基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统
专利汇可以提供基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于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、6自由度机械臂子系统、摄像子系统和大屏幕投影子系统等 硬件 系统，以及景像基准图 数据库 、景像匹配 软件 、匹配区选取及航迹规划软件和机械臂运动模型模拟飞行 姿态 的相关软件组成。使用6自由度机械臂、摄像机、大屏幕投影和机械臂运动模型来模拟景像匹配的实际工作过程，仿真计算机采用普通的PC机，匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和轨迹数据，系统的动态特性利用机械臂运动模型和大屏幕投影来完成，系统主要误差(光照和烟雾)通过控制日光灯的开/关和施放烟雾来模拟，在仿真计算机中完成对实时图像的采集、机械臂的控制、投影速度的控制和匹配计算，完成景像匹配半实物仿真系统。本系统真实模拟了景像匹配的实际工作过程和误差，实验结果对景像匹配工程样机的研制及其应用具有重要意义，可替代实际研发过程中的试飞实验过程，极大地提高了研制效率，降低了研制成本，具有重大的经济价值和推广价值。，下面是基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统专利的具体信息内容。
1、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(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。
2、根据权利要求1所述的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，其特 征在于：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，并将运动信息返回给仿真 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)， 并对准大屏幕子系统采集，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大屏幕(15)上，供摄像子系统(5) 中的CCD相机(12)采集。
3、根据权利要求1所述的基于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(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。
技术领域
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。
背景技术
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。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。
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。
发明内容
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。
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。
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。
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。
附图说明
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；
图2为本发明的6自由度机械臂子系统的组成结构图；
图3为本发明的摄像机子系统的组成结构图；
图4为本发明的大屏幕投影子系统的组成结构图；
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；
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；
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；
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。
图中标号及符号说明如下：
θ——镜头作圆锥运动的圆周角；
l——镜头焦点与屏幕中心点的垂直距离；
R——为圆锥运动在屏幕上产生圆轨迹的半径；
α——模拟飞行的偏航角；
β——模拟飞行的俯仰角。
具体实施方式
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。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；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。
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。
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。
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。
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。
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。
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