高动态机外视景采集及传输吊舱系统设计方法

技术领域

本发明是一种基于高动态外视环境下通过构建伴飞摄像吊舱系统，实现遥测传输飞机活动翼面、起落架视频等功能，属于飞机试飞测试技术领域。

背景技术

随着试飞任务的拓展，对试飞过程中，安全监控、数据获取等环节提出了更高的要求。试飞过程中，为监控飞行安全、获取试飞数据，通过在飞机上加装机载测试系统，采集执行任务所必须的飞机参数并实时遥测，此种方法依赖飞机系统本身、加装的传感器及遥测链路进行保障。当载机出现故障时，数据会出现不稳定、中断等情况；同时，用于试飞自动跟踪与动态测量系统，作用距离有限，且受天气、飞机姿态影响较大，当在试飞空域中执行任务时，无法提供可靠保障。

为填补机载测试系统与自动跟踪与动态测量系统无法覆盖的保障范围空白，开展高动态机外视景采集及传输吊舱设备研究与应用，通过对数字视频采样、转换、编码、压缩、遥测传输和记录以及实时图像显示处理技术研究，构建伴飞摄像吊舱系统，实现遥测传输飞机活动翼面、起落架视频等功能，达到实时监控科研飞机状态目标，对保障飞行安全、提高任务完成水平有着重要的意义。以下是高动态机外视景采集及传输吊舱系统的相关介绍。

发明内容

本发明高动态机外视景采集及传输吊舱设备完成飞机吊舱的机械结构设计和优化，以及软件部分的图像拼接的内容。通过多目相机组合的方案对目标飞机进行实时拍照，最后对各个相机拍摄的照片进行图像拼接，时刻记录观测飞机的姿态状态位置信息。

本发明的技术方案：

高动态机外视景采集及传输吊舱系统设计方法，步骤如下：

步骤1：设计高动态机外视景吊舱系统结构及安装。

高动态机外视景吊舱系统由视频采集处理系统和视频传输系统构成。视频采集处理系统包括半球型透波罩、前视镜头、两个侧视镜头、固态存储硬盘、降压稳压模块、处理单片机、网口扩展坞、USB扩展坞。

进一步的，所述的半球型透波罩通过采用压环加压、边圈受力的方式，将其固定在吊舱内部。压环加压是指通过螺钉固定向透波罩传递压力，使透波罩紧靠在吊舱内壁上。边圈受力是指通过透波罩底部边缘的斜边定位加工方式，确保其装入后不会产生偏心。

进一步的，所述的固态存储硬盘用于存储镜头采集的图像。降压稳压模块用于保证电路的正常工作，避免电源波动带来的偏差和误差。处理单片机用于给出系统的控制信号。网口扩展坞与USB扩展坞分别用于扩展网络接口与通信接口。

视频传输系统包括核心处理器和用户设备安装段。核心处理器用于完成高动态机外视景采集图像的实时拼接，用户设备安装段包括遥测测试机箱、数字发射机。

进一步的，所述的遥测测试机箱用于将视频信号采集到遥测测试机箱中。所述的数字发射机用于将遥测测试机箱中采集到的数据发射到地面接收天线进行实时显示。

步骤2：设计长续航多功能供电模块。

长续航多功能供电模块包括给视频采集处理系统供电和视频传输系统供电。长续航多功能供电模块所供电的设备包括前视镜头、两个侧视镜头、降压稳压模块、处理单片机、网口扩展坞、USB扩展坞、核心处理器、遥测测试机箱、数字发射机。

进一步的，长续航多功能供电模块选用的是三元锂电池，三元锂电池主要由圆柱电芯、外壳以及保护板组成。电池满电输出电压33.6V，截至放电电压21.6V，最大持续放电电流18A。

步骤3：设计高动态机外视景采集实时采集存储单元

高动态机外视景采集实时采集存储单元的存储速度设计为≥420MB/s，压缩后存储容量设计为不低于1TB。高动态机外视景采集实时采集存储单元实时缓存核心处理器拼接后的视频，同时进行备份。

步骤4：设计高动态机外视景采集在线实时拼接算法

高动态机外视景采集在线实时拼接算法具体如下：

S1.首先通过ORB算法计算特征点的主方向，增加了旋转不变性。提取不同图像之间特征点后进行特征匹配。

第一步：灰度质心法计算方向公式如下，其中m

第二步：中心C计算公式如下，其中m

第三步：旋转角θ计算公式如下，其中m

S2.计算图的大小，以左/右图上特征点到配准图(中间图)上特征点为拼接图的长度，将左图及右图直接拷贝到配准图(中间图)上。

S3.利用匹配的数据，得到了两幅待拼接图的匹配点集，进行相机参数估计。

S4.利用像素加权平均的图像融合的方法生成图像，即将图像的重叠区域的像素值按一定的权值相加合成新的图像。设两幅待融合的图像A(i，j)和B(i，j)，大小均为M*N，ω

F(i,j)＝ω1A(i,j)+ω2B(i,j)。

本发明的有益效果：本发明主要开发了一套高动态机外视景采集及传输吊舱系统。主要通过机外吊舱结构设计、长续航多功能供电模块设计、实时采集存储、相机触发。通过对吊舱进行改造，增加半球型透波罩安装，供电模块设计等。将其悬挂在机外，利用三台相机同时进行图像采集，对目标飞机进行实时拍摄。首先进行机外高动态场景的图像采集，再完成视频图像拼接。然后在核心处理器中将从相机中获取到的图像信息处理，处理后的图像进行拼接并以视频流的形式进行播放，通过数据通讯系统传输到地面。

附图说明

图1为视频拼接算法流程图。

图2为吊舱结构图。

图3为图像拼接约束匹配图。

图4为相机旋转和平移矩阵图。

具体实施方式

第一步，吊舱透波罩采用半球形结构优化设计，使拍摄的视频图像不产生畸变。在安装方式上采用压环加压、边圈受力的方式，将其固定在吊舱内部。

第二步，确定出长续航多功能供电模块电池需求，供电单元选用的是三元锂电池，三元锂电池主要由圆柱电芯、外壳以及保护板组成。

第三步，对核心处理器拼接后的视频进行实时缓存，一次工作完成后将存储单元取出进行备份。存储单元在选型过程中主要考虑存储速度和存储容量这两方面。存储单元的存储速度420MB/s，压缩后存储容量不低于1TB。

第四步，多目立体相机实时采集图像后，将两幅以上的具有部分重叠的图像进行无缝拼接从而得到较高分辨率或宽视角的图像。在核心处理器中将从相机中获取到的图像信息处理，处理后的图像进行拼接并以视频流的形式进行播放，通过数据通讯系统传输到地面。