基于单目视觉的风洞模型位姿传感系统

李念语 吴新泉 袁沛霖 金海琪 宋弘毅

(南京航空航天大学计算机科学与技术学院,江苏南京 210000)

基于单目视觉的风洞模型位姿传感系统

李念语 吴新泉 袁沛霖 金海琪 宋弘毅

(南京航空航天大学计算机科学与技术学院,江苏南京 210000)

为了给飞控计算机的控制提供参考,本文研究并编写了一个基于单目视觉的判别风洞模型位姿的软件系统,在风洞模型中,带动力的飞机模型自主稳定飞行,通过控制律,控制模型相对于地面静止,飞机模型的六个自由度全部解开。在飞机模型上放置多个LED标记点,位于模型上方的CCD工业相机对模型进行连续拍摄,通过动态链接库访问CCD的图像数据并将图像数据实时地传回上位机处理,通过C/C++编写上位机软件,实现识别算法以及位姿解算算法来获取模型的空间位置和姿态信息。

单目视觉 风洞 飞机模型 位姿判别 传感系统

In order to provide a reference for later flight control computers, the study has studied and written a software system which could discriminate the position and orientation of wind tunnels model based on monocular vision. An aircraft model with driving force is able to fly stably and autonomously in the wind tunnel. By control-law, the aircraft model stays static relative to the ground, unlocking all six degrees of freedom. Multiple LED marked points are placed on the aircraft model. The CCD industrial camera model at the top of the model continuously captures the image and returns real-time image data to an upper computer with a dynamic link library. The free-flight trials system can get the spatial position and altitude information of the aircraft model through the use of upper computer software with C/C++ language, achieving identification algorithms, as well as position and orientation solver algorithms.

Monocular vision wind tunnel aircraft model attitude determination sensing systems

1 引言

近年来，随着计算机技术和图像处理技术以及数字视频器件的发展，计算机机器视觉与视觉检测在许多领域得到了广泛应用[1]：如机翼表面油流试验、压敏漆表面压力测量、模型变形测量、投放试验、非接触位移测量等．另外在工业检测[2]中应用更加广泛，如流水线工件自动检测、大型复杂曲面的三维检测、大型工件平行度和垂直度测量、字符识别、医学图像分析、未来外星车导航[3]等等。在现代自动化生产过程[4]中，机器视觉系统广泛地应用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。同时，机器视觉与视觉检测技术逐步发展为使用视频测量技术(Videogram-metric Technique)[5]，该技术在风洞测量[6][7]这种要求非侵入式测量中具有无可比拟的优势，因此在风洞测量中得到了大量应用。目前虽然我国利用CCD图像传感器设计出车牌识别[8][9]等系统，逐步开始了工业现场的应用[10]，但是我国该技术起步较晚，应用领域真正高端的不多。本文，将机器视觉技术应用于基于单目视觉的风洞模型位姿传感系统，提供了另一种获取飞机空间位置信息研究飞机位姿的方法。扩展了该技术的应用领域，填补了国内机器视觉技术发展的空白，顺应了时代发展的潮流。

2 风洞模型及其工作原理

常规风洞试验一般将模型固定在支架上，支架上装有天平测力系统，可以带动模型在一定自由度内运动。但其显著缺点是支架对模型周围的流场存在干扰，同时模型自由度受到约束。常规风洞试验如图2．1。

而风洞模型自由飞技术不限制模型自由度，没有支架干扰，可以最大程度的模拟飞机在大气中飞行的环境。本系统中引入机器视觉技术，通过设计控制律，使模型相对于地面静止，在模型上放置多个LED标志物，通过CCD摄像机识别，推算模型的姿态或空间位置。如图2．2。

3 相机接口实现

飞行器位姿识别属于典型的机器视觉技术范畴，机器视觉技术是依靠图像摄取装置将摄取目标转换为图像信号，并将该信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作的先进技术。

图像采集是机器视觉技术的两大技术核心之一，由于既需要优质的图像质量，又需要高效的图像采集速率，当下普遍使用CCD相机(Charge-coupled Device)对摄取目标进行图像采集。

图 2.1

图2.2 水平风洞模型自由飞实验系统

CCD相机本质上是一种半导体器件，能够将普通的光学影像转化为特殊的数字信号，C C D上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。一般而言CCD相机获取的图像为RGB图像，也就是说每一个像素都由红(R)绿(G)篮(B)三个成分组成，来表示RGB色彩空间中的一个点。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

相机摄取的光学影像转换成的数字信号，通过相机的驱动程序可储存到计算机的存储器当中。利用相机提供的接口配置好计算机的工程环境可以通过编写开程序代码对相机进行操作控制，接口一般分为两大类，一是主功能接口，具体功能包含摄像机开启关闭、采集图像、控制摄像机等具体操作，包含文件 GxIAPI．h，动态链接库GxIAPI．dll，静态链接库 GxIAPI．lib二是图像处理接口，包含数据转换等功能操作。利用这些接口便可编写相应的代码实现之后的位姿识别算法，包含文件 DxImageProc．h，动态链接库 DxImageProc．dll，静态链接库 DxImageProc．lib。

上述应用接口库支持32位编程开发工具Microsoft Visual C/C++。使用C/C++编程工具，用户应在程序中调用相关的包含文件（．h），并将静态链接库（．lib）文件加入到工程文件中，供编译程序在链接（Link）时使用。

完成上述准备工作之后，便可采集图像并根据编写的程序对图像进行进一步处理，其具体采集流程如图3．1。

4 识别算法及其原理

通过CCD相机读取到的图像以类似矩阵的数据类型存储在计算机中，其中黑暗环境的亮度值较低，其数据结构中的标记位会被标记为0，而发光光源部分亮度值较高，其数据结构中的标记位会被标记为1。其模型类似图4．1，其中每一格代表一个像素点。

该算法从矩阵首行首列开始，由左至右，由上至下开始进行遍历搜索，每当搜索到亮点（标记位为1的像素点），就对该点进行以该点为中心，依次按照上，右上，右，右下，下，左下，左，左上的优先顺序进行搜索判断，若相邻点也为1，则对该相邻点继续扩展搜索，直至将所有相邻的亮度点全部搜索完毕，之后将所有被搜索到的点标记为ACCESS，防止下次搜索重复计算，若此次扩展搜索获得的亮点总数超过设定值（本程序默认设置为200，可修改）则判定此处为亮点。按照上述方法将全图遍历完成后，便可求得全图所有亮度点。搜素伪代码如下。

图 3.1

1代表亮点

5 位姿判别算法

参考六自由度头部跟踪算法[11][12]，以四个LED灯所标记的点所在平面为，即飞机为辐射坐标系()，令CCD摄像机摄像坐标系代表风洞的坐标系()，CCD的成像面当成图像坐标系（，）。因此，判断飞机模型的姿态可以转化为分析辐射坐标系对于风洞坐标系的位置关系。由此可求得位姿信息，方位角α，滚转角β，偏航角。

辐射坐标系和摄像坐标系的变换关系为

而矩阵H的表达式

采用小孔成像模型，像点坐标(，)为：

其中i=A，B，C，D，代表所获取飞机模型上的4个LED灯的信息。综合上述公式，进行等量代换

假设4个LED灯构成的正方形对角线长度为2L，则4个LED灯在辐射坐标系下的坐标为A（0，L，0），B（L，0，0），C（0，-L，0），D（-L，0，0）带入前式，可知每个LED对应2个方程：

设：

根据以上两式转化这6个中间变量，然后联系转换矩阵H，便可求得位姿角：

6 Labview接口设计

飞控计算机的系统状态实时显示程序采用LabView开发，便于模型状态数据的记录，飞控参数的调整。位姿信息最终作为输入数据传送到系统状态实时显示程序，程序对输入的位姿信息做进一步处理。

不同的位姿信息传送方法对实时性的影响相差较大，因此，选择高效的数据传送方法至关重要。本项目拟采用LabView调用动态链接库的方法来实现数据传送。

将获取位姿信息源代码编译生成动态链接库文件，然后将文件加载至LabView项目中，通过调用动态链接库的接口函数来获取位姿信息数据，达到快速通讯的目的。

7 结语

风洞模型自由飞技术是空气动力学领域一项先进的测试技术，可以模拟飞机复杂的飞行动作，这项技术实现的关键之一是姿态测量。

本文针对通过飞机模型有限个标志亮点来获取模型位姿信息并传送至上级处理系统的方法进行了详细的讨论。通过对飞机模型姿态与模型上有限个亮点的位置信息的关系进行分析，给出了实时位姿信息获取系统的构造思想。该系统提供实时的飞机模型位姿信息，为飞控计算机对模型的控制提供参考依据。

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