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

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，對此類大柔性結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)動特性在軌辨識并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重要意義。

文獻“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器人編隊在軌測量空間柔性結(jié)構(gòu)變形、振動等信息的構(gòu)想，并使用3D激光掃描儀結(jié)合卡爾曼濾波方法對柔性板結(jié)構(gòu)進行了振動模態(tài)、頻率和阻尼的測量實驗，論證了方法的可行性與實用性。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現(xiàn)結(jié)構(gòu)的全場測量，但是測量所使用的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很小，增加了完成一次全場測量所需的時間；由于3D激光掃描儀需要布置在空間機器人或伴飛小衛(wèi)星上，需要按照一定的掃描路徑對待測結(jié)構(gòu)進行掃描，所以方法的實現(xiàn)難度大，成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有太陽帆展開結(jié)構(gòu)動特性在軌辨識方法單次測量視場小、難以實現(xiàn)的不足，本發(fā)明提供一種基于雙目視覺測量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動特性在軌辨識方法。該方法采用兩個相機作為視覺傳感器，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)振動位移信息，進而通過工作模態(tài)分析技術(shù)實時獲取結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)動特性的在軌辨識，具有良好的辨識精度。相機固定在與太陽帆航天器結(jié)構(gòu)固連的相機支架上，通過對相機鏡頭的位置、方向進行微調(diào)可以實現(xiàn)對整個帆面的結(jié)構(gòu)的全場監(jiān)測，易于實現(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量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動特性在軌辨識方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、在太陽帆航天器主體結(jié)構(gòu)1上布置兩個視覺測量相機3，在太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的位移待測點上布置標(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)整相機支架，確定兩個視覺測量相機3的位置和方向。視覺測量相機3進行在軌標(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算機處理。

采用下式實現(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為相機內(nèi)參數(shù)矩陣，[R|T]為相機外參數(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、計算機的圖像處理模塊首先將視覺測量相機3拍攝的結(jié)構(gòu)振動視頻轉(zhuǎn)化為灰度圖像序列，然后計算機的數(shù)字圖像相關(guān)模塊識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)對圖像進行分割，構(gòu)建數(shù)字圖像相關(guān)的子區(qū)，進而在后續(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標(biāo)志物以像素為單位的振動位移，最終通過相機標(biāo)定將像素位移轉(zhuǎn)換為實際位移，獲得太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上各個位移待測點的振動位移數(shù)據(jù)。

步驟四、計算機的子空間識別模塊，利用隨機子空間法，通過對太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上位移待測點響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，識別在軌運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)動特性，實現(xiàn)太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的動特性在軌辨識。

本發(fā)明的有益效果是：該方法采用兩個相機作為視覺傳感器，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)振動位移信息，進而通過工作模態(tài)分析技術(shù)實時獲取結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)動特性的在軌辨識，具有良好的辨識精度。相機固定在與太陽帆航天器結(jié)構(gòu)固連的相機支架上，通過對相機鏡頭的位置、方向進行微調(diào)可以實現(xiàn)對整個帆面的結(jié)構(gòu)的全場監(jiān)測，易于實現(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，精度可達到0.1像素，滿足測量精度要求；使用兩個相機作為視覺傳感器，測量時只需調(diào)整相機的位置和角度即可實現(xiàn)全場測量，相比于背景技術(shù)具有成本低、測量視場大、測量過程簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作詳細說明。

附圖說明

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

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

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)明基于雙目視覺測量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動特性在軌辨識方法中相機標(biāo)定時坐標(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-視覺測量相機；4-標(biāo)志物。

具體實施方式

參照圖1-5。本發(fā)明基于雙目視覺測量的太陽帆展開結(jié)構(gòu)動特性在軌辨識方法具體步驟如下：

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

步驟二、太陽帆航天器在軌運行過程中，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)整相機支架，確定兩個視覺測量相機3的位置、方向。視覺測量相機3進行在軌標(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算機處理。

在軌標(biāo)定的過程實際是實現(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為相機內(nèi)參數(shù)矩陣，[R|T]為相機外參數(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、計算機的圖像處理模塊首先將視覺測量相機3拍攝的結(jié)構(gòu)振動視頻轉(zhuǎn)化為灰度圖像序列，然后計算機的數(shù)字圖像相關(guān)模塊識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)對圖像進行分割，構(gòu)建數(shù)字圖像相關(guān)的子區(qū)，進而在后續(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標(biāo)志物以像素為單位的振動位移，最終通過相機標(biāo)定將像素位移轉(zhuǎn)換為實際位移，獲得太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上各個位移待測點的振動位移數(shù)據(jù)。

步驟四、計算機的子空間識別模塊，利用隨機子空間法，通過對太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2上位移待測點響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，識別在軌運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)動特性，實現(xiàn)太陽帆航天器展開結(jié)構(gòu)2的動特性在軌辨識。

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)上的的相對位置確定。標(biāo)志物的位置即代表所關(guān)心的位移待測點的位置，其數(shù)量、位置完全取決于所要辨識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。

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

兩個視覺測量相機在太陽帆航天器主體結(jié)構(gòu)上的位置、方向是可調(diào)的，測量過程中需要保證所關(guān)心的位移待測點在視覺測量相機的視野之內(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)心的位移待測點的位置，所以其數(shù)量、位置完全取決于所要辨識的太陽帆展開結(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。