专利名称：月球车双目视觉导航与避障系统标定设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及航天设备，特别是一种月球车双目视觉导航与避障系统标定设 备。
二背景技术：
月球车导航相机与避障相机是通过视觉计算获得车体周围区域三维地形信息为 月面巡视探测器导航服务的立体视觉相机，依据立体视觉原理对左右图像进行信息处理完 成月面三维场景恢复以实现导航，是月球巡视探测器导航控制分系统的重要组成部分，根 据相机需要，需配备一套导航相机与避障相机三维立体标定系统以完成月面巡视器外场实 验以及整车测试是对相机进行检校与综合标定。但由于设备结构上的问题，现有标定设备 结构复杂，标定烦琐，不易操作，工作效率低，因此标定设备的改进与创新是亟待解决的问 题。
三
实用新型内容针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本实用新型之目的就是提供一种月球车双 目视觉导航与避障系统标定设备，可有效解决快速而方便、效率高的对月球车双目视觉导 航与避障系统的标定问题，其解决的技术方案是，包括标定框架、基准尺和调节支架，基准 尺由标定框架上、下部的长度基准尺和坐标基准尺组成，标定框架装在调节支架上，标定框 架为三维立体框架，三维立体框架上、下间均勻装有弧形的条状肋筋，构成半圆形的球冠 状，坐标基准尺置于条状肋筋下部上，条状肋筋上有用于测量的人工圆形标志和编码标志， 标定框架上部有靶标，调节支架装在支座上，本实用新型结构简单，新颖独特，安装使用方 便，易操作，标定精度高，工作效率高，是月球车双目视觉导航与避障系统标定设备上的创 新。
四
图1为本实用新型的三维立体框架和调节支架部分结构主视图。图2为本实用新型的标定框架及支座装配立体结构图。图3为本实用新型的调节支架与支座安装结构图。
五具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作详细说明。由图1-3所示，本实用新型包括标定框架、基准尺和调节支架，基准尺由标定框架 3上、下部的长度基准尺1、6和坐标基准尺8组成，标定框架3装在调节支架7上，标定框架 为三维立体框架，三维立体框架上、下间均勻装有弧形的条状肋筋9，构成半圆形的球冠状， 坐标基准尺8置于条状肋筋9下部上，条状肋筋上有用于测量的人工圆形标志4和编码标 志5，标定框架上部有靶标2，调节支架7装在支座10上。[0009]为了保证使用效果，所说的调节支架7是由L型支撑7a和U型支撑7b经U型支 撑中部上的垂直旋转轴11装配在一起构成，U型支撑7b两端上有水平旋转轴12，标定框架 3上、下部装在水平转轴12上；所说的人工圆形标志4由回光反射膜制成的回光反射人工 圆形标志，回光反射膜一面由直径大约50um的玻璃微珠或微晶立方角体组成，每个微珠具 有猫眼或反射棱镜功能，将反射光由入射光的方向反射回去，在特定位置光源〔如环形闪光 灯〕的照射下，回光反射标志通过低强度曝光就可以产生高对比度的图像，这种标志的效率 是同等光照条件下普通白色标志效率的100 1000倍以上，布设有回光反射标志的目标的 像片，通过低强度曝光就可以产生高对比度标志图像。这种图像在高精度标志图像测量中 可以对它们进行快速、准确而可靠的定位。在这类像片上，标定场自身影像“消隐”，回光反 射标志的构像却特别清晰而突出，形成了一个背景暗淡、仅有一群一般呈圆形或椭圆形的 亮点，回光反射标志可产生“准二值影像”；回光反射标志对光的反射能力取决于两个角度， 即光线入射角度与光源偏差角(或观测角)。光线入射角是指闪光灯光源轴线与回光反射 材料所在的平面法线的夹角；而光源偏差角是指闪光灯轴线与相机光轴的夹角。光源偏差 角越小，回光反射材料的反射能力越强。为了减小光源偏差角，选用通常用于微距摄影的环 形闪光灯套装在摄影镜头前面，从而保证了闪光灯光轴与摄影光轴同轴，即光源偏差角几 乎为零；使用回光反射标志时，闪光灯的入射角不能太大，也就是摄影主光轴与回光反射标 志平面法线的夹角有角度限制，如果超过一定角度，标志得成像效果非常差。根据实验结 果，最大角度不要超过60度。所说的标定框架要根据标定时摄影距离与相机的成像模型以及导航相机和避障 相机的视场范围进行设计，拍摄时标定框架应该布满像平面。对HAZ相机，标定时需要达到 0.8视场角(120° X 120° )，在空间成像范围较大。因此，标定框架尺寸的设计应该以满 足广角镜头相机(HAZ)为标准。三维立体标定架长度< 1.2m，所以该弧形的标定框架的弧 弦长为1. 2m,因为避障相机0. 8视场的视场角为120°，根据r = L/2sin (w)，r为设计标定 框架圆柱的半径，L为标定框架的长度。对2ω =120°，当L= 1.2m时，r = 0.7m，为保证 标定 精度及标定架变形量，标定框架设计为长1. 2m、高1. 2m、宽0. 5m ；所说的条状肋筋均勻分布在标定框架内，测量标志粘贴在条状肋筋上面，构成球 冠形，标定框架为前、后面两层，前面有均勻分布的20个条状肋筋，后面均勻分布有10个条 状肋筋，构成球冠形的结构，主要是考虑到避障相机标定时特殊的成像模型。正常情况下， 标定框架内部的肋的正面法线都经过圆心。对于避障相机，其标定距离在0. 5m lm，标定 框架是一个半径为0. 7米的球台，这样，相机的标定点和球心大致一致，所以在避障相机标 定的过程中，标志点的正面是正对着相机的，反射效率比较高。对于导航相机，其标定距离 为Im 1. 5m，这样就存在一个问题，越往标定框架的外边缘，其肋的正面(标志的法线)和 相机入射光线的角度将越大，这将影响反光标志的成像质量，进而影响后续的分析计算。最 外圈的一根肋筋的法线与标定框架球冠的弦之间的夹角α =arCC0SL/2r，其中L为1.2m， r = 0.7m，可得α =31°。相机与最后一根肋的中心的连线与球冠的弦之间的夹角β = arctan2h/L，其中h为标定距离，这里取1. 2m, L=L 2m。可得β = 49°，也即当在1. 2m 的标定距离时，导航相机的光线方向与最后一根肋筋的夹角为18°，由于这个角度的存在， 在标定时将影响肋上标志点的成像效率，为了消除这个角度，由于标定框架前面有20条肋 筋，在肋筋安装的过程中从正对着相机的那2根肋筋开始，每根肋筋与法线方向可有一个2°的夹角，后面从正中的2根肋筋开始，每根肋筋与法线方向可有4°的夹角。为了保证使用效果，所说的标定框架上的垂直旋转轴11和水平旋转轴12上装有 锁紧装置，标定框架可绕垂直旋转轴旋转0-90° ；所说的靶标2是在标定过程中用于需求相机之间的关系，因此靶标至少有八个以 上，靶标的同心精度要优于0. 01mm，靶标的中心有精确的同心点，用于在经纬仪测量时准确 定位；所说的编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工标志。编码标志可以通过图 像处理等方法进行自动识别，实现立体视觉相机标定过程中人工标志的自动匹配；作为不 同像片之间的公共点实现标定像片的自动拼接；作为后方交会控制点数据。在立体视觉相 机标定中，由于摄影位置的不固定性，为了能够实现对编码标志的准确识别和定位，编码标 志必须具有特殊的设计结构。而且这些结构要基于尺度、旋转、和透视畸变不变。应满足以 下几个要求1、旋转，缩放不变性。在不同的摄影角度和摄影距离应该保持稳定的几何结构，由 于旋转、缩放而产生的变形不影响编码的识别。2、稳定的识别能力。对编码标志进行识别时尽量减小错误的识别概率。3、编码的唯一性。每个编码标志只能有唯一的数字编码，或每个数字只能对应唯 一的编码标志。4、编码容量。不同的测量系统需要测量点的数量是不同的。如果需要同时测量多 个点，则必须保证编码有足够的容量。5、对比度。应当使光学编码有足够的对比度，保证图像质量。6、定位标志。编码标志中，应设计合理的精密定位标志(圆)，该标志作为编码标 志的基准位置。在标定过程中，导航相机的标定距离为Im 1.5m，避障相机的标定距离为离为 0. 5m lm，为了保证测量精度，需要对人工标志尺寸进行设计。在图象处理与分析过程中， 人工标志在像片上成像的尺寸应该为0^5pixel,才能够保证图像提取精度。下面对需要的人工标志尺寸进行计算。 d =crl/fd为人工标志直径，c为人工标志像点直径方向像素个数，r为像素尺寸，1为空间 摄影距离，f为相机焦距。式中c≥5。对NAV 相机f = 17. 6mm, r = 0. 015mm, 1 = 1. 2m 求 d 应该大于 5. Imm对HAZ 相机f = 7. 34mm, r = 0. 015mm, 1 = 0. 8m，求 d 应该大于 8. 17mm综上所述，考虑标定过程中以保障标定精度为前提，同时顾及操作的方便性。设计 两种尺寸的标志，直径分别为10mm，6mm。由于整个标定框架的尺寸为1. 2mX 1. 2m，考虑到每张照片中最少需要100个标志 点，导航相机在Im摄影距离时视场范围为0. 6mX0. 6m，所以标志点的密度为最少为300个
/每平米。[0031]标定框架为两层，前面有20条肋，后面设计有10条肋，都分别均勻的分布在框架 的前面和后面，前面20条肋，每条肋上粘贴18个标志，后面10条肋，每条肋上粘贴10个标 志。这样大概需要专用标定靶标至少500个。同时应该含有数量足够的编码标志，能够被标定场测量系统与标定软件同时使 用。编码标志在标定的过程中主要是后方交会求摄站参数的初值，每张照片中最少要有4 个编码标志，根据导航相机的视场范围，编码标志的密度为最少12个/每平米。所以整个 标定框架最少需要20个，为考虑到标定的精度，最少需备用编码标志50个。因为标定框架须在不需要其他测量辅助设备的前提下能够单独完成标定场的控 制测量。所以还应配有长度基准尺和摄影测量系统专用坐标基准尺。1、长度基准尺标定架上应配有长度基准尺两根(一米长)，在摄影测量的过程中做为长度基准， 另外该基准尺也可做为经纬仪测量时的长度基准，基准尺的两端，各连接了一个测量标志 工装(反光标志)，连接时保证标志到位。两个标志中心距就是基准尺的长度，所以不可以 损坏，不可用手触碰反光标志点。基准尺每年需送到专门的仪器检校中心进行标检一次。2、摄影测量系统坐标基准尺摄影测量系统专用坐标基准尺在测量时是默认的摄影测量坐标系，在标定时也即 控制场坐标系。同样的，其上面的反光标志也不可损坏，不可以用手触碰，以免影响反光效率。3、另外，标定架要设计还要考虑运输与搬运的方便性，刚性结构要好、不易产生变 形。所以可以采用不锈钢材料，以保证标定框架的稳定性，有利于标定过程中保证控制网精度。由上述情况可以看出，本实用新型可有效用于月球车双目视觉导航与避障系统的 标定，具有能同时兼容导航相机、避障相机的标定；在不搬动相机的前提下，完成高精度视 觉导航相机与避障相机的标定(需采用旋转或者平移机构)。因此，具有安装使用方便、标 定速度快、效率高，标定综合评定精度可达到0.1像素，是月球车双目视觉导航与避障系统 标定上的创新。
权利要求一种月球车双目视觉导航与避障系统标定设备，包括标定框架、基准尺和调节支架，其特征在于，基准尺由标定框架(3)上、下部的长度基准尺(1、6)和坐标基准尺(8)组成，标定框架(3)装在调节支架(7)上，标定框架为三维立体框架，三维立体框架上、下间均匀装有弧形的条状肋筋(9)，构成半圆形的球冠状，坐标基准尺(8)置于条状肋筋(9)下部上，条状肋筋上有用于测量的人工圆形标志(4)和编码标志(5)，标定框架上部有靶标(2)，调节支架(7)装在支座(10)上。
2.根据权利要求1所述的月球车双目视觉导航与避障系统标定设备，其特征在于，所 说的调节支架(7)是由L型支撑(7a)和U型支撑(7b)经U型支撑中部上的垂直旋转轴 (11)装配在一起构成，U型支撑(7b)两端上有水平旋转轴(12)，标定框架(3)上、下部装 在水平转轴(12)上。
3.根据权利要求1所述的月球车双目视觉导航与避障系统标定设备，其特征在于，所 说的条状肋筋均勻分布在标定框架内，测量标志粘贴在条状肋筋上面，构成球冠形，标定框 架为前、后面两层，前面有均勻分布的20个条状肋筋，后面均勻分布有10个条状肋筋，构成 球冠形的结构。
4.根据权利要求1所述的月球车双目视觉导航与避障系统标定设备，其特征在于，所 说的标定框架上的垂直旋转轴(11)和水平旋转轴(12)上装有锁紧装置，标定框架绕垂直 旋转轴旋转0-90°。
5.根据权利要求1所述的月球车双目视觉导航与避障系统标定设备，其特征在于，所 说的人工圆形标志(4)为 ，其中d为人工标志直径，c为人工标志像点直径方向 像素个数，r为像素尺寸，1为空间摄影距离，f为相机焦距，式中c彡5。
专利摘要本实用新型涉及月球车双目视觉导航与避障系统标定设备，可有效解决快速而方便、效率高的对月球车双目视觉导航与避障系统的标定问题，其解决的技术方案是，包括标定框架、基准尺和调节支架，基准尺由标定框架上、下部的长度基准尺和坐标基准尺组成，标定框架装在调节支架上，标定框架为三维立体框架，三维立体框架上、下问均匀装有弧形的条状肋筋，构成半圆形的球冠状，坐标基准尺置于条状肋筋下部上，条状肋筋上有用于测量的人工圆形标志和编码标志，标定框架上部有靶标，调节支架装在支座上，本实用新型结构简单，新颖独特，安装使用方便，易操作，标定精度高，工作效率高，是月球车双目视觉导航与避障系统标定设备上的创新。
文档编号G01C25/00GK201688853SQ20102021109
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者周建涛, 孙世杰, 李春艳, 王立, 范生宏, 范钦红 申请人:北京控制工程研究所;郑州辰维科技有限公司