激光投影/成像-干扰规避式高动态飞行器地面试验测试方法

Ground simulation test is an effective way to reduce development cost and shorten development cycle in the process of high dynamic vehicle developing. Research of measuring method for vehicle kinematic parameters in the test is an importantly fundamental project in the research of ground simulation technology. According to the motion characteristics of the high dynamic vehicle in the ground simulation test, this project will propose an measuring method based on laser projecting/imaging and interference avoidance, and the architecture of corresponding measuring system will be constructed. The main features of this measuring method are shown as follows: 1) High Measurement Precision-The geometry limitations of the vehicle that to be measured will be broken in the way of laser projecting/imaging, while the measuring baseline will rise, which improve the precision of measurement; 2) Wide Measuring Range-Measuring the localization of the laser projective spot on the wall in the way of imaging, the field-of-view of the camera will cover the laser projective wall, which reduces restrictions of the range of vehicle movement for measuring system; 3) Strong Anti-interference Ability-Laser projective wall will be only taken after optimization of measuring structure, then the work flow and flame of vehicle will be avoided. The measuring method, based on laser projecting/imaging and interference avoidance, for high dynamic vehicle in the ground test is theoretically and realistically significant to improve the performance of vision measurement system, while consummate the measuring technology and enhance the credibility of vehicle ground simulation test.

地面仿真试验是高动态飞行器的研制过程中一种有效的降低研制成本、缩短研制周期的手段。研究飞行器试验过程中运动学参数的测试方法是地面仿真技术的重要基础性项目。针对高动态飞行器地面仿真试验中飞行器的运动特点，本项目将建立一种基于激光投影/成像的干扰规避式测试方法，并构建出相应测试系统的体系结构。该测试方法主要特点为： 1）测量精度高- - 激光投影/成像的方式将突破待测对象的几何条件限制，增长测量基线，提高测量精度；2）测量范围大- - 采用视觉成像的方式对幕墙上激光投影光斑位置进行测量，摄像机的视场覆盖激光投影幕墙，淡化飞行器的运动范围对测试系统的限制；3）抗干扰能力强- - 测试结构优化后摄像机只拍摄幕墙，将规避飞行器工作气流和火焰的干扰。激光投影/成像-干扰规避式高动态飞行器地面试验测试方法对改善视觉测量系统的性能、完善地面仿真试验测试技术、提高飞行器地面仿真试验的可信度具有重要的理论与现实意义。

本文针对飞行器地面试验运动参数的高精度、大范围测量问题，在传统的运动参数视觉测量方法基础上，进一步探讨研究一种基于光束向量的运动参数测量方法，并对运动参数视觉测量系统研制过程中涉及的视觉测量系统的优化、大视场摄像机的标定、飞行器运动学参数的实时估计等问题进行研究。.首先，对运动参数非接触式方法进行了研究。建立了一种基于激光投影/成像的新测试方法，设计了飞行器地面试验视觉测试方法的模型，并通过仿真实验对测量系统基于光束向量的运动参数测量精度进行分析，影响运动参数测量精度的因素主要有合作目标光束投影光斑定位噪声、合作目标光束夹角以及两侧光斑接收平面距离等。.其次，对运动参数视觉测量系统的优化问题进行了研究。建立了以测量精度和测量范围为优化目标的测量系统多目标优化模型，并提出了一种基于多层次信息交互的多目标粒子群优化算法，给出了测量系统优化的Pareto最优解集，在规避干扰因素的同时，满足了系统不同测量精度和测量范围的设计需求，增强了系统的扩展性。.接着，对大视场摄像机的现场标定问题进行了研究。提出了一种基于平面单应性的大视场摄像机现场标定方法，该方法主要由基于平面单应性的大视场摄像机柔性标定与基于先验信息的标定参数现场校正两部分组成。上述方法仅通过靶标平面上少数特征点便实现了对大视场摄像机的现场标定，提高了标定效率，并且标定精度与传统摄像机标定方法相当，保证了标定精度。.然后，对飞行器运动学参数的实时估计问题进行了研究。设计了一种适用于递归方法的串行式运动参数估计模型。证明了旋转运动参数的估计不依赖于平移参数，并据此建立了基于特征线的旋转运动参数估计模型，给出了利用串行式递归模型进行运动参数估计时解得唯一性结论证明。.最后，对运动学参数测量精度进行了评定。使用转台三个轴框的转动模拟飞行器姿态角的变化，姿态角的实际值为使用激光跟踪仪进行了误差补偿后的转台的指向，而实际值和测量数据间的数据统一通过激光跟踪仪测量实现。位置测量数据的实际值为激光跟踪仪测量获得的靶球位置。相对于使用运动平台的精度评定方法，该方法操作更加方便、实际数据精度更高且无需进行数据统一。