分析FAST饋源艙的靜態(tài)定標和動態(tài)跟蹤

1、分析FAST饋源艙的靜態(tài)定標和動態(tài)跟蹤            摘要：根據(jù)計算機視覺和CCD圖像分析測量原理，介紹了對饋源艙多個位置和姿態(tài)的靜態(tài)定標，以及對艙體特征點的圖形坐標的攝取。推導了實驗中所需饋源艙的空間坐標變換矩陣，實現(xiàn)了對饋源艙的動態(tài)跟蹤，并為艙體的閉環(huán)控制提供了數(shù)據(jù)基礎。 關鍵詞：計算機視覺 CCD圖像分析 靜態(tài)定標 動態(tài)跟蹤作為國際新一代大射電望遠鏡（）陣計劃的第一步，擬在我國先行實施一項（ ）項目工程。目前國際上正在更新的系統(tǒng)難以滿足基本單元的要求：低造價、大

2、天空覆蓋、寬帶以及偏振觀測。全球最大的射電望遠鏡是位于美國波多里格的口徑天線，但它具有天空覆蓋?。ㄌ祉敀呙杞莾H°）的嚴重缺陷，以及造價太高、跟蹤精度低的不足。項目計劃利用我國某地獨一無二的喀斯特（）洼地，鋪設主天線的球面望遠鏡，建造口徑為的射電望遠鏡。這種射電望遠鏡取消了主反射面的運動，改用饋源移動跟蹤目標，基本不受重力形變的影響，可把主反射面建造得很大。對射電望遠鏡的饋源艙實施閉環(huán)控制的前提條件是已知饋源艙的位置及姿態(tài)，故需對饋源艙進行動態(tài)跟蹤，以取得相關數(shù)據(jù)。本文根據(jù)計算機視覺和圖像分析測量原理，詳細介紹了對實驗模型中的饋源艙進行靜態(tài)定標與動態(tài)跟蹤測量的原理及方法。 測量系統(tǒng)結合

3、課題情況，可考慮使用的測量方法有以下四種：（）定位系統(tǒng)：測量范圍大，差分處理后的測量精度較高，不足是測量時間較長。（）無線電定位：受環(huán)境影響小，測量范圍大，可在較惡劣的環(huán)境中工作。但測量成本較高，且無線電信號會影響射電天文望遠鏡對宇宙信號的接收。（）激光全站儀：測量范圍大、測量精度高、采樣周期高。但系統(tǒng)的采樣間隔具有不穩(wěn)定性、時延性與較低的動態(tài)精度（），這給控制帶來較大難度。另外受環(huán)境影響較大，在降雨和大風揚塵等較惡劣的環(huán)境下，測量精度會受影響，且價格很高（一臺大約價值萬元）。（）三維測量系統(tǒng)：成本低，測量范圍較小時測量精度較高。但由于測量數(shù)據(jù)量大，動態(tài)跟蹤測量的時間較長。另外環(huán)境因素對測量精

4、度的影響也較大，夜間工作有一定限制。根據(jù)實際情況以及順利實現(xiàn)測量的目的，測量系統(tǒng)應具有快速測量、自動跟蹤和成本低的特點。而三維測量系統(tǒng)能夠滿足要求。器件是一種固體化器件，體積小、可靠性高、壽命長；圖像畸變小，尺寸重現(xiàn)性好；具有較高的定位精度和測量精度；輸出信號易于數(shù)字化處理，易與計算機連接組成實時自動測量控制系統(tǒng)，便于擴大應用功能和使用范圍。圖像分析測量系統(tǒng)的原理框圖如圖所示。 測量原理與方法三維測量系統(tǒng)的組成元件主要有攝像機（、×）、圖像卡（大恒）、計算機和視頻線等。整個系統(tǒng)的工作原理是：測量對象在攝像機的測量范圍內(nèi)沿任意方向運動，攝像機從三個不同的角度對測量對象的特征點進行攝像，

5、生成被測對象的視頻信號；通過圖像卡轉換成數(shù)字信號并輸送給控制計算機；計算機調(diào)用執(zhí)行文件，根據(jù)一定算法計算被測目標的世界坐標，由此確定對象的位置與姿態(tài)。1 2 3 4 下一頁         實驗模型中的饋源艙由六根索向上拉，并分別通過六座鋼筋水泥塔與地面的卷揚機相連。其中三根索均布接在艙體頂部，另三根索均布接在艙體底圓上。取下拉索與艙體的絞合點（索耳中心）為特征點，這樣共有三個特征點、，三部攝像機按照間隔放置，結構分布如見圖。令是待測特征點，則其世界坐標與其在攝像機中的投影坐

6、標的關系式為：( )(穴 ) （）其中、分別是空間旋轉和平移變換矩陣。每個特征點分別在左右兩個攝像機中投影，投影坐標滿足如下關系式：式中：()和()分別為左右攝像機鏡頭沿徑向的畸變程度，(,)、(,)分別是左右攝像機鏡頭的光心坐標，,、,分別是測量點在左右兩攝像機的投影坐標變換參數(shù)。 采用靜態(tài)定標的方法確定式（）、（）中的未知參數(shù)。測量系統(tǒng)靜態(tài)定標的原理是：在地面上合適位置（坐標已知）安置兩架電子經(jīng)緯儀，并在饋源艙的工作空間區(qū)域選擇測量點，利用經(jīng)緯儀測量若干位置特征點的俯仰角和方位角，通過坐標幾何變換確定這些點的世界坐標（，），并認為是實際坐標。同時記下它們在攝像機中相應的圖像坐標（，），這里

7、需注意對應關系。把世界坐標與相應投影坐標代入式（）、（）中，用最小二乘法求解超靜定方程組，確定未知參數(shù)。確定空間坐標變換矩陣后需進行靜態(tài)檢測，即通過經(jīng)緯儀測量一些靜態(tài)特征點的坐標，與靜態(tài)測量結果比較，計算靜態(tài)定標的誤差。若不滿足精度要求，則重新定標直至滿足。靜態(tài)定標后即可對特征點進行動態(tài)跟蹤。其跟蹤原理是基于面積的邊沿提取跟蹤算法?眼?演。每部攝像機讀取并確定其中兩個特征點在靶面的投影坐標，得到三特征點在攝像機中的六個投影坐標后，根據(jù)投影坐標的位置關系與特征點附近區(qū)域在靶面投影區(qū)域的相關性，確定每個特征點在其對應的兩攝像機靶面的投影坐標，再采用雙目定位法得到它們的世界坐標。例如攝像機和可同時對

8、目標點進行測量跟蹤，攝像機在時刻采集到圖像的左特征點附近方形區(qū)域作為模板，攝像機在時刻采集到圖像的右特征點附近方形區(qū)域作為模板，實現(xiàn)兩幅圖的配準。然后分別以和為模板，在時刻兩攝像機、采集的兩幅圖像中搜索有相似灰度值分布的和（如圖）。判斷此兩模板是否滿足最大相關性，若滿足，則認為兩模板的中心點就是攝像機動態(tài)跟蹤目標點的投影；否則繼續(xù)搜索特征區(qū)域，直至滿足。兩模板最相似需滿足的最大相關性條件是：當最小時，左右模板中的特征點匹配。動態(tài)跟蹤測量給出饋源艙三只索耳、和的直角坐標（,），（,）和（上一頁  1 2 3 4 下一頁  &#

9、160;      ,）。采用下述方法反算饋源艙的位置與姿態(tài)。因索耳均布在艙體底圓上（如圖），則底圓中心的直角坐標為：(), (),() ()設艙體底圓中心與頂端的連線為艙體對稱軸的單位矢量k，則:其中CC、CC分別表示索耳指向和的矢量。所以饋源艙的方位角與俯仰角為： () () 實驗數(shù)據(jù)分析為了準確得到定標的精度，采用檢測發(fā)光二極管的方法。檢測時間選在夜間，這樣做有利于經(jīng)緯儀精確地測量目標。表給出了個坐標檢測結果（饋源艙速度）。表1 定標檢測數(shù)據(jù)編 號實際坐標測量坐標X向誤差Y向誤差Z向誤差距離誤差15603，-3755，70775

10、595，-3743，70718-12615.62025503，-5946，77265497，-5940，77276-6-18.54436603，-3747，61286593，-3738，612110-9715.16646486，-5955，67186482，-5952，67194-3-15.09954690，-3767，63944687，-3761，63923-627.064537，-6087，70974538，-6088，7104-11-77.14176117，-4480，71506117，-4479，71510-1-11.41484465，-4055，61834469，-4046，6180

11、-4135.09994467，-6084，67324454，-6089，67373557.681104493，-3233，62154486，-3226，62207-7-511.091114464，-5287，66784456，-5285，66718-2710.817通過對測量數(shù)據(jù)進行分析可得到測量系統(tǒng)的誤差為。在測量范圍內(nèi)上一頁  1 2 3 4 下一頁         定標精度是毫米級。具體情況是方向上的最大位置誤差為，方向上的最大位置誤差為，方向上的最大位置誤差為，很好地滿足了初期實驗模型定標精度為的要求。電子經(jīng)緯儀精度、人為測量誤差都對靜態(tài)定標精度有影響，對動態(tài)跟蹤精度也有影響。實際跟蹤過程中，如果背景的光線變化過大（例如太陽恰位于空中艙體的一面），會出現(xiàn)跟蹤目標丟失的情況