大量程高精度三维姿态角测量系统设计 .pdfVIP

学兔兔 第34卷 第6期 仪 器 仪 表 学 报 Vo1．34No．6 2013年 6月 ChineseJournalofScientificInstrument Jun．2013 大量程高精度三维姿态角测量系统设计冰 江 洁 ，王英雷，王昊予 (北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室 北京 100191) 摘 要：基于针孔成像和双矢量定姿原理，设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法。根据系统 要求设计双基准平行光源，采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通 信，通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量 ，根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵，得到三维姿态 角；根据针孔成像模型，建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型，对测量系统进行标定，标定结果和测量实验表明，三维姿态 角测量系统的视场范围达到 19．6。×19．6。，俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9．9”、9．3、80．2”。 关键词：姿态敏感器；视场；姿态角；三轴姿态确定 中图分类号：TM930．12 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：420．40 Design oflargeFOV highprecisionthree-dimensionalattitude anglemeasurementsystem JiangJie，WangYinglei，WangHaoyu (KeyLaboratoryofPrecisionOpto—mechatronicsTechnology，BeihangUniversity，Beijing100191，China) Abstract：BasedonpinholeimagingandTRIADprinciples，anewmethodoflargeFOV (fieldofview)highpreci— sionthree—dimensionalattitudeanglemeasurementwasdesignedusingasingleCMOSimagesensor．Thedualparallel collimationlightsourceisdesignedaccordingtothedemandofthemeasurementsystem．A singleFPGA isusedto implementimagesensorimaging，spotsegmentation，spotcentroidpositioningandrapidcommunicationwiththeUSB． Thedirectionvectorsoftwoparallelcollimationbeamsarecalculatedaccordingtothecentroidcoordinatesofthe spots．TherotationmatrixoftheattitudesensoriscalculatedbasedonTRIAD theoryandthe3Dattitudeangleisob— tained．Accordingtothepinholeimagingmodel，theinternal andexternalparameterunitedcalibrationmodelofthe attitudesensorisestablished，andthemeasurementsystem iscalibrated．Calibrationandexperimentmeasurementre- suitsshow thatthefieldofview ofthe3Dattitudeanglemeasuringsystem is19．6。×19．6。andtheprecisionsofthe pitch，