专利名称：基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种检测技术领域的微重力的检测方法，特别是一种基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法。
背景技术：
自人类进入太空以来，失重和微重力现象进一步引起人们的重视，人们利用飞机、 火箭等获得物体失重和微重力状态，其微重力实验时间很短，仅IOs左右，很难满足一般的实验要求。由于长时间的失重状态只能在卫星或航天器上才能得到，失重的应用研究受到很大限制。利用卫星、航天飞机等绕地球飞行的航天器可获得长时间的获得物体失重和微重力状态，但是远没有地面上方便；在地面产生短时失重和微重力状态是没有大的困难的， 但由于时间太短很难利用，为增加失重和微重力状态时间，势必需要大的行程，这样长时间的加速运动必定产生巨大的末速度，因此，时间短、行程长，速度高是研究地面失重和微重力状态的三个难点，进一步地获得物体的微重力及其加速度在技术上还有很大的困难。由于微重力环境和地面上不同，许多物理现象和物理过程都会发生定的变化，如蛋白质的生长、材料的结晶以及液体的表面张力等，微重力环境下的这些特性，在材料加工、制药、生物医学领域有着广泛的应用前景。当人们要利用微重力环境所带来的种种好处之前，首先需要测量并获得微重力环境的特性。现有技术中微重力加速度传感器的研究开始于八十年代，有电容式、压阻式、压电式、谐振式、温敏式和隧穿式加速度传感器等。1992年元月份发射的国际微重力实验室 (IML)I号计划，由美国宇航局(NASA)、欧联宇航局(ESA)、加拿大空间署(CSA)、德国空间署(DARA)、法国空间研究中心(CNES)和日本空间开发局(NASDA)组成，包括美、加、口、德、 法以及英、意、瑞士、瑞典、荷兰、丹麦、西班牙等18个国家200多位科学家。IML-I号飞行是IML整个十年计划的第一步。它的主要目标是利用空间微重力环境，进行材料科学和生命科学实验，探讨生命形式如何适应微重力环境，研究多种材料空间加工时的特性，从而提高地球上生命的质量和加速对微重力的适应。例如，利用微重力生成高质量的蛋白晶体，来改善人类对疾病的治疗；进行对内耳的研究，为航天员经常患有空间运动病提供防治措施； 对空间材料进行加工，帮助人类提纯更好的产品，为计算机、激光和其它高技术设备提供所需原料等。美国1991年6月在航天飞机STS-40任务中首次使用并沿用至今的SAMS加速度测量系统，传感器配用Simds trand数据控制公司的QA-2000型石英挠性加速度计，可测量瞬态加速度和振动加速度，分辨率1 μ而，系统总精度10 μ ；中国从20世纪80年代中期开始发展自己的空间微重力加速度测量系统，取得了一系列重要成果。也就是说，现有技术对微重力研究和检测还是通过加速度传感器进行的，由此检测的结果就依赖于加速度传感器的机制和精度。根据对现有技术文献的检索发现，专利权人上海交通大学，专利号 2004110052606. 6，名称平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法，该项发明介绍了微重力加速度传感器及测量方法。微重力加速度传感器的结构为探测质量块通过悬臂梁同外框架固定，外层金属膜沉积在光学玻璃板上，光学玻璃板通过螺丝固定在外框架侧面，内层金属膜沉积在探测质量块上，外层金属膜背向内层金属膜，并且中间保持有空气隙。该项发明的借助于微重力加速度传感器的测量方法为将激光器发射的激光入射到光学玻璃板上的外层金属膜，当满足耦合条件后，光耦合进入由外层金属膜、光学玻璃板、空气隙、内层金属膜构成的光波导结构中，从外层金属膜与空气分界面上反射的光强随着探测质量块与外层金属膜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量探测质量块相对光学玻璃板位置的改变，从而实时测得加速度的大小。由此得知，上述引证文献对微重力检测也是通过加速度传感器进行的，由此检测的结果就依赖于加速度传感器的机制和精度。至今尚未发现有利用对航天器内运动体的视频图像变化来检测微重力有关技术文献的介绍和报道。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法。本发明通过多个摄像机采集物体在三维空间中的视频运动信息，通过图像信息融合处理，获得航天器内三维空间运动体的加速度，并进一步获得航天器微重力。本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括以下步骤①取微重力状态下航天器内运动体在某一个瞬间时段采集的两张或者两组视频图像，或者采集的两张以上或者两组以上视频图像，作为微重力检测片段用帧序列截成一幅幅图片； ②标注运动体质心坐标；③预估运动体的长度，并在质心坐标计算1个单位长度在实际长度；④通过质心坐标以及计算出的航天器内运动体的加速度。摄像机成像模型是对光学成像过程的简化，即像点、投影中心和空间点三者是共线关系。本发明依据物体在受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体的惯性质量成反比。航天器内的运动体在微重力环境下就有加速度，该微重力和加速度方向相同，是矢量式关系，并且是瞬时关系。对于绕地球作轨道运行的航天器而言，重力仅指地球的引力，当地球的引力和航天器绕地球运动而产生的惯性离心力相平衡，航天器及其内部的一切物体，都以相同的速度、加速度运动，相互之间没有作用力，所有物体都表现不出有重量，这就是“失重”，反之就存在微重力、重力。本发明基于因存在微重力，就有加速度，物体将会移动或者运动的力学定理，利用可以检测采集在某一个瞬时时间段的两张(或者两组)或者两张以上(或者两组以上)视频图像；发过来通过两张(或者两组)或者两张以上(或者两组以上)视频图像就可以获得航天器内的运动体在微重力环境下的加速度的方法。本发明通过多个摄像机采集物体在三维空间中的视频运动信息，通过图像信息融合处理，获得航天器内三维空间运动体的加速度，并进一步获得航天器微重力。


图1本发明使用的世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系示意图；图2本实施例在同步运行轨道上检测采集图像示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图1所示，本实施例在同步运行轨道上检测采集图像时，取微重力状态下航天器内运动体在某一个瞬间时段的采集两张或者两组视频图像，作为微重力检测片段用帧序列截成一幅幅图片；标注运动体质心坐标；预估运动体的长度，并在质心坐标计算1个单位长度在实际长度；通过质心坐标以及计算出的航天器内运动体的加速度。所述的视频图像采集两张以上或者两组以上视频图像。所述的视频图像，，在坐标标定过程中选择世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系，世界坐标系(xw，Yw，Zw)，这是用来描述摄像机的位置的参照坐标；摄像机坐标系(X。，Y。， Zc)以摄像机镜头光心0。为坐标原点，x。Y。轴平行于图像平面，Ζ。轴垂直于图像下面，图像坐标系为两维下面坐标，4轴与图像平面的交点在图像坐标系上的坐标为(Utl, Vtl)，即摄像机的基准点，该点位于图像平面的中心处，摄像机基准点坐标需要标定两个参数为摄像机镜头光心0。与基准点之间的距离就是焦距f。本实施例利用解析几何、根据视频图像物点P的大小以及坐标转换的计算即可获得。本实施例设定在同步运行轨道上检测采集图像，如图2所示，所述的视频图像，通过基准杆，图中黑色杆上面的交叉点为中心，即三个摄像机镜头光心0。点对准交叉点。利用解析几何以及坐标算出三次时间点上(al，bl，cl) (a2, b2，c2) (a3, b3，c3)，物体中心移动的距离并通过公式at2 = 2s可算出加速度(即微重力)。通过正前正上正左三个摄像机同步摄像，并截取同一时间的图片三张，并截取三个间隔时间相等的时间点，即可简单的通过图片测量出坐标，获取间距，通过间距计算获得。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及其优点。本行业的技术人士应该了解，本发明不受上述实施条例的限制，上述实施条例和说明书中描述的只是用于说明本发明的原理，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围同所附的权利要求书及其它等效物界定。
权利要求
1.一种基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法，其特征在于，包括以下步骤①取微重力状态下航天器内运动体在某一个瞬间时段采集的两张或者两组视频图像， 或者采集的两张以上或者两组以上视频图像，作为微重力检测片段用帧序列截成一幅幅图片；②标注运动体质心坐标；③预估运动体的长度，并在质心坐标计算1个单位长度在实际长度；④通过质心坐标以及计算出的航天器内运动体的加速度。
2.根据权利要求1所述的基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法，其特征在于，所述的视频图像，在坐标标定过程中选择世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系；世界坐标系(Xw，Yw, Zw)，这是用来描述摄像机的位置的参照坐标；摄像机坐标系 (Xc,Yc,Zc)以摄像机镜头光心0。为坐标原点，X。Y。轴平行于图像平面7。轴垂直于图像平面； 图像坐标系为两维平面坐标，&轴与图像平面的交点在图像坐标系上的坐标为(Utl, Vtl)，即摄像机的基准点，该点位于图像平面的中心处，摄像机基准点坐标需要标定两个参数为摄像机镜头光心0。与基准点之间的距离就是焦距f。
3.根据权利要求1或2所述的基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法，其特征是，所述的视频图像，是指在同步运行轨道上检测的采集图像。
4.根据权利要求3所述的基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法，其特征是，所述的视频图像，通过正前正上正左三个摄像机同步摄像，并截取同一时间的图片三张，并截取三个间隔时间相等的时间点，即通过图片测量出坐标，获取间距，通过间距计算获得。
全文摘要
一种检测技术领域的基于航天器内运动体视频图像变化转化为检测微重力的方法，该方法包括以下步骤取微重力状态下航天器内运动体在某个瞬间时段采集的两张或者两组视频图像，或者采集的两张以上或者两组以上视频图像，作为微重力检测片段用帧序列截成一幅幅图片；标注运动体质心坐标；预估运动体的长度，并在质心坐标计算1个单位长度在实际长度；通过质心坐标以及计算出的航天器内运动体的加速度。本发明通过多个摄像机采集物体在三维空间中的视频运动信息，通过图像信息融合处理，获得航天器内三维空间运动体的加速度，并进一步获得航天器微重力。
文档编号G01P15/03GK102478586SQ201010559020
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者张智翔 申请人:上海市南洋模范中学