一種基于標記點三維信息測量的飛機側(cè)滑角動態(tài)監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種飛機側(cè)滑角測量方法，尤其設及一種基于標記點=維信息測量的 飛機側(cè)滑角動態(tài)監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002] 側(cè)滑角是確定飛機飛行姿態(tài)的重要參數(shù)。側(cè)滑角是指氣流方向與飛機對稱面之間 的夾角。當飛機飛行過程中側(cè)滑角發(fā)生變化時(產(chǎn)生側(cè)滑時)會同時產(chǎn)生方向穩(wěn)定力矩和側(cè) 滑滾轉(zhuǎn)力矩，使飛機向側(cè)滑方向偏轉(zhuǎn)機頭，同時飛機向側(cè)滑的反方向滾轉(zhuǎn)。因此側(cè)滑角是控 制飛機穩(wěn)定性的重要指標。
[0003] 在飛機飛行時或在風洞實驗中，側(cè)滑角數(shù)據(jù)是評估飛行姿態(tài)與穩(wěn)定性的重要指 標。準確、高效、自動地測量出側(cè)滑角數(shù)據(jù)是飛機設計與生產(chǎn)單位一直努力研究的方向。目 前國內(nèi)外主要是通過在機身上安裝傳感器的方法來測量側(cè)滑角，而在風洞實驗中對飛機側(cè) 滑角進行動態(tài)監(jiān)測的方法較少。當飛機側(cè)滑角發(fā)生改變時，機翼上、下表面壓力也隨之發(fā)生 改變，傳感器通過測量機翼表面壓力差對側(cè)滑角進行側(cè)量。該方法對傳感器的制造和裝配 精度要求較高，一般將傳感器安裝在飛機頭部和機翼，同時由于飛機側(cè)滑角傳感器對氣流 存在干擾，使得飛機在傳感器所處位置的氣流流場與理想流場間存在差別，因此側(cè)滑角傳 感器只能測量出傳感器所處位置的氣流與機身對稱面的夾角，即局部側(cè)滑角，無法測量機 身整體的側(cè)滑角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于標記點S維信息測量的飛機側(cè)滑角動態(tài)監(jiān)測方 法。首先，在飛機機身上特定位置上粘貼=個標記點；然后，采用雙目攝像機、高速計算機、 同步信號發(fā)生器、照明設備構(gòu)建基于立體視覺的飛機圖像獲取裝置；采用張正友標定法對 立體視覺系統(tǒng)進行標定，獲取攝像機內(nèi)外參數(shù)；利用已標定好的立體視覺系統(tǒng)采集粘貼有 標記點的飛機圖像對，分別采集處于靜止與運動狀態(tài)下的飛機圖像對并分別計算出兩種狀 態(tài)下標記點S維信息；最后，利用標記點S維信息計算飛機側(cè)滑角，實現(xiàn)對側(cè)滑角的動態(tài)監(jiān) 測。
[0005] 本發(fā)明包括W下主要步驟： 1)在飛機機身特定位置粘貼標記點；具體包括W下步驟： (a)沿機身中軸線粘貼兩個標記點，分別記為A、B; 化）在機身軸線旁粘貼另一個標記點，記為C; (C)要求A、B、CS點組成的平面ABC與飛機機身對稱面相互垂直。
[0006] 2)利用雙目攝像機、高速計算機、同步信號發(fā)生器、照明設備構(gòu)建基于立體視覺的 圖像獲取裝置。
[0007] 3)利用標準標定模板實現(xiàn)對雙目立體視覺系統(tǒng)的標定，獲取雙目攝像機的內(nèi)外參 數(shù)和雙目攝像機的空間位置關系。
[000引 4)利用已標定好的立體視覺系統(tǒng)采集飛機靜止與運動狀態(tài)下的機身標記點圖像 對。首先，在飛機靜止狀態(tài)下，采集粘貼標記點的飛機圖像對；然后，在飛機運動狀態(tài)下，在 同步信號發(fā)生器發(fā)出的信號下采集粘貼標記點的飛機圖像對，采集帖率和時長根據(jù)動態(tài)監(jiān) 測要求進行設定。最后，利用第3)步獲取的攝像機標定參數(shù)，分別對飛機在靜止與運動狀 態(tài)下采集的機身標記點圖像對進行標記點=維信息計算。利用每對機身標記點圖像對，計 算標記點S維信息的具體步驟如下： (a)采用基于化own算法的矯正算法對雙目圖像進行幾何矯正，W消除鏡頭崎變； 化）采用Bouguet立體校正算法，計算行對準校正旋轉(zhuǎn)矩陣巧、巧和重投影矩陣谷， 利用行對準校正旋轉(zhuǎn)矩陣巧、巧對雙目圖像進行立體校正，得到嚴格水平行對齊的雙目圖 像； (C)采用最大類間方差闊值法對雙目圖像進行二值化，實現(xiàn)圖像中標記點與背景的分 離； (d) 采用圖像濾波和最大連通域方法去除雙目圖像中的背景噪聲干擾，并得到標記點 的特征信息； (e) 根據(jù)標記點特征信息對雙目圖像中的標記點進行立體匹配； (f) 利用步驟化）中的重投影矩陣谷，在立體匹配的基礎上計算出標記點S維信息。
[000引W利用第4)步獲取的飛機不同狀態(tài)下標記點的立維信息，計算機身側(cè)滑角，實現(xiàn) 對側(cè)滑角的動態(tài)監(jiān)測。其具體步驟如下： (a)計算飛機靜止時平面ABC法向量：利用飛機靜止狀態(tài)下機身標記點A、B、C的S維 信息計算平面ABC的法向量;; 化）計算飛機靜止時機身對稱面法向量：利用步驟（a)中靜止狀態(tài)下平面ABC的法向 里巧朋C 與標記點A、B的S維信息，計算出飛機機身靜止時對稱面的法向量； (C)計算飛機運動時機身對稱面法向量；假設同步信號發(fā)生器的帖率/為帖/秒，采集 時長為《砂，則共采集/ ?t對飛機運動狀態(tài)下的圖像對。利用第!' ( 1幻</? )對飛機 圖像對中的標記點4、、C;?的S維信息，計算飛機運動狀態(tài)下平面ABC的法向量，并 利用第f對圖像對中的標記點4、5:'的S維信息，計算出飛機運動狀態(tài)下第J(1幻</W)對圖像對中機身對稱面的法向量； (d) 計算飛機運動時側(cè)滑角：利用步驟化）得到的靜止狀態(tài)下機身對稱面法向量和步 驟（C)得到第!' )對飛機運動圖像對中機身對稱面的法向量，通過計算兩個 法向量之間的夾角得到運動狀態(tài)下第/ (1曰曰/）對飛機圖像對所對應的飛機側(cè)滑角 伊琴巧； (e) 整個試驗過程的側(cè)滑角動態(tài)監(jiān)測：按照步驟（d)的計算方法，計算出采集的/?^ 對圖像對的側(cè)滑角，將/*^對圖像對的側(cè)滑角按照圖像對的采集順序，繪制成側(cè)滑角曲 線，實現(xiàn)時間f內(nèi)的飛機側(cè)滑角動態(tài)監(jiān)測。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點是；通過在飛機機身特定位置粘貼標記點并采用立體視覺的方法計 算機身標記點=維信息；通過標記點=維信息計算飛機側(cè)滑角，并對側(cè)滑角進行動態(tài)監(jiān)測； 本發(fā)明能夠在不改變飛機氣動外形，不影響風洞氣流的前提下實現(xiàn)對飛機側(cè)滑角的測量和 動態(tài)監(jiān)測，具有操作簡單、非接觸式、危險系數(shù)小、精度高的優(yōu)點。下面結(jié)合附圖和具體實施 對本發(fā)明進一步說明。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的工作流程圖。
[0012] 圖2為飛機標記點粘貼位置示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 本發(fā)明采用如圖1所示的基于標記點S維信息測量的飛機側(cè)滑角動態(tài)監(jiān)測方法 流程圖，實現(xiàn)對飛機側(cè)滑角的動態(tài)監(jiān)測。具體實施步驟如下： 1、飛機機身粘貼標記點 本發(fā)明通過在飛機機身上粘貼標記點的方式，并在計算標記點=維信息的基礎上計算 飛機側(cè)滑角。粘貼點位置如圖2所示；其中，標記點A與標記點B粘貼在機身軸線沿oy方 向，如圖中虛線所示；標記點C、標記點A和標記點B構(gòu)成面ABC，要求平面ABC與飛機對稱 面xoy垂直。
[0014] 2、構(gòu)建圖像獲取裝置 本發(fā)明利用雙目攝像機、高速計算機、同步信號發(fā)生器、照明設備構(gòu)建基于立體視覺的 圖像獲取裝置。
[0015] 3、立體視覺系統(tǒng)標定 本發(fā)明采用張正友提出的基于棋盤格平面標定算法對雙目立體視覺系統(tǒng)中攝像機內(nèi) 外參數(shù)進行標定；采用開源計算機視覺庫的penCV)的立體標定函數(shù)實現(xiàn)對雙目立體視覺 系統(tǒng)的立體標定，獲取兩臺攝像機之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
[0016] 其主要步驟如下： 1) 采集10對W上不同方向的棋盤格圖像，且棋盤格平面與攝像機的圖像平面需有一 定夾角；同時，不同方向的棋盤格平面不能平行； 2) 采用張正友提出的基于棋盤格平面標定算法分別對雙目立體視覺系統(tǒng)中的攝像機 進行平面標定，獲取雙目立體視覺系統(tǒng)中兩臺攝像機的內(nèi)外參數(shù)； 3) 采用開源計算機視覺庫的penCV)的立體標定函數(shù)實現(xiàn)對雙目立體視覺系統(tǒng)的立體 標定，獲取雙目立體視覺系統(tǒng)中兩臺攝像機之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
[0017] 4、標記點S維信息測量 利用已標定好的立體視覺系統(tǒng)采集飛機靜止與運動狀態(tài)下的機身標記點圖像對。首先 在飛機靜止狀態(tài)下，采集粘貼有標記點的飛機圖像對；然后在飛機運動狀態(tài)下，根據(jù)動態(tài)監(jiān) 測要求，設置采集的帖率和