基于計算機視覺的飛機燃油非接觸式測量系統

黃文鋒，于海玉，薛均曉，潘 俊，郭毅博，徐明亮

基于計算機視覺的飛機燃油非接觸式測量系統

黃文鋒1，于海玉2，薛均曉2，潘 俊3，郭毅博4，徐明亮4

(1. 河南省科學技術信息研究院，河南 鄭州 450003；2. 鄭州大學軟件與應用科技學院，河南 鄭州450000；3. 中航工業南京機電液壓工程中心(609所)，江蘇 南京 211106；4. 鄭州大學信息工程學院，河南 鄭州 450001)

為了實現飛機在任意飛行姿態下燃油量的測量，提出了一種新型的飛機燃油測量系統。首先采用基于計算機視覺的非接觸性液位感測技術，測得油箱中油位高度。然后采用 CAD技術對油箱建模，實現了飛行姿態誤差的修正。實現在油箱外對當前液面進行實時觀測和三維重建，無需對油箱內燃油通電，避免了傳統測量方式的電磁干擾、電路磨損問題，提升了燃油系統的安全性和可靠性。實時精確地測量剩余燃油量，對飛機的加輸油控制、系統狀態監控、故障診斷隔離等功能具有重要意義。該油量測量方式與傳統方式相比具有數字化、智能化程度高、抗干擾能力強、可靠性高等優點。

飛機油箱；油量測量；計算機視覺；非接觸式；姿態修正

飛機燃油測量系統是用來測量并顯示飛機所有位置上油箱的燃油量。在獲取了飛機燃油的精確數值后，可通過燃油控制系統實現對飛機供輸油、加放油、油箱壓力調節、熱負載、信號指示等分系統的綜合管理。因此，在飛行過程中，實時精確地測量剩余燃油量對飛機的整體狀態監控、性能維護具有舉足輕重的意義。高精度的油量測量系統可以在很大程度上增加戰斗機的有效載荷、航程、作戰半徑，在航空兵作戰中具有極其重要的戰略意義。

隨著飛機研究水平和科技水平的高速發展，技術人員一直在探索提高飛機燃油測量精度的最佳途徑，研究范圍包括了機械、電、光、電磁、輻射、超聲波等。新型傳感器的開發和應用推動了燃油測量技術不斷向高層次發展與完善。同時燃油測量的理論與實踐迫切需要更新，現今已經有一些機型采用了數字式燃油測量系統，然而油量測量系統仍停留在模擬測量階段，對于信息交流和數據共享很不利。系統的測量精度、可靠性、自動化、維修性等技術指標均不高。當前廣泛使用的測量方法主要有：

(1) 電容式傳感器。電容量增值與浸入燃油的深度呈線性對應關系，通過轉換電路可變換出測量油深度的電信號[1]。該種傳感器長期浸在油中，采用機械方法改變電阻值導致精度不高，使用壽命短，還存在引線放電導致爆炸的潛在危險。

(2) 光纖式傳感器。浸入油中的光纖材料性質發生變化，引起光纖強度的差異與燃油深度呈線性關系[2]。其信號處理電路復雜，需要用校準機制補償誤差，不易取得較高的測量精度。

(3) 超聲波傳感器。由超聲波換能器發出的超聲波在氣體與液體的分界面發生反射，依據換能器發射超聲波到再次接收到超聲波所經歷的時間可測出油位[3]。其經濟耐用，安裝使用方便，但功耗大，液面有較大波動時存在測量盲區，給測量帶來誤差。

(4) 插值技術。早期一般根據線性傳感器的輸出值及慣性平臺提供的姿態信息，用插值技術完成油量測量及姿態誤差修正[4]。而飛機飛行時姿態角的變化和油箱形狀的不規則性導致建立油面高度-姿態信息油量表工作的繁重。

由于飛機的油箱形狀多是不規則的，油箱內部還裝有一些形狀與體積各異的管道、泵、閥等復雜的部件，增加了油量測量的難度[5]。因此，應用非接觸式液位測量技術是改善飛機燃油測量系統的重要措施。本文提出的燃油測量系統相比于傳統測量方法，具有如下優點：

(1) 使用基于計算機視覺的高清工業相機和投影儀代替了傳統的電容式傳感器，更為小巧廉價，便于安裝和維護；可以實現在油箱外對當前液面進行實時觀測和三維重建，無需對油箱內燃油通電，避免了傳統測量方式的電磁干擾、電路磨損問題，極大地提升了燃油系統的安全性和可靠性。

(2) 同時在飛機巡航做加速爬升或下降時，通過CAD技術極大地減少了油箱建模與體積計算的工作量，仍然能獲得實時精確的燃油質量。本系統能有效提高檢測的精度，并具有更高的實時性和可靠性，對飛機燃油測量的研制和發展有實際意義。

1 相關工作

針對傳統燃油測量方法的現存問題，國內外研究人員提出了以直接獲取深度信息為目標的視覺三維非接觸式測量技術，主要有：

(1) 自動聚焦法[6]。將調節過的相機焦距和像距作為已知，求得物距。該方法只采用一個相機，結構簡單，但不同深度的區域需要多次聚焦并獲得多幅圖像，因而速度慢，調焦過程中出現離焦也會帶來測量誤差。

(2) 離焦法[7]。根據標定出的離焦模型計算被測點相對于相機的距離。避免了多次調焦導致的低效問題，然而離焦模型標定時算法復雜，仍然是難以解決的關鍵問題。

(3) 立體圖像法[8]。模仿人眼設置完全相同的 2個相機，根據立體視覺原理進行測距。目前該方法中2個相機攝取圖像的匹配算法計算量較大，難以實現實時測量。

(4) 飛行時間法[8]。利用脈沖信號發射與接收的時間差完成深度信息獲取，通常一次往返時間差只能獲取一點的深度信息，而自然環境中點數太多，故很難獲得高分辨率的深度圖像。

(5) 結構光法[9]。根據傳感器參數和三角測量法獲取深度。投影儀發出一定模式的結構光投向被測物，在被測物上形成圖案并由相機機攝取。得到的深度圖像是由物體表面形狀所調制的光柵三維圖像。該方法具有結構簡單、空間分辨率高、測量精度高、速度快等優點。

(6) CAD技術[10]。基于CAD技術的油量實時測量方法，根據飛機油箱油位高度、飛行姿態以及三軸加速度信息，在計算機后臺完成油箱建模和油平面切割實體模型等大量計算工作，極大地提高了測量速度和精度，對燃油測量的研制和發展有實際意義。

2 技術方案

2.1 總體技術方案

本文提出一種基于計算機視覺的飛機燃油非接觸式測量系統，如圖1所示。首先利用結構光法的原理，通過在二維灰度圖像上采用距離和深度測量的方法求得三維坐標，也就是深度信息。然后利用CAD技術根據飛行姿態信息實現誤差修正，分析計算出飛機各油箱中燃油的質量特性數據。

圖1 飛機燃油非接觸式測量系統結構

2.2 基于計算機視覺的飛機燃油非接觸式測量技術

2.2.1 單目相機標定

為了準確描述成像過程，需要建立各個坐標系間的深度變換關系。針孔式相機透視投影的幾何成像模型如圖2所示。

圖2 幾何成像模型

相機攝取的圖像傳輸到計算機后，為一串0和1的二進制串，以二維矩陣的方式存儲，反映場景的強度值。在計算機圖像坐標系中，像素點通常以(,)表示，為像素點在二維矩陣中的行坐標值；v為其列坐標值。由于深度信息是以毫米或米為單位，并不以像素為單位，因此在衡量深度信息時不能局限于圖像坐標系，需要建立基于實際物理單位的攝像機成像平面坐標系，并符合CCD相機的習慣，即原點在攝像機的光軸中心，方便坐標的轉換計算[11]。坐標轉換公式為

??=? [|] ??

其中，?為屏幕坐標即計算機圖像坐標；為相機內參，代表鏡頭成像的焦距和畸變系數；[|]為相機外參，代表在投影儀和相機坐標系下的點變換到世界坐標系下的旋轉和平移矩陣；?為世界坐標；是物體在相機坐標系中的坐標，是推導公式中產生的參數。

攝像機參數標定是光學非接觸性三維測量的關鍵步驟[12]。其結果精度和算法穩定性都將影響CCD相機工作產生結果的準確性。本系統采用張正友平面標定法[12]，通過MATLIB程序實現，即使用棋盤式或網格式的平面靶標提取的中心點和計算機圖像坐標作為標定數據，結合最小二乘法求解方程組，計算出相機內、外參數。

2.2.2 三角測量法

本系統裝置的二維示意圖如圖3所示。實際液面表示油箱中實際油位高度。校準線用于計算本系統所測得的油位高度與實際值相比的準確程度。交線是通過攝像機光軸和投射激光的交點的水平線。油箱頂部安裝的投影儀投射出十字形式的結構光，在油面上反射形成圖案后，被相機攝取。

圖3 系統裝置的二維示意圖

反射光線的偏差可以作為液位高度測量的關鍵。由相似三角形原理得