一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法技术

本发明专利技术涉及一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法。包括理想指向模型建模、设备装配误差分析、反向求解算法实现、基于理想模型的实验样机指向测试、样机模型建模、校正参数求解，以及最后的校正参数的实验样机指向精度测试。为了求解实验样机的数学模型，以装配误差为理论基础，粒子群算法为求解方式，完成对设备误差值的求解，从而得到考虑等效误差的旋转双棱镜实验样机的数学模型；为了求解反向算法中的校正参数，以粒子群算法为基本算法，采用仿真遍历的方式完成实际参数的辨识。本发明专利技术方法从实际设备出发，解决了大顶角旋转双棱镜指向精度和指向效率不高的问题。在保证了大视场的前提下，提高了指向精度。提高了指向精度。提高了指向精度。

【技术实现步骤摘要】
＝n2＝1.515；两棱镜四个平面从左到右依次命名为s
11
、s
12
、s
21
、s
22
；以实验用相机镜头中心为原点，建立设备坐标系，其中面对目标点，z轴垂直镜头平面，以水平向右为x的正半轴，竖直向上为y轴的正半轴，以y轴负半轴为测量起始两棱镜的旋转角为θ1、θ2；d为系统的假想成像平面，可认为目标物体均落在平面之中，e为系统光轴，理想情况下为两棱镜的旋转轴，f为设备坐标系下(0，0,1)矢量经过棱镜偏折后的传播轨迹。
[0013]在本专利技术一实施例中，步骤S2中，基于旋转双棱镜反向问题的求解思路，使用两步法和实验样机的器件参数设计值得到反向求解算法，该反向求解算法可将目标物体的目标点在图像中的坐标值转化为第一棱镜和第二棱镜的转动角度，反向求解算法流程为：
[0014]S21、根据矢量的偏折轨迹和焦距，可以在设备坐标系下求的光轴指向位置即为成像区域的中心。以实际成像的区域的中心作为坐标原点，水平向右为x轴的正半轴，竖直向上为y的正半轴建立图像坐标系；假定目标点在图像坐标系中的坐标为(x
t
，y
t
)，旋转双棱镜系统零位时等效焦距为f
c
，根据几何关系可求得目标点与中心光轴的高度角Φ
t
和方位角Θ
t
信息，即
[0015][0016][0017]S22、根据棱镜设计值确定“高度角Φ
‑
相对转角Δθ”曲线，根据Φ
t
得到两棱镜的相对转角Δθ；曲线由给定棱镜顶角，通过遍历棱镜间的夹角差值所得；
[0018]S23、将旋转角转角值(θ1,θ2)＝(0,Δθ)代入下式，求出棱镜的整体转角θ
w
；
[0019]S24、棱镜转角解为(θ
w
,Δθ+θ
w
)和(θ
w
,Δθ
‑
θ
w
)，根据转角数值关系和相应约束条件选择最优解。
[0020]在本专利技术一实施例中，所述步骤S23具体实现如下：
[0021]S231、理想情况下，两个棱镜四个平面s
11
、s
12
、s
21
、s
22
的法向量n
11
、n
12
、n
21
、n
22
计算式为：
[0022]n
11
＝[sinα1,0，cosα1]×
z(θ1)
[0023]n
12
＝[0,0，1]×
z(θ1)
[0024]n
21
＝[0,0,1]×
z(θ2)
[0025]n
22
＝[sinα2,0，cosα2]×
z(θ2)
[0026]其中，z(θ
i
)为旋转矩阵；
[0027]S232、将棱镜法向量代入矢量折射定律，求解矢量(0,0,1)经过两个棱镜四个平面后光束的高度角和方位角：
[0028][0029]其中，光束S
i
从折射率n
′
介质进入折射率n介质后，出射光束的方向矢量为S
r
，n为棱镜平面的法向量；记依次经过4个平面后出射光束的方向矢量为S4＝(K，L,M)，则高度角Θ和方位角Φ为
[0030][0031]Φ＝arccos(M)
[0032]则求得整体转角θ
w
＝Φ。
[0033]在本专利技术一实施例中，步骤S3中，对实验样机进行设备指向测试的步骤为：
[0034]S31、将两棱镜转角调整到零位；
[0035]S32、随机调整目标点的位置(x1，y1)，(x1,y1)落在图像中的一位置；
[0036]S33、使用S2中推导得到的反向求解算法，得到此时棱镜的旋转角转角值为(θ1,θ2)，将所得转角值发送到下位机，下位机驱动电机转动至目标角度，记录此时目标点在图中的坐标值(x2,y2)；
[0037]S34、将棱镜零位时目标点位置(x1,y1)、棱镜旋转角(θ1,θ2)、棱镜转动后目点的位置(x2,y2)记录到数据库中，称该库为原始指向数据库。
[0038]在本专利技术一实施例中，步骤S4中，建立实验样机的数学模型的步骤为：
[0039]S41、根据下式对目标点位置进行调整，其中(x1,y1)为原始指向数据库中记录的棱镜零点时目标点的位置，Δx和Δy为棱镜转动后目点的位置(x2,y2)偏离图像正中心的横纵坐标距离
[0040][0041]S42、根据旋转双棱镜误差分析定义以下参数：第一棱镜的倾斜误差的角度和方向分别为和轴承轴倾斜误差的角度和方向分别为和第二棱镜的倾斜误差的角度和方向分别为和轴承轴倾斜误差的角度和方向分别为和
[0042]S43、基于旋转双棱镜误差分析和粒子群算法的求解步骤，定义算法求解粒子维度为8维，有粒子更新矢量为V
M
＝(v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8)，适应度函数为其中θ
1，n
(X
M
)和θ
2,n
(X
M
)表示将(x3,y3)代入含有X
M
的反向求解算法计算得到的棱镜旋转角；和表示为数据库记录的棱镜旋转角(θ1，θ2)；粒子X
M
各维度的取值范围根据实际物理含义所定义，则和的取值范围为
‑4°
～4
°
，和的取值范围为0
°
～90
°
；粒子更新矢量V
M
各维度的取值范围为粒子X
M
各维度的取值范围的30％，范围关于0对称；m为原始指向数据库所存储的实验数据个数；
[0043]S44、由粒子群算法的粒子更新公式更新X
M
的取值，迭代次数t＝t+1
[0044][0045][0046]其中，t表示当前迭代次数，w为惯性因子，表示第n号粒子的下一次迭代时粒
子的速度矢量，表示第n号粒子的下一次迭代时的粒子的位置矢量，c1和c2为学习因子，r1和r2为[0,1]均匀分布的随机值；表示为一粒子在已进行的迭代中适应度函数值最小的粒子解；g表示为所有粒子在已进行的迭代中适应度函数值最小的粒子解；
[0047]S45、判断迭代次数是否满足迭代要求，或适应度值f(X
M
)是否连续400次均小于10
‑6，两个条件满足其一则跳转至步骤S45，否则跳转至步骤S43；
[0048]S46、系统装配误差辨识结果为X＝X
M
；根据系统装配误差辨识结果X
M
，调整棱镜平面法向量，其表达式为：
[0049][0050][0051][0052][0053]其中根据Ro本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立理想指向模型，搭建旋转双棱镜系统实验样机；S2、建立反向求解算法；S3、对实验样机进行设备指向测试并建立原始指向数据库；S4、建立实验样机的数学模型；S5、基于实验样机的数学模型调整反向求解算法棱镜设定值。2.根据权利要求1所述的一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法，其特征在于，步骤S1中，所述旋转双棱镜成像系统包括用于获取图像信息的实验用相机，设于实验用相机镜头前的从左到右依次为第一棱镜、第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜的参数相同，即棱镜顶角的设计值为α1＝α2＝14.85
°
，棱镜折射率的设计值为n1＝n2＝1.515；两棱镜四个平面从左到右依次命名为s
11
、s
12
、s
21
、s
22
；以实验用相机镜头中心为原点，建立设备坐标系，其中面对目标点，z轴垂直镜头平面，以水平向右为x的正半轴，竖直向上为y轴的正半轴，以y轴负半轴为测量起始两棱镜的旋转角为θ1、θ2，d为系统的假想成像平面，可认为目标物体均落在平面之中，e为系统光轴，理想情况下为两棱镜的旋转轴，f为设备坐标系下(0，0，1)矢量经过棱镜偏折后的传播轨迹。3.根据权利要求2所述的一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法，其特征在于，步骤S2中，基于旋转双棱镜反向问题的求解思路，使用两步法和实验样机的器件参数设计值得到反向求解算法，该反向求解算法可将目标物体的目标点在图像中的坐标值转化为第一棱镜和第二棱镜的转动角度，反向求解算法流程为：S21、根据矢量的偏折轨迹和焦距，在设备坐标系下求的光轴指向位置即为成像区域的中心；以实际成像的区域的中心作为坐标原点，水平向右为x轴的正半轴，竖直向上为y的正半轴建立图像坐标系；假定目标点在图像坐标系中的坐标为(x
t
，y
t
)，旋转双棱镜系统零位时等效焦距为f
c
，根据几何关系可求得目标点与中心光轴的高度角Φ
t
和方位角Θ
t
信息，即信息，即S22、根据棱镜设计值确定“高度角Φ
‑
相对转角Δθ”曲线，根据Φ
t
得到两棱镜的相对转角Δθ；曲线由给定棱镜顶角，通过遍历棱镜间的夹角差值所得；S23、将旋转角转角值(θ1，θ2)＝(0，Δθ)代入下式，求出棱镜的整体转角θ
w
；S24、棱镜转角解为(θ
w
，Δθ+θ
w
)和(θ
w
，Δθ
‑
θ
w
)，根据转角数值关系和相应约束条件选择最优解。4.根据权利要求3所述的一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法，其特征在于，所述步骤S23具体实现如下：S231、理想情况下，两个棱镜四个平面s
11
、s
12
、s
21
、s
22
的法向量r
11
、n
12
、n
21
、n
22
计算式为：n
11
＝[sinα1，0，cosα1]
×
z(θ1)n
12
＝[0，0，1]
×
z(θ1)n
21
＝[0，0，1]
×
z(θ2)
n
22
＝[sinα2，0，cosα2]
×
z(θ2)其中，z(θ
i
)为旋转矩阵；S232、将棱镜法向量代入矢量折射定律，求解矢量(0，0，1)经过两个棱镜四个平面后光束的高度角和方位角：其中，光束S
i
从折射率n
′
介质进入折射率n介质后，出射光束的方向矢量为S
r
，n为棱镜平面的法向量；记依次经过4个平面后出射光束的方向矢量为S4＝(K，L，M)，则高度角Θ和方位角Φ为Φ＝aFccos(M)则求得整体转角θ
w
＝Φ。5.根据权利要求2所述的一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向校正方法，其特征在于，步骤S3中，对实验样机进行设备指向测试的步骤为：S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈英，黎乐谦，黄峰，刘锦春，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：