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3D-DIC技术在空间目标位姿测量中的应用
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更新于2024-06-27
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"基于数字图像相关法的空间目标位姿测量" 本文介绍了一种创新的位姿测量技术,它基于三维数字图像相关法(3D-DIC),克服了传统立体视觉位姿测量方法的局限性,即预先设定计算点的数量和位置。3D-DIC是一种非接触式的光学测量技术,能实时获取物体表面的全场坐标信息,适用于复杂形貌特征的目标。 在传统的立体视觉测量中,计算点的数量和位置是固定的,这限制了测量的灵活性。然而,该新方法允许动态选择计算点,提高了测量的适应性和准确性。文章提出了一个计算点数量最优比条件,当满足这一条件时,位姿测量的精度将达到最高。这意味着,通过对计算点数量的合理控制,可以优化测量性能。 实验部分,研究者利用位移旋转台和六自由度平台对具有复杂形状特征的面具试样进行了多角度、多位置的位姿参数测量。实验结果显示,当计算点数量符合最优比条件时,位姿测量的精度最佳。同时,计算点的位置对测量结果的影响相对较小,表明3D-DIC方法具有较好的鲁棒性。 六自由度平台的实验进一步验证了该方法的适用性,测量误差控制在可接受的范围内。六自由度平台可以模拟空间目标在六个维度上的运动,包括沿三个正交轴的平移和绕这三个轴的旋转,因此,这种测试能够全面评估位姿测量的精度和稳定性。 3D-DIC位姿测量方法为空间目标的精确位姿测量提供了一种新的解决方案,尤其是在需要高精度和灵活性的场合。这种方法不仅可以应用于航空航天、机器人等领域,对于其他需要实时监测和分析物体位姿变化的工业应用也具有重要价值。通过不断优化计算点的选择策略,有望进一步提高测量精度,拓宽3D-DIC技术的应用领域。
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图 1. DIC 原理。(a)参考图像;(b)变形图像
Fig. 1. Principle of DIC. (a) Reference image; (b) deformed image
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DIC 计算需要根据测量需求选择合适的相关函数公式,常用的函数有零均值归一化平方和函
数(ZNSSD)和零均值归一化互相关函数(ZNCC)。从 Pan 等
[19]
的研究中可知 ZNSSD 与
ZNCC 相比具有更高的优化效率。本文选择 ZNSSD 作为 DIC 的相关系数进行匹配计算,其
表达式为
CZNSSD=∑i=−MM∑j=−MM⎡⎣⎢⎢f(xi,yj)−f−∑i=−MM∑j=−MM[f(xi,yj)−f−]2√−g(x'i,y'j)−g−∑i=−MM∑j=−MM[
g(x'i,y'j)−g−]2√⎤⎦⎥⎥2,(1)CZNSSD=∑i=-MM∑j=-MMf(xi,yj)-f-∑i=-MM∑j=-MMf(xi,yj)-f-2-
g(x'i,y'j)-g-∑i=-MM∑j=-MMg(x'i,y'j)-g-22,(1)
式中:f(x
i
,y
j
)为参考子区中像素点的灰度值;g(x'
i
,y'
j
)为变形子区中像素点的灰度值;2M+1 为子
区边长 ; f−f-和 g−g-分别为参考子区和变形子区的灰度平均值,其计算公式分别为
f−=1(2M+1)2∑i=−MM∑j=−MMf(xi,yj),(2)g−=1(2M+1)2∑i=−MM∑j=−MMg(x'i,y'j)
。
(3)f-
=1(2M+1)2∑i=-MM∑j=-MMf(xi,yj),(2)g-=1(2M+1)2∑i=-MM∑j=-MMg(x'i,y'j)。(3)
以上相关系数计算方式有较好的稳健性及准确性,满足实际测量需求
[20]
。
2.2 刚体运动位姿测量原理
2.2.1 位姿求解原理
如图 2 所示,设 p
i
为运动刚体表面的一个计算点,运动坐标系 O(0)mOm(0)X
m
Y
m
Z
m
为随被测
物运动的运动坐标系,坐标系原点 O
m
建立在被测物表面的几何中心点处,则 t 时刻运动坐标
系可表示为 O(t)mO(t)mX
m
Y
m
Z
m
,p
i
在任意时刻下于当前的运动坐标系中位置不变。建立世
界坐标系 O
w
X
w
Y
w
Z
w
。假设运动坐标系从初始位置 L
0
开始随目标运动至 t 时刻的位置 L
t
处,
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