本發(fā)明涉及一種太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法，特別涉及一種基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

太陽帆航天器是由大面積的帆膜和支撐結(jié)構(gòu)組成的大型薄膜展開式航天器，具有輕質(zhì)化、大柔性和低阻尼的特點(diǎn)，對(duì)此類大柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有重要意義。

文獻(xiàn)“Vibration Estimation of Flexible Space Structures using Range Imaging Sensors《The International Journal of Robotics Research》2006年第25期1001-2023頁”公開了一種使用搭載有視覺傳感器的自由飛行的機(jī)器人編隊(duì)在軌測(cè)量空間柔性結(jié)構(gòu)變形、振動(dòng)等信息的構(gòu)想，并使用3D激光掃描儀結(jié)合卡爾曼濾波方法對(duì)柔性板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)、頻率和阻尼的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，論證了方法的可行性與實(shí)用性。雖然方法具有較高的精確度，可以通過3D激光掃描儀位置的變化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)測(cè)量，但是測(cè)量所使用的3D激光掃描儀在一次成像中的可視角度只有8°，使得單次成像的視場(chǎng)很小，增加了完成一次全場(chǎng)測(cè)量所需的時(shí)間；由于3D激光掃描儀需要布置在空間機(jī)器人或伴飛小衛(wèi)星上，需要按照一定的掃描路徑對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，所以方法的實(shí)現(xiàn)難度大，成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法單次測(cè)量視場(chǎng)小、難以實(shí)現(xiàn)的不足，本發(fā)明提供一種基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法。該方法采用兩個(gè)相機(jī)作為視覺傳感器，應(yīng)用圖像處理、數(shù)字圖像相關(guān)和亞像素定位等方法從圖像中直接提取結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移信息，進(jìn)而通過工作模態(tài)分析技術(shù)實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的在軌辨識(shí)，具有良好的辨識(shí)精度。相機(jī)固定在與太陽帆航天器結(jié)構(gòu)固連的相機(jī)支架上，通過對(duì)相機(jī)鏡頭的位置、方向進(jìn)行微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)帆面的結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)監(jiān)測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、在太陽帆航天器主體結(jié)構(gòu)1上布置兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)3，在太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的位移待測(cè)點(diǎn)上布置標(biāo)志物4。

步驟二、在太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2處于展開狀態(tài)的情況下，經(jīng)過調(diào)整相機(jī)支架，確定兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)3的位置和方向。視覺測(cè)量相機(jī)3進(jìn)行在軌標(biāo)定后，采集太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上所關(guān)心的標(biāo)志物4的圖像序列，將采集到的圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)處理。

采用下式實(shí)現(xiàn)世界坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。O_w(X_w,Y_w,Z_w)、O_c(X_c,Y_c,Z_c)、O₁(x,y)和O₀(u,v)分別代表世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系。坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，A為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，[R|T]為相機(jī)外參數(shù)矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，z_c是標(biāo)定參數(shù)；

步驟三、計(jì)算機(jī)的圖像處理模塊首先將視覺測(cè)量相機(jī)3拍攝的結(jié)構(gòu)振動(dòng)視頻轉(zhuǎn)化為灰度圖像序列，然后計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像相關(guān)模塊識(shí)別出圖像序列中第一張圖像中的標(biāo)志物4，確定標(biāo)志物4的質(zhì)心位置，并以標(biāo)志物4質(zhì)心的振幅大小為依據(jù)對(duì)圖像進(jìn)行分割，構(gòu)建數(shù)字圖像相關(guān)的子區(qū)，進(jìn)而在后續(xù)圖像中利用數(shù)字圖像相關(guān)法、亞像素定位法求取各個(gè)標(biāo)志物以像素為單位的振動(dòng)位移，最終通過相機(jī)標(biāo)定將像素位移轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移，獲得太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上各個(gè)位移待測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)。

步驟四、計(jì)算機(jī)的子空間識(shí)別模塊，利用隨機(jī)子空間法，通過對(duì)太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上位移待測(cè)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，識(shí)別在軌運(yùn)行的太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的固有頻率、阻尼比結(jié)構(gòu)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的動(dòng)特性在軌辨識(shí)。

本發(fā)明的有益效果是：該方法采用兩個(gè)相機(jī)作為視覺傳感器，應(yīng)用圖像處理、數(shù)字圖像相關(guān)和亞像素定位等方法從圖像中直接提取結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移信息，進(jìn)而通過工作模態(tài)分析技術(shù)實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的在軌辨識(shí)，具有良好的辨識(shí)精度。相機(jī)固定在與太陽帆航天器結(jié)構(gòu)固連的相機(jī)支架上，通過對(duì)相機(jī)鏡頭的位置、方向進(jìn)行微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)帆面的結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)監(jiān)測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)。

該方法的數(shù)字圖像相關(guān)模塊使用數(shù)字圖像相關(guān)法、亞像素定位法求取像素位移，精度可達(dá)到0.1像素，滿足測(cè)量精度要求；使用兩個(gè)相機(jī)作為視覺傳感器，測(cè)量時(shí)只需調(diào)整相機(jī)的位置和角度即可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量，相比于背景技術(shù)具有成本低、測(cè)量視場(chǎng)大、測(cè)量過程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法所涉及硬件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法的流程圖。

圖3是圖1中標(biāo)志物的形狀示意圖。

圖4是圖1中標(biāo)志物的分布示意圖。

圖5是本發(fā)明基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法中相機(jī)標(biāo)定時(shí)坐標(biāo)系的關(guān)系圖。

圖中，1-太陽帆航天器主體結(jié)構(gòu)；2-太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)；3-視覺測(cè)量相機(jī)；4-標(biāo)志物。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1-5。本發(fā)明基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法具體步驟如下：

步驟一、在太陽帆航天器主體結(jié)構(gòu)1上布置兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)3。在太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的位移待測(cè)點(diǎn)上布置標(biāo)志物4。

步驟二、太陽帆航天器在軌運(yùn)行過程中，在太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2處于展開狀態(tài)的情況下，經(jīng)過調(diào)整相機(jī)支架，確定兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)3的位置、方向。視覺測(cè)量相機(jī)3進(jìn)行在軌標(biāo)定后，采集太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上所關(guān)心的標(biāo)志物4的圖像序列，將采集到的圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)處理。

在軌標(biāo)定的過程實(shí)際是實(shí)現(xiàn)世界坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。O_w(X_w,Y_w,Z_w)、O_c(X_c,Y_c,Z_c)、O₁(x,y)、O₀(u,v)分別代表世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系。坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，A為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，[R|T]為相機(jī)外參數(shù)矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，z_c是標(biāo)定參數(shù)；

步驟三、計(jì)算機(jī)的圖像處理模塊首先將視覺測(cè)量相機(jī)3拍攝的結(jié)構(gòu)振動(dòng)視頻轉(zhuǎn)化為灰度圖像序列，然后計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像相關(guān)模塊識(shí)別出圖像序列中第一張圖像中的標(biāo)志物4，確定標(biāo)志物4的質(zhì)心位置，并以標(biāo)志物4質(zhì)心的振幅大小為依據(jù)對(duì)圖像進(jìn)行分割，構(gòu)建數(shù)字圖像相關(guān)的子區(qū)，進(jìn)而在后續(xù)圖像中利用數(shù)字圖像相關(guān)法、亞像素定位法求取各個(gè)標(biāo)志物以像素為單位的振動(dòng)位移，最終通過相機(jī)標(biāo)定將像素位移轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移，獲得太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上各個(gè)位移待測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)。

步驟四、計(jì)算機(jī)的子空間識(shí)別模塊，利用隨機(jī)子空間法，通過對(duì)太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上位移待測(cè)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，識(shí)別在軌運(yùn)行的太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的固有頻率、阻尼比結(jié)構(gòu)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的動(dòng)特性在軌辨識(shí)。

從圖3中可以看出，標(biāo)志物圖案由黑白正方形組成，目的是使標(biāo)志物在圖像處理時(shí)易于區(qū)別于太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)。

從圖4中可以看出，標(biāo)志物在太陽帆展開結(jié)構(gòu)上的的相對(duì)位置確定。標(biāo)志物的位置即代表所關(guān)心的位移待測(cè)點(diǎn)的位置，其數(shù)量、位置完全取決于所要辨識(shí)的太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)本身，不同結(jié)構(gòu)形式的展開結(jié)構(gòu)中標(biāo)志物的數(shù)量、位置并不相同。

基于雙目視覺測(cè)量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)方法的測(cè)量裝置由兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)、標(biāo)志物、相機(jī)固定裝置和計(jì)算機(jī)組成。所述的視覺測(cè)量相機(jī)，用于標(biāo)定并獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)圖像；所述的相機(jī)固定裝置，用于調(diào)整、固定兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)的相對(duì)位置、方向；所述的標(biāo)志物，用于標(biāo)示位移待測(cè)點(diǎn)的位置，方便圖像處理時(shí)對(duì)于位移待測(cè)點(diǎn)的識(shí)別；所述計(jì)算機(jī)，包括相機(jī)標(biāo)定模塊，圖像處理模塊，數(shù)字圖像相關(guān)模塊，子空間識(shí)別模塊，所述模塊分別用于確定相機(jī)的光學(xué)參數(shù)和相機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)的方位、將相機(jī)拍攝的結(jié)構(gòu)振動(dòng)視頻轉(zhuǎn)化為灰度圖像序列、從圖像序列中提取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移、應(yīng)用結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)辨識(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性參數(shù)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在軌辨識(shí)。

兩個(gè)視覺測(cè)量相機(jī)在太陽帆航天器主體結(jié)構(gòu)上的位置、方向是可調(diào)的，測(cè)量過程中需要保證所關(guān)心的位移待測(cè)點(diǎn)在視覺測(cè)量相機(jī)的視野之內(nèi)。

標(biāo)志物的形狀是特定的，標(biāo)志物的位置即代表所關(guān)心的位移待測(cè)點(diǎn)的位置，所以其數(shù)量、位置完全取決于所要辨識(shí)的太陽帆展開結(jié)構(gòu)本身，不同結(jié)構(gòu)的太陽帆展開結(jié)構(gòu)中標(biāo)志物的數(shù)量、位置并不相同。