基于图像反馈的角度测量系统集成研究

论文摘要

惯性导航是利用惯性敏感器的测量信息来获得运载体位置、速度、姿态和航向的导航方法。惯性导航系统主要由惯性测量装置、计算机和导引头组成,惯性测量装置用于测量飞行器的运动参数,导引头则给出目标位置信息,计算机负责控制运载体的运动。在惯性导航系统中,由于导引头是固联在惯性导航装置上的,导引头和惯性导航装置具有同样的姿态,即把导引头坐标系与惯性导航装置坐标系认为是平行的,导引头把目标对象的信息传送到导航系统中计算机进行处理,惯性导航装置把测量出的运载体的姿态信息传入计算机中,计算机对这两组数据进行分析处理,判断运载体与目标对象的偏差,从而控制运载体调整姿态按照预定的路线运动。但由于导引头与惯性测量装置之间存在一个安装误差角,导引头的姿态并不代表惯性测量装置的姿态信息,计算机在比较运载体和目标对象姿态信息时会出现控制误差,这样会影响惯性导航的精度。虽然惯性导航系统的总体误差是由许多小的误差叠加而成的,但是,如果能够测量出这个系统误差,在控制时进行误差补偿,就会提高惯性导航系统的精度,这也有利于对其他误差来源进行修正和补偿。因此,设计一种用来测量导引头坐标系和惯性导航装置坐标系之间的安装误差角的角度测量系统是非常有必要的,这不仅有利于提高我国惯性导航精度水平,还对国防建设具有重大意义。随着科学技术的进步和不断发展,角度测量技术越来越向光学测量的方法靠拢,同时,数字图像处理技术也获得了长足的发展,其应用领域几乎涉及到了社会生活中的各个方面。因此,把图像处理分析技术应用于光测领域,将极大地提高光测技术的测量精度、速度、自动化程度,并将大大扩展光测技术的测量范围和领域。另外,光测技术也展现了其模块化的结构特征,按照功能可以划分为各个子模块。光测系统的设计大部分任务是对子功能模块的集成,正是基于这样的工程及技术背景,课题开展了基于数字图像反馈的角度测量系统集成研究。本文以角度测量系统的集成为研究对象,重点研究了在系统集成过程的问题。其内容主要包括角度测量系统的整体结构描述,系统自动调整方法及图像信息提取方法的详细研究,以及角度测量系统的控制软件的实现,最后将试样安装在所集成的角度测量系统上,对系统进行了精度检测试验,验证了测量系统的功能完整性和可靠性。全文共分为七章,主要章节安排如下:第一章绪论部分,论述了角度测量技术和数字图像处理技术的发展及现状,并对本课题的研究背景、研究意义,以及研究内容做了阐述。第二章介绍了系统的测量原理,描述了角度测量系统的整体方案,对系统划分了功能层次,给出角度测量系统的总体结构图,同时提出了角度测量系统的软硬件构成。第三章对当前的图像信息提取方法进行了比较分析,并在此基础上得出了适用于系统的十字光标中心点信息提取方法和多点拟合成圆的方法。第四章介绍了角度测量系统的自动调整方法,描述了系统的控制对象,分别对反射镜和平行光管的自动调整方法进行了详细研究。第五章对角度测量系统进行了软件需求分析,采用面向对象的设计思想对系统进行统一设计,实现了软件复用,完成了软件的模块化开发。第六章在所研发的角度测量系统上,对被测对象进行了测试,验证了角度测量系统的功能完整性和可靠性,以及光测系统的模块化集成方法的可行性和实用性。第七章对全文进行了总结和回顾,并对将来的工作确定了研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 角度测量技术的发展及现状
• 1.2 数字图像处理技术发展及现状
• 1.3 课题的研究背景和意义
• 1.4 课题主要研究内容
• 第二章 角度测量系统的总体结构
• 2.1 角度测量系统的测量原理介绍
• 2.2 角度测量系统的功能分析
• 2.2.1 三轴转台控制系统
• 2.2.2 步进电机驱动系统
• 2.2.3 CCD驱动系统
• 2.2.4 角度测量通讯系统
• 2.3 角度测量系统的总体结构
• 第三章 图像信息提取方法的研究
• 3.1 图像的数字化
• 3.1.1 采样
• 3.1.2 量化
• 3.2 十字光标中心坐标提取方法的研究
• 3.2.1 坐标信息提取方法的比较研究
• 3.2.2 采用的十字光标中心信息提取方法
• 3.3 拟合圆圆心坐标提取方法的研究
• 3.3.1 拟合方法研究
• 3.3.2 圆拟合点个数仿真
• 第四章 角度测量系统的调整方法研究
• 4.1 角度测量系统的控制对象
• 4.2 反射镜调整方法的研究
• 4.2.1 调整前的光标搜索
• 4.2.2 调整过程中防止光标脱离视场
• 4.2.3 反射镜调整的公式计算法
• 4.2.4 反射镜调整的闭环控制方法
• 4.3 平行光管调整方法的研究
• 4.3.1 平行光管调整的公式计算法
• 4.3.2 平行光管调整的闭环控制方法
• 第五章 角度测量系统软件实现
• 5.1 角度测量系统软件需求分析
• 5.1.1 软件需求分析概要
• 5.1.2 角度测量系统软件需求实现
• 5.2 角度测量系统软件功能定义
• 5.3 测量系统软件功能实现
• 5.3.1 测量系统软件各模块实现
• 5.3.2 测量系统软件的异常处理
• 第六章 角度测量系统精度检测试验
• 6.1 精度检测试验算法
• 6.1.1 求取惯性测量坐标系与转台坐标系的角度关系
• 6.1.2 求取导引头坐标系与转台坐标系的角度关系
• 6.1.3 求取导引头坐标系与惯性测量坐标系的角度关系
• 6.2 系统精度检测试验
• 6.2.1 试验步骤
• 6.2.2 数据处理
• 6.2.3 实验算法实现
• 6.2.4 实验结果
• 6.3 验证性检测试验
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢