專利名稱：基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的微重力的檢測(cè)方法，特別是一種基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法。
背景技術(shù)：
自人類進(jìn)入太空以來，失重和微重力現(xiàn)象進(jìn)一步引起人們的重視，人們利用飛機(jī)、 火箭等獲得物體失重和微重力狀態(tài)，其微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)間很短，僅IOs左右，很難滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求。由于長時(shí)間的失重狀態(tài)只能在衛(wèi)星或航天器上才能得到，失重的應(yīng)用研究受到很大限制。利用衛(wèi)星、航天飛機(jī)等繞地球飛行的航天器可獲得長時(shí)間的獲得物體失重和微重力狀態(tài)，但是遠(yuǎn)沒有地面上方便；在地面產(chǎn)生短時(shí)失重和微重力狀態(tài)是沒有大的困難的， 但由于時(shí)間太短很難利用，為增加失重和微重力狀態(tài)時(shí)間，勢(shì)必需要大的行程，這樣長時(shí)間的加速運(yùn)動(dòng)必定產(chǎn)生巨大的末速度，因此，時(shí)間短、行程長，速度高是研究地面失重和微重力狀態(tài)的三個(gè)難點(diǎn)，進(jìn)一步地獲得物體的微重力及其加速度在技術(shù)上還有很大的困難。由于微重力環(huán)境和地面上不同，許多物理現(xiàn)象和物理過程都會(huì)發(fā)生定的變化，如蛋白質(zhì)的生長、材料的結(jié)晶以及液體的表面張力等，微重力環(huán)境下的這些特性，在材料加工、制藥、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)人們要利用微重力環(huán)境所帶來的種種好處之前，首先需要測(cè)量并獲得微重力環(huán)境的特性。現(xiàn)有技術(shù)中微重力加速度傳感器的研究開始于八十年代，有電容式、壓阻式、壓電式、諧振式、溫敏式和隧穿式加速度傳感器等。1992年元月份發(fā)射的國際微重力實(shí)驗(yàn)室 (IML)I號(hào)計(jì)劃，由美國宇航局(NASA)、歐聯(lián)宇航局(ESA)、加拿大空間署(CSA)、德國空間署(DARA)、法國空間研究中心(CNES)和日本空間開發(fā)局(NASDA)組成，包括美、加、口、德、 法以及英、意、瑞士、瑞典、荷蘭、丹麥、西班牙等18個(gè)國家200多位科學(xué)家。IML-I號(hào)飛行是IML整個(gè)十年計(jì)劃的第一步。它的主要目標(biāo)是利用空間微重力環(huán)境，進(jìn)行材料科學(xué)和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，探討生命形式如何適應(yīng)微重力環(huán)境，研究多種材料空間加工時(shí)的特性，從而提高地球上生命的質(zhì)量和加速對(duì)微重力的適應(yīng)。例如，利用微重力生成高質(zhì)量的蛋白晶體，來改善人類對(duì)疾病的治療；進(jìn)行對(duì)內(nèi)耳的研究，為航天員經(jīng)?；加锌臻g運(yùn)動(dòng)病提供防治措施； 對(duì)空間材料進(jìn)行加工，幫助人類提純更好的產(chǎn)品，為計(jì)算機(jī)、激光和其它高技術(shù)設(shè)備提供所需原料等。美國1991年6月在航天飛機(jī)STS-40任務(wù)中首次使用并沿用至今的SAMS加速度測(cè)量系統(tǒng)，傳感器配用Simds trand數(shù)據(jù)控制公司的QA-2000型石英撓性加速度計(jì)，可測(cè)量瞬態(tài)加速度和振動(dòng)加速度，分辨率1 μ而，系統(tǒng)總精度10 μ ；中國從20世紀(jì)80年代中期開始發(fā)展自己的空間微重力加速度測(cè)量系統(tǒng)，取得了一系列重要成果。也就是說，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)微重力研究和檢測(cè)還是通過加速度傳感器進(jìn)行的，由此檢測(cè)的結(jié)果就依賴于加速度傳感器的機(jī)制和精度。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利權(quán)人上海交通大學(xué)，專利號(hào) 2004110052606. 6，名稱平面光波導(dǎo)的微重力加速度傳感器及測(cè)量方法，該項(xiàng)發(fā)明介紹了微重力加速度傳感器及測(cè)量方法。微重力加速度傳感器的結(jié)構(gòu)為探測(cè)質(zhì)量塊通過懸臂梁同外框架固定，外層金屬膜沉積在光學(xué)玻璃板上，光學(xué)玻璃板通過螺絲固定在外框架側(cè)面，內(nèi)層金屬膜沉積在探測(cè)質(zhì)量塊上，外層金屬膜背向內(nèi)層金屬膜，并且中間保持有空氣隙。該項(xiàng)發(fā)明的借助于微重力加速度傳感器的測(cè)量方法為將激光器發(fā)射的激光入射到光學(xué)玻璃板上的外層金屬膜，當(dāng)滿足耦合條件后，光耦合進(jìn)入由外層金屬膜、光學(xué)玻璃板、空氣隙、內(nèi)層金屬膜構(gòu)成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，從外層金屬膜與空氣分界面上反射的光強(qiáng)隨著探測(cè)質(zhì)量塊與外層金屬膜的間距改變而變化，通過檢測(cè)反射光強(qiáng)度的變化量，來測(cè)量探測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)光學(xué)玻璃板位置的改變，從而實(shí)時(shí)測(cè)得加速度的大小。由此得知，上述引證文獻(xiàn)對(duì)微重力檢測(cè)也是通過加速度傳感器進(jìn)行的，由此檢測(cè)的結(jié)果就依賴于加速度傳感器的機(jī)制和精度。至今尚未發(fā)現(xiàn)有利用對(duì)航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體的視頻圖像變化來檢測(cè)微重力有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)的介紹和報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法。本發(fā)明通過多個(gè)攝像機(jī)采集物體在三維空間中的視頻運(yùn)動(dòng)信息，通過圖像信息融合處理，獲得航天器內(nèi)三維空間運(yùn)動(dòng)體的加速度，并進(jìn)一步獲得航天器微重力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括以下步驟①取微重力狀態(tài)下航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體在某一個(gè)瞬間時(shí)段采集的兩張或者兩組視頻圖像，或者采集的兩張以上或者兩組以上視頻圖像，作為微重力檢測(cè)片段用幀序列截成一幅幅圖片； ②標(biāo)注運(yùn)動(dòng)體質(zhì)心坐標(biāo)；③預(yù)估運(yùn)動(dòng)體的長度，并在質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算1個(gè)單位長度在實(shí)際長度；④通過質(zhì)心坐標(biāo)以及計(jì)算出的航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體的加速度。攝像機(jī)成像模型是對(duì)光學(xué)成像過程的簡化，即像點(diǎn)、投影中心和空間點(diǎn)三者是共線關(guān)系。本發(fā)明依據(jù)物體在受到合外力的作用會(huì)產(chǎn)生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小與合外力的大小成正比，與物體的慣性質(zhì)量成反比。航天器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)體在微重力環(huán)境下就有加速度，該微重力和加速度方向相同，是矢量式關(guān)系，并且是瞬時(shí)關(guān)系。對(duì)于繞地球作軌道運(yùn)行的航天器而言，重力僅指地球的引力，當(dāng)?shù)厍虻囊秃教炱骼@地球運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性離心力相平衡，航天器及其內(nèi)部的一切物體，都以相同的速度、加速度運(yùn)動(dòng)，相互之間沒有作用力，所有物體都表現(xiàn)不出有重量，這就是“失重”，反之就存在微重力、重力。本發(fā)明基于因存在微重力，就有加速度，物體將會(huì)移動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)的力學(xué)定理，利用可以檢測(cè)采集在某一個(gè)瞬時(shí)時(shí)間段的兩張(或者兩組)或者兩張以上(或者兩組以上)視頻圖像；發(fā)過來通過兩張(或者兩組)或者兩張以上(或者兩組以上)視頻圖像就可以獲得航天器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)體在微重力環(huán)境下的加速度的方法。本發(fā)明通過多個(gè)攝像機(jī)采集物體在三維空間中的視頻運(yùn)動(dòng)信息，通過圖像信息融合處理，獲得航天器內(nèi)三維空間運(yùn)動(dòng)體的加速度，并進(jìn)一步獲得航天器微重力。


圖1本發(fā)明使用的世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系示意圖；圖2本實(shí)施例在同步運(yùn)行軌道上檢測(cè)采集圖像示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明以下實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖1所示，本實(shí)施例在同步運(yùn)行軌道上檢測(cè)采集圖像時(shí)，取微重力狀態(tài)下航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體在某一個(gè)瞬間時(shí)段的采集兩張或者兩組視頻圖像，作為微重力檢測(cè)片段用幀序列截成一幅幅圖片；標(biāo)注運(yùn)動(dòng)體質(zhì)心坐標(biāo)；預(yù)估運(yùn)動(dòng)體的長度，并在質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算1個(gè)單位長度在實(shí)際長度；通過質(zhì)心坐標(biāo)以及計(jì)算出的航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體的加速度。所述的視頻圖像采集兩張以上或者兩組以上視頻圖像。所述的視頻圖像，，在坐標(biāo)標(biāo)定過程中選擇世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，世界坐標(biāo)系(xw，Yw，Zw)，這是用來描述攝像機(jī)的位置的參照坐標(biāo)；攝像機(jī)坐標(biāo)系(X。，Y。， Zc)以攝像機(jī)鏡頭光心0。為坐標(biāo)原點(diǎn)，x。Y。軸平行于圖像平面，Ζ。軸垂直于圖像下面，圖像坐標(biāo)系為兩維下面坐標(biāo)，4軸與圖像平面的交點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(Utl, Vtl)，即攝像機(jī)的基準(zhǔn)點(diǎn)，該點(diǎn)位于圖像平面的中心處，攝像機(jī)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)需要標(biāo)定兩個(gè)參數(shù)為攝像機(jī)鏡頭光心0。與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離就是焦距f。本實(shí)施例利用解析幾何、根據(jù)視頻圖像物點(diǎn)P的大小以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的計(jì)算即可獲得。本實(shí)施例設(shè)定在同步運(yùn)行軌道上檢測(cè)采集圖像，如圖2所示，所述的視頻圖像，通過基準(zhǔn)桿，圖中黑色桿上面的交叉點(diǎn)為中心，即三個(gè)攝像機(jī)鏡頭光心0。點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)交叉點(diǎn)。利用解析幾何以及坐標(biāo)算出三次時(shí)間點(diǎn)上(al，bl，cl) (a2, b2，c2) (a3, b3，c3)，物體中心移動(dòng)的距離并通過公式at2 = 2s可算出加速度(即微重力)。通過正前正上正左三個(gè)攝像機(jī)同步攝像，并截取同一時(shí)間的圖片三張，并截取三個(gè)間隔時(shí)間相等的時(shí)間點(diǎn)，即可簡單的通過圖片測(cè)量出坐標(biāo)，獲取間距，通過間距計(jì)算獲得。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及其優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人士應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施條例的限制，上述實(shí)施條例和說明書中描述的只是用于說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理和范圍的前提下，本發(fā)明還可有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都屬于要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍同所附的權(quán)利要求書及其它等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法，其特征在于，包括以下步驟①取微重力狀態(tài)下航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體在某一個(gè)瞬間時(shí)段采集的兩張或者兩組視頻圖像， 或者采集的兩張以上或者兩組以上視頻圖像，作為微重力檢測(cè)片段用幀序列截成一幅幅圖片；②標(biāo)注運(yùn)動(dòng)體質(zhì)心坐標(biāo)；③預(yù)估運(yùn)動(dòng)體的長度，并在質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算1個(gè)單位長度在實(shí)際長度；④通過質(zhì)心坐標(biāo)以及計(jì)算出的航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體的加速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法，其特征在于，所述的視頻圖像，在坐標(biāo)標(biāo)定過程中選擇世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系；世界坐標(biāo)系(Xw，Yw, Zw)，這是用來描述攝像機(jī)的位置的參照坐標(biāo)；攝像機(jī)坐標(biāo)系 (Xc,Yc,Zc)以攝像機(jī)鏡頭光心0。為坐標(biāo)原點(diǎn)，X。Y。軸平行于圖像平面7。軸垂直于圖像平面； 圖像坐標(biāo)系為兩維平面坐標(biāo)，&軸與圖像平面的交點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(Utl, Vtl)，即攝像機(jī)的基準(zhǔn)點(diǎn)，該點(diǎn)位于圖像平面的中心處，攝像機(jī)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)需要標(biāo)定兩個(gè)參數(shù)為攝像機(jī)鏡頭光心0。與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離就是焦距f。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法，其特征是，所述的視頻圖像，是指在同步運(yùn)行軌道上檢測(cè)的采集圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法，其特征是，所述的視頻圖像，通過正前正上正左三個(gè)攝像機(jī)同步攝像，并截取同一時(shí)間的圖片三張，并截取三個(gè)間隔時(shí)間相等的時(shí)間點(diǎn)，即通過圖片測(cè)量出坐標(biāo)，獲取間距，通過間距計(jì)算獲得。
全文摘要
一種檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的基于航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體視頻圖像變化轉(zhuǎn)化為檢測(cè)微重力的方法，該方法包括以下步驟取微重力狀態(tài)下航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體在某個(gè)瞬間時(shí)段采集的兩張或者兩組視頻圖像，或者采集的兩張以上或者兩組以上視頻圖像，作為微重力檢測(cè)片段用幀序列截成一幅幅圖片；標(biāo)注運(yùn)動(dòng)體質(zhì)心坐標(biāo)；預(yù)估運(yùn)動(dòng)體的長度，并在質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算1個(gè)單位長度在實(shí)際長度；通過質(zhì)心坐標(biāo)以及計(jì)算出的航天器內(nèi)運(yùn)動(dòng)體的加速度。本發(fā)明通過多個(gè)攝像機(jī)采集物體在三維空間中的視頻運(yùn)動(dòng)信息，通過圖像信息融合處理，獲得航天器內(nèi)三維空間運(yùn)動(dòng)體的加速度，并進(jìn)一步獲得航天器微重力。
文檔編號(hào)G01P15/03GK102478586SQ201010559020
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者張智翔 申請(qǐng)人:上海市南洋模范中學(xué)