基于双像机的不稳定测量平台静基准转换技术研究

论文摘要

测量设备中的基座是支撑其上测量仪器的基础,在多种因素的综合作用下容易产生俯仰、横滚、偏航等姿态的随机变化,从而成为不稳定测量平台。由于这种测量平台不稳定性的存在,使得其上仪器的测量结果加入了平台晃动引起的误差,降低了测量精度,制约了这类测量设备的广泛应用。针对在不稳定测量平台上进行高精度测量这一类问题,本文提出了一种基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法,其基本原理是将双摄像机固连在不稳定测量平台上,拍摄地面上作为静态基准的参考标志物,分析得到测量平台相对于基准的位置姿态变化,据此对其上仪器的测量结果进行误差修正,从而消除测量平台的不稳定误差,达到高精度测量的目的；设计了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换系统方案；分析了像机初始对准角度误差的影响；重点研究了系统实现所涉及的关键技术——参考标志物的制作以及图像特征点亚像素跟踪定位技术、基于GPS OEM板时间码的数据误差修正系统时统方法研究；最后验证了系统设计方案的可行性和正确性。论文的主要工作包括：1、分析了目前精密测量工程领域对不稳定测量平台静基准转换技术的需求现状,介绍了常见的姿态测量方法。2、研究了基于双像机的不稳定测量平台静基准转换的方法,分析了像机初始对准角度误差的影响,与基于单像机的不稳定测量平台静基准转换方法进行了比较。3、根据基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法原理,设计了系统的总体方案,分别从软件和硬件两方面对系统做了详细的介绍,分析了系统实现所涉及的关键技术。4、分析了光源设计所要考虑的四个要素,制作了基于LED的十字丝参考标志物并实现了参考标志物图像特征点的亚像素跟踪定位。5、提出了基于GPS OEM板时间码数据误差修正系统时统方法,研究了GPSOEM板授时原理,实现了GPS OEM板与计算机的串口通信,研究了CPU高精度计时原理。实验数据验证了本文提出的基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法的可行性、稳定性和精确性,可应用于工程领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 陀螺仪测角
• 1.2.2 GPS载波相位差分法
• 1.2.3 CCD激光自准直仪
• 1.2.4 其它方法
• 1.3 摄像测量方法
• 1.4 论文主要结构及内容安排
• 1.4.1 论文主要结构
• 1.4.2 论文主要内容
• 1.5 小结
• 第二章 基于双像机的不稳定测量平台静基准转换方法
• 2.1 方法概述
• 2.1.1 坐标基准
• 2.1.2 原理介绍
• 2.2 像机姿态测量
• 2.2.1 像机平移运动
• 2.2.2 像机旋转运动
• 2.3 测量误差修正
• 2.4 初始对准角度误差影响分析
• 2.5 单、双像机静基准转换区别
• 2.5.1 单像机静基准转换原理
• 2.5.2 二者差异
• 2.6 小结
• 第三章 系统方案设计
• 3.1 系统设计的目的
• 3.2 系统设计的要求和指标
• 3.2.1 总体要求
• 3.2.2 总体指标
• 3.3 系统方案构思
• 3.3.1 系统功能要求
• 3.3.2 系统的整体布局
• 3.4 系统方案总体设计
• 3.4.1 硬件系统简介
• 3.4.2 软件系统简介
• 3.5 关键技术
• 3.5.1 参考标志物的制作以及特征点跟踪定位技术
• 3.5.2 基于GPS OEM板的误差修正系统时统方法
• 3.5.3 摄像机的标定
• 3.6 小结
• 第四章 参考标志物的制作与特征点跟踪定位方法研究
• 4.1 光源的作用
• 4.2 光源的基本知识
• 4.2.1 自然光源与人工光源
• 4.2.2 直射光与散射光
• 4.2.3 前景光与背景光
• 4.2.4 LED光源
• 4.3 光源的设计要求
• 4.3.1 光谱特性
• 4.3.2 光照度
• 4.3.3 光源稳定性
• 4.3.4 光照的均匀性
• 4.4 参考标志物的制作
• 4.4.1 参考标志物的形状
• 4.4.2 参考标志物的尺寸
• 4.4.3 参考标志物的设计
• 4.5 十字丝特征点高精度跟踪定位技术
• 4.5.1 方形孔径采样定理
• 4.5.2 特征点跟踪定位原理
• 4.5.3 实验数据
• 4.6 小结
• 第五章 基于GPS OEM板数据误差修正系统时统方法研究
• 5.1 GPS OEM板授时原理
• 5.1.1 基本原理
• 5.1.2 串行时间数据解析
• 5.2 GPS OEM板触发串口实现时间同步
• 5.2.1 串口通信概念
• 5.2.2 计算机与GPS OEM板串口通信
• 5.2.3 在VC环境下实现脉冲及时间的提取
• 5.2.4 高精度计时原理
• 5.2.5 时间统一的实现
• 5.2.6 精度分析
• 5.3 小结
• 第六章 模拟实验
• 6.1 实验准备
• 6.1.1 实验器材
• 6.1.2 支架稳定性误差分析
• 6.2 实验方案
• 6.2.1 估算误差模型
• 6.2.2 随机误差测量实验
• 6.2.3 系统误差测量实验
• 6.2.4 修正误差测量实验
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 随机误差
• 6.3.2 系统误差
• 6.3.3 静态修正误差
• 6.3.4 动态修正误差
• 6.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间所取得的学术成果