飞行器推进器的坐标系；步骤2：在步骤1的坐标系下，投影尺度因子集为γ＝{γ1,γ2,…,γn}，其中，γi的大小满足γi＝||Rqiw+T||；步骤3：通过最优化投影尺度因子集，建立多推进器姿态角获取最小目标函数；步骤4：对步骤3的最小目标函数进行交错矩阵变形处理，实现对旋转矩阵Rτ的参数化表示，得到通过多元线性空间方程求解的形式；步骤5：对步骤4进一步采用矩阵向量化方式处理；步骤6：对步骤4和步骤5处理过的多元线性空间方程得到最小目标函数最终表示成含有的多项式；步骤7：求解步骤6中的多项式。进一步的，所述步骤1具体为，世界坐标系下点的坐标记为图像点坐标记为pi，建立世界坐标系下的空间点坐标到成像平面的二维点映射关系：上式中li是单投影因子，能够准确的反映目标的光轴方向信息，是实现由二维图像信息到三维立体坐标的重要参数，是一个3×3维正交矩阵，是一个3×1维矩阵。进一步的，所述步骤2具体为，推进器上某一点在像平面上的像点记为ei，对应是的单位方向向量记为ei，依据向量单位化可知由此得到：γ＝{γ1,γ2,…,γn}为投影尺度因子集，γi的大小满足进一步的，所述步骤3的建立多推进器姿态角获取最小目标函数具体为，其中，n表示每个推进器上参与运算的标记点的个数；τ表示推进器的个数，R*,T*分别表示多推进器姿态角的旋转矩阵和平移矩阵。进一步的，所述步骤4具体为，令向量υ＝[υ1υ2υ3]，则Rτ写成：式(4)中，G3—3×3维单位阵；则是υ的交错矩阵，式(3)中待求解的参数数量为(n+6)τ，投影尺度因子集γ中元素共有nτ个，旋转矩阵Rτ和Tτ平移向量中的参数共有6τ个，通过平移向量Tτ和投影尺度因子集γ与旋转矩阵Rτ之间的空间转换关系，进一步对目标函数展开式进行变形。进一步的，所述进一步对目标函数展开式进行变形具体为，步骤4.1：经过矩阵运算将式子(2)表示成如下形式令则式(5)写成：ξΥ＝Hβ(6)步骤4.2：将式(6)两边同时左乘ξT，则ξTξ存在逆矩阵，得到：Υ＝(ξTξ)-1ξTHβ(7)把约束条件代入，ξTξ矩阵表示成：由推导出(ξTξ)-1，将式子(6)写成分块矩阵形式：步骤4.3：联立式(9)，矩阵W(3×3n)表示成：根据W(3×3n)，那么得到V(n×3n)的表达式：通过式(2)和式(10)，Tτ的求解式表示成如下式，同时建立投影尺度因子集γτ关于变换矩阵Rτ和Tτ的关系方程：此时发现的目标函数中未知参量由(n+6)τ个减少至3τ个；步骤4.4：把式(13)代入式(3)，则目标函数转换为：进一步的，所述步骤5采用矩阵向量化函数对上式进行处理具体为，处理后的形式如下：其中矩阵Rτ的向量化表示为Vec(Rτ)＝[r11r12r13r21r22r23r31r32r33]T，世界坐标系下三维点与单位阵G(3×3)进行Kronecker积运算，那么平移向量Tτ表达式简化为：联立式(15)和式(16)得到：把式(17)代入式(14)，此时的目标函数简化为：其中进一步的，所述步骤6具体为：将式(4)中Rτ的参数化表示代入到式(18)中，同理目标函数通过参数υ＝[υ1υ2υ3]T转换成多元线性空间方程Ξ(υ1,υ2,υ3)＝0。进一步的，所述步骤7具体为：求解多项式：接着对式(19)进行求偏导，令对υ1,υ2,υ3的偏导数为零，求出包含参数υ1,υ2,υ3的三元多项式方程组，通过式子赋值υ←υ-Δυ进行不断更新，在更新过程中，Δυ的值可以根据变化律进行更新，同时在迭代过程中调节阻尼因子μ使f(υ-Δυ)≤f(υ)，加速收敛速度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：/n步骤1：建立多飞行器推进器的坐标系；/n步骤2：在步骤1的坐标系下，投影尺度因子集为γ＝{γ

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉投影尺度因子集的联合目标函数多推进器姿态角获取方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：建立多飞行器推进器的坐标系；
步骤2：在步骤1的坐标系下，投影尺度因子集为γ＝{γ1,γ2,…,γn}，其中，γi的大小满足
步骤3：通过最优化投影尺度因子集，建立多推进器姿态角获取最小目标函数；
步骤4：对步骤3的最小目标函数进行交错矩阵变形处理，实现对旋转矩阵Rτ的参数化表示，得到通过多元线性空间方程求解的形式；
步骤5：对步骤4进一步采用矩阵向量化方式处理；
步骤6：对步骤4和步骤5处理过的多元线性空间方程得到最小目标函数最终表示成含有的多项式。


2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1具体为，世界坐标系下点的坐标记为图像点坐标记为pi，建立世界坐标系下的空间点坐标到成像平面的二维点映射关系：



上式中li是单投影因子，能够准确的反映目标的光轴方向信息，是实现由二维图像信息到三维立体坐标的重要参数，是一个3×3维正交矩阵，是一个3×1维矩阵。


3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2具体为，推进器上某一点在像平面上的像点记为ei，对应是的单位方向向量记为依据向量单位化可知由此得到：



γ＝{γ1,γ2,…,γn}为投影尺度因子集，γi的大小满足


4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3的建立多推进器姿态角获取最小目标函数具体为，



其中，n表示每个推进器上参与运算的标记点的个数；τ表示推进器的个数，R*,T*分别表示多推进器姿态角的旋转矩阵和平移矩阵。


5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4具体为，令向量υ＝[υ1υ2υ3]，则Rτ写成：



式(4)中，G3—3×3维单位阵；则是υ的交错矩阵，
式(3)中待求解的参数数量为(n+6)τ，投影尺度因子集γ中元素共有nτ个，旋转矩阵Rτ和Tτ平移向量中的参数共有6τ个，通过平移向量Tτ和投影尺度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东博，张贵阳，方乃文，魏荣婕，金浩，侯伟，王珺玮，刘明鹏，于春洋，
申请(专利权)人：哈尔滨博觉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23