基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统

1.基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，由仿真计算子系统1(1)、仿真计算子系统2(2)、景像基准图数据库(3)、6自由度机械臂子系统(4)、摄像子系统(5)和大屏幕投影子系统(6)组成；其特征在于：所述的仿真计算子系统1(1)和仿真计算子系统2(2)是两台具有网口、PCI接口和VGA接口的普通PC机或工控机，仿真计算子系统1(1)用于匹配区选取和航迹规划、人机交互参数设置、控制指令发出、数据采集、匹配计算和结果显示及输出，仿真计算子系统2(2)用于投放景像基准图；景像基准图数据库(3)是由测绘部门或专业制图机构提供的正摄影像图；6自由度机械臂子系统(4)主要由控制柜(7)、底板(8)、底座(9)、机械臂(10)和法兰(11)组成，控制柜(7)根据仿真计算子系统1(1)的运动指令，驱动伺服电机控制机械臂(10)运动，并将运动信息反馈给仿真计算子系统1(1)，底板(8)起到稳定的作用，底座(9)用于调整机械臂(10)的高度，法兰(11)和机械臂(10)的T轴固联；摄像子系统(5)由CCD相机(12)和图像采集卡(13)组成，CCD相机(12)固联在6自由度机械臂子系统中的法兰(11)，并对准投影幕采集，图像采集卡(13)将数字化的图像传送到仿真计算子系统1(1)中；大屏幕投影子系统(6)由投影机(14)和投影幕(15)组成，仿真计算子系统2(2)利用投影机(14)将景像基准图投放到投影幕(15)上，供摄像子系统(5)中的CCD相机(12)采集。
2.基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统的工作方法，所述6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统由仿真计算子系统1(1)、仿真计算子系统2(2)、景像基准图数据库(3)、6自由度机械臂子系统(4)、摄像子系统(5)和大屏幕投影子系统(6)组成；其特征在于：仿真计算子系统1(1)调入景像基准图数据库(3)中的景像基准图，并利用匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和航迹数据，包括航迹的位置、匹配区的大小、匹配区的位置和基准图分辨率数据；摄像子系统(5)中的CCD相机和6自由度机械臂子系统中机械臂(10)的T轴固联；仿真计算子系统1(1)根据机械臂运动模型控制6自由度机械臂子系统(4)中的机械臂运动，并带动摄像子系统(5)中的CCD相机一起运动，并实时采集机械臂的运动信息，包括位置和姿态数据，以及实时图像数据；仿真计算子系统2(2)根据匹配区数据、航迹数据以及仿真计算子系统1(1)设定的载体运动速度控制大屏幕投影子系统(6)中基准图的播放速度；摄像子系统(5)中的CCD相机采集大屏幕投影子系统(6)中屏幕上的基准图像数据；仿真计算子系统1(1)根据系统逻辑对其它子系统进行时空同步处理，并完成人机交互、景像匹配计算以及结果显示和输出；通过控制实验室内的日光灯的开/关以及施放烟雾来模拟飞行环境。

基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种半实物仿真系统，特别是一种基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，完成景像匹配导航定位系统的半实物仿真，适用于地球物理场导航系统(包括地形辅助导航系统)研究。\n背景技术\n[0002] 导航技术已被广泛应用到军民用领域中，如航空、航天、医学、交通运输、机器人等等。在导航技术的理论研究、系统设计及实际应用的过程中，系统仿真是必备的环节。仿真技术具有很高的科学价值，且可节约研发成本，其中半实物仿真技术具有承上启下的特点，是从理论研究到实际应用的一个过渡过程。在导航系统的研制过程中，半实物仿真是仅次于飞行实验的权威实验鉴定方法。在飞行器导航系统设计、定型过程中，都要依靠仿真实验，进行修改和完善。\n[0003] 由于现代战争对飞行器的可靠性和精确制导武器的命中精度提出了更高的要求。\n单纯依靠惯导系统很难满足要求，因此必须引入其它的导航系统来提高系统的精度和可靠性，其中具有自主性的景像匹配(Scene Matching，SM)技术是常用技术之一。欧美等先进国家早已使用景像匹配技术取得了巨大的经济和军事效益。从海湾战争、科索沃战争和伊拉克战争中可以看出景像匹配技术可以大大提高精确制导武器的命中精度、战术飞机的精确定位和精确对地攻击精度以及无人侦察飞机的精确导航与定位精度。此外，景像匹配技术还被用于实现太空船精密着陆。在民用方面，景像匹配导航技术也可以带来巨大的经济效益，移动机器人导航和智能车辆导航也都需要景像匹配技术。在当前的严峻形式下，特别是在北斗卫星导航系统尚未建成的情况下，我国应大力发展景像匹配技术，以提高我国军用飞机的导航定位精度和精确对地攻击精度。\n[0004] 现在国内已将景像匹配技术成功用于精确制导武器上，但是以多次试飞实验为代价的，1次试飞实验的成本约200万人民币，且研发和实验周期很长。为加快景像匹配技术在航空、航天等领域的应用，降低研发成本，缩短研发周期，采用景像匹配半实物仿真系统模拟实际的试飞环境进行实验具有重要意义。本发明采用6自由度机械臂、大屏幕投影、摄像机、灯光和烟雾施放、景像匹配基准图数据库以及软件相结合的方法实现景像匹配半实物仿真，可以进行实时动态的模拟。\n发明内容\n[0005] 现有景像匹配研究技术的不足之处在于：①纯计算机仿真，不能模拟真实的飞行状态和飞行环境，试飞实验成本高。②采用沙盘的景像匹配半实物仿真系统，沙盘更换周期长，费用高，且占空间。\n[0006] 本发明要解决的技术问题是：克服现有研究景像匹配技术的不足，提供一种数字化程度高、可扩展性强，且能够模拟景像匹配真实工作过程的半实物仿真系统——基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统。\n[0007] 本发明采用的技术方案是：基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，其特征在于：由仿真计算子系统1、仿真计算子系统2、景像基准图数据库、6自由度机械臂子系统、摄像子系统和大屏幕投影子系统组成。基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统的工作方法，其特征在于：仿真计算子系统1调入景像基准图数据库中的景像基准图，并利用匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和航迹数据，包括航迹的位置、匹配区的大小、匹配区的位置和基准图分辨率数据；摄像子系统中的CCD相机和6自由度机械臂子系统中机械臂的T轴固联；仿真计算子系统1根据机械臂运动模型控制6自由度机械臂子系统中的机械臂运动，并带动摄像子系统中的CCD相机一起运动，并实时采集机械臂的运动信息，包括位置和姿态数据，以及实时图像数据；仿真计算子系统2根据匹配区数据、航迹数据以及仿真计算子系统1设定的载体运动速度控制大屏幕投影子系统中基准图的播放速度；摄像子系统中的CCD相机采集大屏幕投影子系统中屏幕上的基准图像数据；仿真计算子系统1根据系统逻辑对其它子系统进行时空同步处理，并完成人机交互、景像匹配计算以及结果显示和输出；通过控制实验室内的日光灯的开/关以及施放烟雾来模拟飞行环境。\n[0008] 利用6自由度机械臂的运动模拟飞行器的真实运动状态，利用大屏幕投放基准图图像并控制图像的运动模拟飞行器的相对运动，利用摄像机拍摄屏幕上运动的图像，并通过控制灯的开/关和施放烟雾模拟真实的飞行条件，得到叠加了各种噪声的实时图数据，并利用仿真计算子系统进行匹配计算，完成景像匹配半实物仿真系统。\n[0009] 本发明能够取得如下技术效果：①采用6自由度机械臂、大屏幕投影、摄像机、景像基准图数据库和灯光及烟雾模拟景像匹配系统，具有真实误差特性；②利用匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和任意航迹数据，不需进行飞行器搭载，实现景像匹配半实物系统；③能按预先轨迹和特定基准图像，完成景像匹配半实物系统实时动态模拟，而且可通过更换景像基准图数据库中的基准图实现任意地区的景像匹配半实物仿真，具有很强的通用性和扩展性；④实现的景像匹配半实物仿真系统结构简单且成本较低。\n附图说明\n[0010] 图1为本发明的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统结构示意图；\n[0011] 图2为本发明的6自由度机械臂子系统的组成结构图；\n[0012] 图3为本发明的摄像机子系统的组成结构图；\n[0013] 图4为本发明的大屏幕投影子系统的组成结构图；\n[0014] 图5为本发明的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真原理图；\n[0015] 图6为本发明的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统软件的结构图；\n[0016] 图7为本发明的利用6自由度机械臂模拟飞行器运动的几何模型；\n[0017] 图8为本发明的基于6自由度机械臂景像匹配半实物仿真系统的工作流程图。\n[0018] 图中标号及符号说明如下：\n[0019] θ——镜头作圆锥运动的圆周角；\n[0020] l——镜头焦点与屏幕中心点的垂直距离；\n[0021] R——为圆锥运动在屏幕上产生圆轨迹的半径；\n[0022] α——模拟飞行的偏航角；\n[0023] β——模拟飞行的俯仰角。\n具体实施方式\n[0024] 如图1和图5所示，本发明由仿真计算子系统1(1)和仿真计算子系统2(2)、景像基准图数据库(3)、6自由度机械臂子系统(4)、摄像子系统(5)和大屏幕投影子系统(6)组成，仿真计算子系统1(1)调入景像基准图数据库(3)中的景像基准图，并利用匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和航迹数据，包括航迹的位置、匹配区的大小、匹配区的位置和基准图分辨率数据，通过网络将这些数据及飞行器飞行速度(通过人机界面设定)发送给仿真计算子系统2(2)，仿真计算子系统2(2)控制景像基准图的滚动速度，并投影到大屏幕上，仿真计算子系统1(1)根据机械臂运动模型(如图7所示)控制机械臂(10)运动，制机械臂(10)带动CCD摄像机(12)运动，并分别通过控制柜(7)和图像采集卡(13)将机械臂的运动信息和实时图像信息采集仿真计算子系统1(1)中，进而完成匹配计算、结果显示和输出。\n[0025] 如图6所示，半实物仿真系统的软件采用了模块化设计思想，包括：界面模块、软件主控模块、I/O模块、匹配算法模块、界面资源模块、和硬件资源模块。界面模块和界面资源模块完成用户界面功能实现，包括一些对话框和绘图功能；软件主控模块主要控制软件的流程，包括用户交互逻辑控制及判断、各模块接口控制、数据交互及数据有效验证、数据处理流程、结果实时显示及保存等，并通过对话框面板接收系统和用户消息，对用户指令进行响应，完成仿真流程控制；I/O模块包括BMP/JPEG图像处理库和INI文件处理模块，主要根据用户设置加载数据库中相应图像等数据资源，并按照相应格式进行分析加载数据；匹配算法模块，包括图像处理算法模块、匹配算法模块、匹配算法集成模块和航线匹配模块。\n图像处理算法模块主要集成了景像匹配所涉及到的图像预处理算法；匹配算法模块对景像匹配常用算法进行了封装，包括平均绝对差算法、交叉相关算法、最小二乘、贝叶斯等算法；\n匹配功能模块集成了景像匹配最顶层的控制模块：粗匹配、精匹配、纯计算机仿真时的实时图模拟；航线匹配模块是飞行时全航线匹配的控制模块；硬件资源模块含图像采集模块和机械臂控制模块，主要完成对机械臂的控制以及对图像采集的控制。对图像采集的控制是通过对图像采集卡底层驱动进行二次开发实现对图像采集的控制。机械臂的控制是通过建立飞行器的运动状态模型，按照模型来控制机械臂的运动。\n[0026] 如图8所示，景像匹配半实物仿真的具体步骤为：①初始化化飞行器模拟参数，并生成匹配区数据和航迹规划数据；②系统工作后，机械臂运动，大屏幕滚动，摄像机实时采集图像；③根据同步信号采集机械臂的位置信息、实时图像信息，并利用仿真计算子系统完成景像匹配计算、显示和结果输出；④在仿真过程中，可人为开/关日光灯和施放烟雾，模拟实际飞行的气象条件对匹配精度的影响。\n[0027] 如图2所示，6自由度机械臂子系统(4)主要由控制柜(7)、底板(8)、底座(9)、机械臂(10)和法兰(11)组成。底板(8)、底座(9)、机械臂(10)和法兰(11)依次固联，底板(8)起到稳定的作用，底座(9)用于调整机械臂(10)的高度，法兰(11)用于固定CCD摄像机(12)。系统上电后，仿真计算子系统1(1)利用6自由度机械臂模拟飞行器运动的几何模型产生机械臂运动控制信号，并利用网口将控制信号传送给控制柜(7)，控制柜(7)驱动伺服电机控制机械臂的运动，并将机械臂运动的信息反馈给仿真计算子系统1(1)，包括机械臂运动的位置和姿态数据。\n[0028] 如图3所示，摄像子系统(5)由CCD相机(12)和图像采集卡(13)组成，CCD相机(12)固联在法兰(11)上，并对准大屏幕(15)采集，图像采集卡(13)利用PCI接口与仿真计算子系统1(1)进行通信，将实时图像采集到仿真计算子系统1(1)中。\n[0029] 如图4所示，大屏幕投影子系统(6)由投影机(14)和投影幕(15)组成。仿真计算子系统2(2)利用VGA线与投影机(14)进行通信，根据仿真计算子系统1(1)发出的同步信号，将景像基准图像投影到大屏幕(15)上。\n[0030] 本发明仿真计算子系统1(1)和仿真计算子系统2(2)可用普通PC机或工控机实现，包括串行口、IDE硬盘接口、PCI总线接口、键盘和鼠标接口、VGA显示和LCD显示接口等。